專利名稱：基于矢量水聽器的流固界面波檢測裝置及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流固界面波的檢測裝置及檢測方法，屬于超聲檢測及分析技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展為無損評價、應(yīng)力檢測、缺陷檢測提供了一種有效手段。由于流固界面波具有幅度大、傳播損耗小、頻散小的特點(diǎn)，在介質(zhì)中的傳播可反映流固各介質(zhì)中的諸多信息，比如固體介質(zhì)的滲透率、密度、光滑度，裂縫特性，液體濃度，雜質(zhì)含量等，近年來流固界面波在地球物理、無損檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了研究者們廣泛的興趣，目前被廣泛應(yīng)用于大壩監(jiān)測，地質(zhì)勘探，泥沙含量檢測等實(shí)際工程應(yīng)用中。界面波主要是指沿著流固界面?zhèn)鞑サ牟?，在流固界面中主要存在的界面波是指scholte波和leaky raleigh波。由于Scholte波幅度大、能量高、無低頻截止頻率、傳播速度和衰減與沉積層的切變波特性密切相關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，Scholte成為反演分析介質(zhì)結(jié)構(gòu)屬性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，常見的流固界面波的激發(fā)和檢測方法有(I)將脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)柱透鏡聚焦成線源后垂直入射在固體表面上激發(fā)出表面波，表面波在流固界面處發(fā)生轉(zhuǎn)化形成流固界面波。在距離激發(fā)源不同距離的地方應(yīng)用光干涉位移振動接收系統(tǒng)實(shí)時接收傳播到達(dá)的界面波。如發(fā)明專利——一種微尺度界面波激發(fā)方法及裝置(申請?zhí)?2112787. 5)。(2)通過將固體半浸沒于液體中，固體和液體形成一定的角度以獲得一個合適的入射角。在露出液體的固體表面用換能器激發(fā)界面波，首先在空氣-固體表面形成Rayleigh波，當(dāng)rayleigh波傳播到空氣被替換為液體的表面時,一部分波被反射回去,一部分波轉(zhuǎn)化為scholte波和leaky rayleigh波。在浸沒于液體中的固體另一端放置接收換能器接收界面波信號。(3)利用超聲斜探頭直接在固體表面激發(fā)界面波，由于超聲斜探頭發(fā)射的入射波在固體面形成一個精確的入射角度，根據(jù)波形轉(zhuǎn)換可直接激發(fā)Rayleigh波和Scholte波。通過接收換能器直接在流固界面接收傳播信號。上述各種方法都在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)在特定情況下的流固界面波進(jìn)行檢測的目的，但是受檢測條件的限制，存在檢測設(shè)備昂貴，檢測效率不高，檢測方式單一等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種接收方式靈活、自動化程度高的檢測界面波的裝置及檢測方法。本發(fā)明采用矢量水聽器直接在水中接收界面波信號，不需要在流固界面處進(jìn)行安裝接收設(shè)備，檢測方式較為簡便。針對標(biāo)量水聽器或傳統(tǒng)檢測方式只能接受單一信號的缺憾，采用矢量水聽器可同時測量反映聲壓和質(zhì)量振速的各正交分量，反映完整的聲場信息，本發(fā)明可通過后期的處理模塊可獲得更可靠的水聲信息，較之傳統(tǒng)的單一聲壓信息處理系統(tǒng)具有良好的抗相干干擾能力和線譜檢測能力，檢測可靠性高。本發(fā)明通過矢量水聽器的移動可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量或陣列接收，數(shù)據(jù)采集量大，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，測量精度大大提高。同時，本發(fā)明的外接控制電路直接控制矢量水聽器的移動，自動化程度高，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整水聽器的高度和位置，較適合在實(shí)際工程界面波檢測中做廣泛推廣。在流固界面處，當(dāng)流體側(cè)和固體側(cè)為半無限空間介質(zhì)時，平面波的位移應(yīng)為零，因此流-固界面中傳播的平面波的位移勢函數(shù)可寫為
權(quán)利要求
1.一種基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，包括 一產(chǎn)生脈沖激勵信號的激勵信號模塊； 在所述激勵信號模塊的激勵作用下產(chǎn)生界面波的信號發(fā)射模塊； 信號接收模塊，包含矢量水聽器，在水中直接接收所述信號發(fā)射模塊發(fā)射的界面波信號; 信號采集模塊，采集所述信號接收模塊接收的信號； 外接控制電路模塊，控制所述矢量水聽器移動； 信號處理顯示模塊，對所述信號采集模塊傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理和波形顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述激勵信號模塊包含以信號發(fā)生器為核心的方波脈沖信號產(chǎn)生模塊、以高頻功率放大器為核心的功率放大模塊；所述方波脈沖信號產(chǎn)生模塊與所述功率放大模塊相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述信號發(fā)射模塊中采用壓電陶瓷片作為發(fā)射換能器激發(fā)界面波信號，壓電陶瓷片換能器的周圍涂有一層環(huán)氧樹脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述信號發(fā)射模塊固定設(shè)置于流固分界面固體側(cè)的一端且垂直于與分界面相鄰的兩個側(cè)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述信號接收模塊包括接收水聲信號的矢量水聽器和懸掛矢量水聽器的十字雙軸絲桿滑臺，所述矢量水聽器垂直于流固分界面懸掛在液體中并且貼近流固分界面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，由所述的外接控制電路模塊控制雙軸絲桿滑臺帶動矢量水聽器移動；外接控制電路模塊由結(jié)構(gòu)完全相同的兩組裝置組成，分別控制矢量水聽器在X軸和Y軸方向上的精確移動；每一組裝置均由一個步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠傳動使滑臺移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述信號采集模塊包含集成運(yùn)算放大器、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA高速控制模塊和計(jì)算機(jī)終端，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊與集成運(yùn)算放大器連接，所述FPGA高速控制模塊通過IO端口與高速A/D轉(zhuǎn)換模塊連接并通過RS232串口與計(jì)算機(jī)終端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于矢量水聽器的流固界面波的檢測裝置，其特征是，所述信號處理顯示模塊為計(jì)算機(jī)終端處理，包含用于優(yōu)化水聽器信號的波速成形算法模塊和用于繁衍其他水聲信息的處理模塊及顯示模塊。
9.一種基于矢量水聽器的流固界面波的檢測方法，其特征是，包含以下步驟 (1)將固體切成長方體狀薄片狀，以長方體的長和厚度邊形成的面作為底面，將固體塊立在水槽中； (2)將壓電陶瓷片制作成窄帶長方體狀作為發(fā)射換能器，壓電陶瓷片長和寬的比例為4:1 ;將壓電陶瓷片設(shè)置于信號發(fā)射模塊內(nèi)，壓電陶瓷片的長與流固分界面的窄邊平行；信號發(fā)射模塊固定在流固分界面固體側(cè)的一端，且在固定的過程中使壓電陶瓷片垂直于與界面相鄰的兩個側(cè)面；在固定好的壓電陶瓷片周圍涂一層環(huán)氧樹脂；(3)在固體的兩側(cè)安裝十字雙軸絲桿滑臺支架，支架的頂部高于水槽中的液面；調(diào)整X軸和Y軸的中心處位置使其處于流固分界面的正上方，且距離信號發(fā)射模塊一個波長的距離； (4)將一個或多個矢量水聽器懸掛在雙軸絲桿滑臺上，調(diào)整矢量水聽器的位置，使矢量水聽器垂直懸掛于貼近分界面的液體中，貼近分界面但不與固體貼合，保證水聽器的自由移動； (5)調(diào)整激勵信號模塊輸出方波信號的脈沖寬度，使激勵信號的脈沖寬度為壓電陶瓷片額定頻率的1/2，使檢測信號的幅度變化達(dá)到最大值； (6)由所述的激勵信號模塊激勵信號發(fā)射模塊產(chǎn)生界面波信號； (7)所述的矢量水聽器接收所述的信號發(fā)射模塊發(fā)射的界面波信號； (8)通過上位機(jī)軟件控制信號采集模塊對矢量水聽器接收到的信號進(jìn)行采集，然后由計(jì)算機(jī)終端對采集到的信號進(jìn)行處理并通過計(jì)算機(jī)終端的顯示器顯示出來； (9)通過外接控制電路控制雙軸絲桿滑臺移動，帶動矢量水聽器的移動，待矢量水聽器的運(yùn)動在水中靜止后，重復(fù)步驟(5)- (8)的過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種流固界面波的檢測裝置及檢測方法，屬于超聲檢測及分析技術(shù)領(lǐng)域。信號激勵模塊產(chǎn)生方波脈沖信號，激勵信號發(fā)射模塊產(chǎn)生界面波，界面波沿界面?zhèn)鞑?，由信號接收模塊中的矢量水聽器在貼近分界面的水中直接接收界面波信號，采用矢量水聽器可以獲得聲場的矢量信息，提高系統(tǒng)的抗噪聲干擾能力和線譜檢測能力。水聽器固定在由雙軸絲桿滑臺組成的十字支架上，通過外接控制電路實(shí)現(xiàn)精確移動。最后由信號采集模塊將采集到的波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。該發(fā)明的方法靈活方便，可實(shí)現(xiàn)流固界面波在任意位置檢測和陣列接收，數(shù)據(jù)采集量大，通過后期的信號處理可大大提檢測精度和可靠性。
文檔編號G01H3/00GK102980646SQ20121048442
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者韓慶邦, 徐杉, 趙勝永, 王茜, 李建, 殷澄, 朱昌平 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)