信息對(duì)抗技術(shù)專業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、 1. 緒論1.1 背景與意義通過改變聚合物的性能已研制和開發(fā)一大批具有特異物理和化學(xué)功能的新型聚合物材料，并先后在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。共混改性1-8是改變聚合物性能的一種重要方法。兩種或兩種以上聚合物形成的均勻混合材料所呈現(xiàn)出的優(yōu)良性能是單一聚合物難以具備的。所以共混可以使聚合物的性能得到互補(bǔ)，拓寬材料的性能和使用領(lǐng)域。共混改性的方法中機(jī)械共混法因其具有簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的性能是由保留在產(chǎn)品的相態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、分子鏈的取向結(jié)構(gòu)等因素決定4-6，即聚合物的混合狀態(tài)會(huì)影響產(chǎn)品的最終性能。所以在生產(chǎn)過程中在線實(shí)時(shí)監(jiān)控混合物的狀態(tài)就顯得尤為重要

2、了。超聲波作為一種機(jī)械波，具有探頭安裝簡(jiǎn)單方便、不破壞檢測(cè)對(duì)象、信號(hào)反饋速度快、容豐富等優(yōu)點(diǎn)。超聲波的速度與材料的密度、模量有關(guān)，而它的衰減則與粘彈性高分子的松弛特點(diǎn)和材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)有聯(lián)系。這些性質(zhì)決定了超聲波在檢測(cè)聚合物的混合狀態(tài)時(shí)能提供非常豐富的信息。所以利用超聲波檢測(cè)聚合物的混合狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能的產(chǎn)品具有重要意義。同時(shí)，周圍環(huán)境的溫度與壓強(qiáng)會(huì)對(duì)超聲場(chǎng)的特征量造成影響，所以該技術(shù)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程中的重要參數(shù)，這對(duì)優(yōu)化控制加工過程有重要指導(dǎo)意義。本論文將利用超聲波對(duì)聚合物的混合狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，研究能夠表征聚合物混合狀態(tài)的超聲特征信號(hào)的提取技術(shù)。并要找出特征信號(hào)與聚合物混合狀態(tài)的

3、關(guān)系，為超聲技術(shù)在實(shí)時(shí)在線檢測(cè)聚合物混合狀態(tài)提供一些基礎(chǔ)的技術(shù)指導(dǎo)。1.2 超聲檢測(cè)在聚合物中的應(yīng)用超聲檢測(cè)是無損檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，適用于各種尺寸的鍛件、扎制件、焊縫和某些鑄件。就物理性能檢測(cè)而言，用超聲法可以無損檢測(cè)厚度、材料硬度、晶粒度、液位和流量、殘余應(yīng)力和膠結(jié)強(qiáng)度。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用，超聲檢測(cè)法得到了迅速的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。但利用超聲波檢測(cè)聚合物在國(guó)還算剛剛起步，應(yīng)用十分有限。只是在聚合物的相形態(tài)結(jié)構(gòu)6、在線檢測(cè)9和檢測(cè)聚合物的流量10等幾個(gè)方面做了一些簡(jiǎn)單的研究。一些西方國(guó)家的科學(xué)家在這方面的研究開始的比較早，并已經(jīng)做了很多研究取得了一些成果。由于聲波在介

4、質(zhì)中傳播時(shí)，其高頻周期性振動(dòng)會(huì)引起質(zhì)點(diǎn)應(yīng)變的滯后現(xiàn)象，因此超聲技術(shù)常被用來研究聚合物的松弛行為。Nguyen N T等11利用超聲儲(chǔ)能模量、損耗模量與超聲速度、衰減之間的關(guān)系, 研究了環(huán)氧樹脂與鎢粒子填充體系的玻璃化轉(zhuǎn)變，并與動(dòng)態(tài)力學(xué)方法測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較。用WLF方程描述了兩種方法產(chǎn)生差異的原因：玻璃化轉(zhuǎn)變對(duì)頻率有依賴性。在高分子結(jié)構(gòu)方面，利用縱波速度與傳播介質(zhì)的密度戶、體積模量以與剪切模量的關(guān)系,表征了一些聚合物的降解。Wu12以20MHz縱波通過水浸法研究了聚羥基乙酸、聚乳酸以與羥基乙酸和乳酸共聚物的不同生物降解行為, 并結(jié)合DSC、GPC表明超聲技術(shù)是一種表征聚合物降解的有效方法。在聚

5、合物共混物的相容性方面：Sidkey等13用頻率為6MHz的超聲波聲速與衰減研究了SBR與NR、BR、NBR在甲苯溶液中的相容性。實(shí)驗(yàn)表明對(duì)相容的SBR-NR, SBR-BR體系,聲速與組分含量呈直線關(guān)系, 聲衰減與組分含量曲線上只有一個(gè)峰。但對(duì)不相容的SBR- NBR體系, 速度含量曲線上出現(xiàn)兩個(gè)S段, 衰減含量曲線上出現(xiàn)兩個(gè)峰。1.3 超聲信號(hào)處理技術(shù)的現(xiàn)狀近年來，信號(hào)處理的理論與方法獲得了驚人的發(fā)展，新的理論和處理技術(shù)不斷的提出，并被廣泛的應(yīng)用在信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域。例如以小波變換為代表的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)分析與處理和方法的發(fā)展；以混沌理論為代表的非線性處理的理論和方法的發(fā)展；自適應(yīng)信號(hào)處理理

6、論與應(yīng)用的新成果；各種現(xiàn)代譜估計(jì)方法新的改進(jìn)等。傳統(tǒng)的頻譜分析技術(shù)是利用超聲反射回波的幅度譜、相位譜提取回波信號(hào)中的能表征被測(cè)對(duì)象性能和特征的信號(hào)來分析和評(píng)價(jià)被檢測(cè)對(duì)象的物理性能和質(zhì)量情況。頻譜分析的特點(diǎn)是在頻域上提取超聲檢測(cè)信號(hào)的各種特征，F(xiàn)ourier變換建立了從時(shí)域到頻域的通道，但它并沒有將時(shí)域和頻域組合成的一個(gè)域，即頻譜分析只給出了信號(hào)的頻率容，沒有給出任何頻率出現(xiàn)時(shí)間的信息。對(duì)于非穩(wěn)定信號(hào)來說，通常想知道頻率存在的時(shí)間，此時(shí)頻譜分析將不能滿足要求。如能將時(shí)域和頻域結(jié)合起來描述信號(hào)的時(shí)頻聯(lián)合特征，構(gòu)成信號(hào)的時(shí)頻譜，其分析將是非常有效的,這就是時(shí)頻局部化方法。常用的時(shí)頻分析方法就是小波變

7、換, 可以將信號(hào)同時(shí)變換到時(shí)域和頻域，特別適用于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的處理。小波變換，可同時(shí)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，具有時(shí)頻局部化和變分辨特性，特別適于處理非平穩(wěn)信號(hào)。鄔冠華、吳偉等14從小波變換的奇異性分析入手，給出應(yīng)用于超聲檢測(cè)信號(hào)去噪的小波模極大值算法，并選用Marr函數(shù)做小波基函數(shù)。該算法對(duì)超聲合成信號(hào)和實(shí)測(cè)信號(hào)的去噪效果均很理想。小波變換在進(jìn)行閾值去噪的過程中，如何選取合適的小波基和恰當(dāng)?shù)拈撝禍?zhǔn)則成為其中的一個(gè)關(guān)鍵問題，1995年，D.L.Dohono在小波變換的基礎(chǔ)上提出了一種小波閾值去噪法。索進(jìn)章等15研究了小波閾值去噪法在超聲信號(hào)處理中的應(yīng)用，并探索了不同的小波基和閾值選取準(zhǔn)則對(duì)閾值去噪結(jié)果

8、的影響。雖然小波變換具有時(shí)頻分辨率高和多分辨率分析的優(yōu)點(diǎn)，適合對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的分析處理，但它也有缺點(diǎn)，即：頻率分辨率隨頻率升高而降低。小波包分解是一種比小波分解更為精細(xì)的分解方法。根據(jù)超聲檢測(cè)信號(hào)在時(shí)頻域上的分布特點(diǎn)，車紅昆等16提出了一種基于小波包分解的時(shí)頻鄰域自適應(yīng)消噪方法。為了消除在鋁合金鍛件的超聲檢測(cè)中的晶粒散射引起的相干噪聲,守山等17提出了一種基于新閾值函數(shù)的Stein 無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)自適應(yīng)消噪方法。利用新的閾值函數(shù)得到離散小波變換各尺度下的小波系數(shù)，對(duì)小波閾值進(jìn)行最小均方誤差意義上的迭代，基于小波系數(shù)估計(jì)值進(jìn)行離散小波反變換以得到信號(hào)的估計(jì)值，通過反復(fù)迭代運(yùn)算得到缺陷回波的最優(yōu)消噪模型

9、。在實(shí)際檢測(cè)中遇到的信號(hào)多帶隨機(jī)性，而且記錄長(zhǎng)度有限。功率譜估計(jì)是用無限長(zhǎng)隨機(jī)信號(hào)的有限樣本序列來求得，因此會(huì)產(chǎn)生誤差。為了提高譜估計(jì)的精度和分辨率而提出了最大熵譜法18最大熵譜估計(jì)的原理是根據(jù)已知信息外推相關(guān)函數(shù)時(shí)，每一步都保持未知時(shí)間的不確定性或熵為最大。最大熵譜法不認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)全為零，沒有固定的窗函數(shù)，克服了傳統(tǒng)譜估計(jì)方法由于數(shù)據(jù)窗的加入而帶來的譜分辨率較低、出現(xiàn)頻譜“泄漏”、產(chǎn)生假譜峰等缺陷，提高了譜的分辨率。利用Duffing振子的間歇混沌對(duì)噪聲具有免疫力來檢測(cè)信號(hào)，稱為混沌弱信號(hào)檢測(cè)法19-20。將帶有強(qiáng)噪聲的外界有用信號(hào)作為系統(tǒng)部周期激勵(lì)的攝動(dòng)引人Duf-fing振子系

10、統(tǒng)。當(dāng)信號(hào)中帶有的與參考信號(hào)同頻率的信號(hào)，即使幅值很小也會(huì)導(dǎo)致振子向周期狀態(tài)迅速過渡且系統(tǒng)會(huì)周期地重復(fù)著間歇混沌現(xiàn)象，而高噪聲信號(hào)雖然強(qiáng)烈，但只局部改變系統(tǒng)的相軌跡很難引起相變。這充分體現(xiàn)了Duffing振子對(duì)于高噪聲的強(qiáng)免疫能力。1.4 研究重點(diǎn)本次論文的重點(diǎn)是利用超聲波檢測(cè)兩種聚合物的混合狀態(tài)，通過超聲波的速度來表征聚合物的混合狀態(tài)，建立超聲信號(hào)與聚合物混合狀態(tài)的關(guān)系。超聲波在聚合物地混合物中傳播時(shí)能量衰減大，可能使回波信號(hào)能量太小而淹沒在噪聲中無法識(shí)別。通常聚合物的混合物中會(huì)有分散相存在，造成超聲波的散射，使超聲波的能量衰減劇烈，從而可能使回波信號(hào)淹沒在噪聲中不易分辨；超聲波遇到聲阻抗不

11、同的介質(zhì)時(shí)就會(huì)在兩種介質(zhì)的界面上發(fā)生反射和折射，被反射的信號(hào)可能傳回探頭形成新的噪聲，從而使特征信號(hào)的辨別更加困難；反射波與散射波可能會(huì)與信號(hào)疊加，使信號(hào)的質(zhì)量變的更差，信號(hào)可能完全被噪聲淹沒而無法識(shí)別；所有的這些情況都可能造成信號(hào)的誤判，從而使計(jì)算的超聲波速度值出現(xiàn)誤差。所以本研究的最大的困難是降低這些噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響，以提高回波信號(hào)的質(zhì)量。本次研究容是利用超聲波檢測(cè)石蠟以與石蠟與硬脂酸鈉的混合物。分別提取并比較石蠟與混合物的特征信號(hào)，從而建立混合物的特征信號(hào)與石蠟與硬脂酸鈉的混合狀態(tài)的關(guān)系。2 超聲檢測(cè)原理超聲波是超聲振動(dòng)在彈性介質(zhì)傳播的機(jī)械波，頻率在20KHz以上，是一種聲波。超聲波

12、的聲速、頻率和波長(zhǎng)有以下關(guān)系式： (2.1)2.1 超聲波的分類根據(jù)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波傳播方向是否一樣，超聲波的波型可分為以下幾類：（1）縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與聲波傳播方向一樣（圖2.1）。根據(jù)聲學(xué)理論，在無限大固體介質(zhì)中，縱波的聲速為 (2.2)式中為氏模量，為介質(zhì)密度，為介質(zhì)泊松比，為體積模量，為剪切模量。縱波是超聲檢測(cè)中應(yīng)用最為普遍的一種波型,也是唯一能在固體、液體和氣體中均可傳播的波型。由于縱波的發(fā)射和接收較容易實(shí)現(xiàn)，在應(yīng)用其他波型時(shí)，常采用縱波聲源經(jīng)波型轉(zhuǎn)換后得到所需的波型。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向 波傳播方向 圖2.1 縱波示意圖（2）橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與聲波傳播方向垂直（圖2.2）。其

13、聲速為 (2.3)由于橫波的傳播需要介質(zhì)存在剪切應(yīng)力, 而液體和氣體中沒有剪切彈性,固橫波不能在氣體和液體中傳播。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向 波傳播方向 圖2.2 橫波示意圖（3）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減，又稱瑞利波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓，質(zhì)點(diǎn)位移的長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。與橫波一樣,表面波也不能在氣體和液體中傳播。表面波可以沿圓滑曲面?zhèn)鞑ザ鴽]有反射，對(duì)表面裂紋具有很高的靈敏度。（4）蘭姆波：蘭姆波只產(chǎn)生在有一定厚度的薄板，當(dāng)頻率、板厚與波的入射角成一定關(guān)系時(shí)才能產(chǎn)生。在板的兩表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍與整個(gè)板的厚度，沿著板

14、的兩表面與中部傳播，所以又稱為板波。振動(dòng)模式是縱向振動(dòng)和橫向振動(dòng)的合成。蘭姆波的聲速較為復(fù)雜，除與材料特性有關(guān)以外，其相速度和群速度均與頻率、板厚和振動(dòng)模式有關(guān)。2.2 超聲場(chǎng)的特征量（1）聲壓 在有超聲波傳播的介質(zhì)中，某一點(diǎn)在某一瞬間具有的壓強(qiáng)與沒有超聲波存在時(shí)的該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差為聲壓。 (2.4)為介質(zhì)密度，為超聲波速度，為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。（2）聲強(qiáng) 在垂直與超聲波傳播方向上，單位面積、單位時(shí)間所通過的能量。 (2.5)（3）特性阻抗 介質(zhì)密度與聲速的乘積稱為介質(zhì)的特性阻抗。特性阻抗反映了介質(zhì)的傳聲特點(diǎn)，不同的介質(zhì)具有不同的特性阻抗。 (2.6)2.3 超聲波的衰減超聲波的衰減是指超聲波在介

15、質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加能量逐漸減弱的現(xiàn)象。引起衰減的原因21-25可歸納為以下三種：（1）吸收衰減：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的黏滯性會(huì)造成質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦，使一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能；同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密部分和稀疏部分進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，稱為超聲波的吸收衰減。（2）散射衰減：散射是由物質(zhì)的不均勻性造成的。超聲波在介質(zhì)中傳播遇到障礙物時(shí)，當(dāng)障礙物的尺寸與超聲波的波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生散射衰減。因?yàn)檎系K物和材料本身構(gòu)成了含有聲阻抗急劇變化的界面，在界面上將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，導(dǎo)致聲能的降低。產(chǎn)生散射衰減的因素基本可分為兩

16、種。一種是材料本身的不均勻。另一種是晶粒尺寸與超聲波波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)亩嗑Р牧显斐缮⑸渌p。（3）擴(kuò)散衰減：超聲波的擴(kuò)散衰減是因?yàn)槁暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播時(shí)，波的前方逐漸擴(kuò)展，從而導(dǎo)致聲波能量逐漸減弱。擴(kuò)散衰減主要取決于波振面的幾何形狀，與傳播介質(zhì)無關(guān)。2.4 超聲波在界面上的反射與折射當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)（）傳播到另一種介質(zhì)（）時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回至原介質(zhì)的波，稱為反射波；另一部分能量則穿過分界面，在另一介質(zhì)繼續(xù)傳播的波，稱為折射波，如圖2.3所示。為第一種介質(zhì)的聲阻抗，為其密度，為超聲波在其中傳播的速度。為第二種介質(zhì)的聲阻抗，為其密度，為超聲波在其中傳播的速度。介質(zhì)1介質(zhì)2界面圖2.3

17、 波的反射與折射反射定律：入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型一樣，波速一樣時(shí)，入射角等于反射角。折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于波在入射介質(zhì)中的速度與波在折射介質(zhì)中的速度之比。2.5 波型轉(zhuǎn)換當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)的界面上時(shí)，除有反射、折射縱波之外，還發(fā)生橫波的反射與折射23,24，如圖2.4所示。各種波型亦符合幾何光學(xué)中的反射定律和折射定律。(2.7)其中為入射介質(zhì)的縱波速度，為反射介質(zhì)的縱波速度，為反射介質(zhì)的橫波速度，為折射介質(zhì)的縱波速度，為折射介質(zhì)的橫波速度。當(dāng)?shù)诙N介質(zhì)中的聲速比第一種介質(zhì)中的大時(shí)，折射角大于入射角。此時(shí)，存在一個(gè)臨界

18、入射角度，在這個(gè)角度下，折射角等于90度。大于這個(gè)角度時(shí)，第二種介質(zhì)沒有折射波，全部能量反射到第一種介質(zhì)中，稱為全反射。其中，折射波中只有橫波沒有縱波時(shí)，這一入射角稱為第一臨界角；折射波完全不存在時(shí)，這一入射角稱為第二臨界角。L介質(zhì)1介質(zhì)2TTLLltlt圖2.4 波型的轉(zhuǎn)換T ：橫波L ：縱波a ：縱波入射角l ：縱波反射角t ：橫波反射角l ：縱波折射角t ：橫波折射角2.6 超聲波在聚合物混合物中的傳播聚合物的共混是指將兩種或兩種以上聚合物材料、無機(jī)材料以與助與在一定溫度下進(jìn)行機(jī)械摻混，最終形成一種宏觀上均勻，而且各種性能得到改善的新材料的過程，所得到的新的共混產(chǎn)物稱為聚合物的共混物，簡(jiǎn)

19、稱共混物。共混物的形態(tài)可分為均相體系與兩相體系，其中兩相體系又可進(jìn)一步分為“海島”結(jié)構(gòu)與“海?！苯Y(jié)構(gòu)4,5?！昂u”結(jié)構(gòu)一相為連續(xù)相，另一相為分散相，分散相分散在連續(xù)相中?！昂：！苯Y(jié)構(gòu)兩相皆為連續(xù)相，互相貫穿。共混物的形態(tài)與共混物的性能有密切關(guān)系，是聚合物改性研究的一個(gè)重要容，因?yàn)楣不煳锏男螒B(tài)與共混物的性能有密切關(guān)系。共混組分在混合物中的狀態(tài)會(huì)影響共混物形態(tài)，例如決定哪一相為連續(xù)相，哪一相為分散相。兩相體系中的分散相粒子的直徑和分散狀態(tài)會(huì)影響超聲波在共混物中的傳播情況。例如當(dāng)粒子的直徑與波長(zhǎng)相比擬時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生散射。共混物中相與相之間的交界面稱為相界面。超聲波入射的角度與相界面的形狀都會(huì)影響

20、超聲波波的傳播。當(dāng)超聲縱波入射到相界面上時(shí)，可能會(huì)發(fā)生反射和折射與波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生反射縱波、反射橫波、折射縱波和折射橫波26。當(dāng)入射角大于第一臨界角時(shí)，只產(chǎn)生反射縱波、反射橫波和折射橫波；大于第二臨界角時(shí)，只有反射縱波和反射橫波。超聲波在界面上的反射、折射以與波型轉(zhuǎn)換使得超聲波在混合物中的傳播情況變得非常復(fù)雜。超聲波在聚合物的混合物中傳播的另一特點(diǎn)是超聲波的能量衰減大。因?yàn)槌暡▊鞯椒稚⑾嗯c連續(xù)相的界面上時(shí)將產(chǎn)生聲波的反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，導(dǎo)致超聲波能量的降低。當(dāng)分散相粒子的尺寸與超聲波的波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，也可導(dǎo)致超聲波能量的降低。另外，組成混合物的各種聚合物材料也會(huì)吸收

21、超聲波的能量，產(chǎn)生吸收衰減，還有擴(kuò)散衰減等原因。但引起超聲波能量衰減的主要原因是散射衰減與吸收衰減。探頭縱波橫波分散相連續(xù)相圖2.5 超聲波在“海島”結(jié)構(gòu)混合物中傳播示意圖2.7 探頭超聲波探頭是用來產(chǎn)生與接收超聲波的器件，是組成超聲檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分之一。探頭的性能直接影響到發(fā)射的超聲波的特性，影響到超聲波的檢測(cè)能力。探頭中的關(guān)鍵部件是換能器，最常用的是壓電換能器，又稱為壓電晶片。壓電換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換為超聲脈沖，在將超聲脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，也就是實(shí)現(xiàn)了電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換。壓電換能器進(jìn)行聲電能量轉(zhuǎn)換的原理是利用某些晶體在機(jī)械變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓的壓電效應(yīng)，以與在交變電壓作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械伸縮的逆壓

22、電效應(yīng)。根據(jù)探頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用途，可將探頭分為多種類型，其中最常用的是接觸式縱波直探頭、接觸式斜探頭、雙晶探頭、水浸平探頭和聚焦探頭。2.7.1 探頭的耦合探頭與試件間的聲耦合需采用耦合劑，目的是以液體置于探頭與試件之間代替空氣間隙，增大聲能的透過率，使聲波更好地傳入試件。接觸法中常用的耦合劑有機(jī)油、甘油等。液浸法中常用水作耦合劑，有時(shí)也采用油進(jìn)行液浸法檢測(cè)，但對(duì)高頻聲波衰減較大。2.8 聚合物的超聲檢測(cè)方法脈沖反射法在聚合物的超聲檢測(cè)較為廣泛,通過處理脈沖回波來計(jì)算超聲波的聲速或能量衰減,表征聚合物的性質(zhì)25。因?yàn)椋贸暡ǖ乃俣瓤删_估計(jì)聚合物材料的彈性模量、體積模量、剪切模量與密度等參

23、數(shù)，從而檢測(cè)聚合物的分子結(jié)構(gòu)、各向異性結(jié)構(gòu)、纖維在聚合物基體中的取向情況以與物質(zhì)的交聯(lián)固化行為；聚合物復(fù)合材料中的分散相的尺寸和含量與超聲波能量的衰減有密切的關(guān)系，通過測(cè)量衰減系數(shù)可了解增強(qiáng)體在基體中的分散情況；超聲波的速度與衰減系數(shù)也用來表征聚合物的共混體系的相容性與相結(jié)構(gòu)。脈沖反射法根據(jù)耦合方式又可分為接觸法和液浸法。接觸法檢測(cè)是將探頭與樣品表面直接接觸進(jìn)行檢測(cè)的方法（圖2.6），通常在探頭與檢測(cè)表面之間涂有一層很薄的耦合劑。耦合劑主要起傳輸超聲波能量作用，為避免空氣層產(chǎn)生的強(qiáng)烈反射，故在檢測(cè)時(shí)必須將接觸層間的空氣排除干凈，使聲波進(jìn)入樣品部。液浸法是將探頭和樣品全部或部分浸于液體中，以液體

24、作為耦合劑，超聲波通過液體進(jìn)入樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法（圖2.7）。液浸法最常用的耦合劑為水，此時(shí)，又稱水浸法。耦合劑樣品探頭水探頭樣品圖2.6 接觸法 圖2.7 液浸法接觸法與液浸法各有特點(diǎn)，可以認(rèn)為：接觸法作為最基本的檢測(cè)方法，能夠滿足絕大多數(shù)檢測(cè)的要求，且操作簡(jiǎn)便，成本低，便于靈活機(jī)動(dòng)地適應(yīng)各種場(chǎng)合與目的；液浸法檢測(cè)中人為因素少，檢測(cè)可靠性高，對(duì)粗糙表面適應(yīng)性好，對(duì)于固定產(chǎn)品、要求高分辨力、高靈敏度、高可靠性的檢測(cè)對(duì)象，以與表面未經(jīng)機(jī)加工的試件，采用液浸法檢測(cè)較為有利。2.9 聲速超聲波在混合物中的傳播速度與混合物的彈性性質(zhì)以與混合物的部結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。一般來說，彈性模量越高，部越是緊密，其

25、聲速越高?；旌衔锊康姆稚⑾嗟姆植紶顟B(tài)也會(huì)影響超聲波的聲速。超聲波在不同的介質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，如果在聲速較快的連續(xù)相中加入較慢的分散相會(huì)使超聲波的速度降低，反之亦然。另外，超聲波在分散相與連續(xù)相的界面上發(fā)生反射與折射，如果被反射的波直接返回探頭，回使計(jì)算的聲速值變大；如果反射波被多次反射，就可能使計(jì)算的聲速值變小。經(jīng)過多次反射的波可能衰減太大，被噪聲淹沒而無法識(shí)別，或是沒有傳回探頭就已經(jīng)消失。在界面上反射與折射時(shí)還可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波，使聲速降低。如果分散相的直徑與波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，超聲波可能發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而使超聲波的速度發(fā)生改變。2.9.1 聲速的計(jì)算使用脈沖回波法技術(shù)進(jìn)行聲速測(cè)量，主

26、要有四種基本的方法25，即峰值檢測(cè)法、回波重疊法，正交相關(guān)法和相位測(cè)量法。如果回波信號(hào)的波形變形不是很嚴(yán)重時(shí)，峰值檢測(cè)和回波重疊法是足夠精確的。兩種方法都是首先測(cè)量?jī)蓚€(gè)回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔以與超聲波在此時(shí)間間隔傳播的路程，利用公式2.8即可計(jì)算超聲波的聲速。 (2.8)圖2.8 峰值檢測(cè)法示意圖（時(shí)間間隔）如圖2.8所示意的，峰值檢測(cè)法是選取兩個(gè)相鄰信號(hào)的最大峰值為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量?jī)煞逯抵g的時(shí)間間隔，然后用公式2.8計(jì)算聲速。而回波重疊法是對(duì)信號(hào)f1進(jìn)行時(shí)移，使其與信號(hào)f2重疊（圖2.9），圖(a)是檢測(cè)得到的兩個(gè)信號(hào),圖(b)是將信號(hào)f2平移與f1重合，同時(shí)記錄時(shí)移量，然后用公式2.8計(jì)算

27、聲速。（a） (b)圖2.9 回波重疊法示意圖3 聚合物混合狀態(tài)的超聲檢測(cè)方案以兩種或兩種以上的聚合物形成均勻混合物的方法稱為聚合物的共混改性。它能得到單一聚合物難以具備的性能優(yōu)異的新材料，以拓展聚合物材料的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。但是最終的新材料的性能與各組成成分的性能與含量有密切的關(guān)系。所以測(cè)定混合物中各組成成分的狀態(tài)對(duì)生產(chǎn)性能優(yōu)異的產(chǎn)品有重要意義。由于超聲波的聲速與衰減與混合物的狀態(tài)有密切的聯(lián)系，超聲波脈沖檢測(cè)又能方便地準(zhǔn)確地計(jì)算超聲波的速度與衰減量，所以其在聚合物混合狀態(tài)的檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。3.1 選擇樣品本研究的對(duì)象是聚合物的混合物，目的是研究聚合物的混合狀態(tài)的超聲波脈沖檢測(cè)的特征信

28、號(hào)的提取技術(shù)。由于超聲波在聚合物的混合物中傳播時(shí)能量的衰減較大，可能會(huì)導(dǎo)致接收到的回波信號(hào)很微弱，被淹沒在噪聲中無法識(shí)別；以與只檢測(cè)一種混合物可能很難找出特征信號(hào)與聚合物混合狀態(tài)的關(guān)系。所以本研究在制作了一個(gè)聚合物的混合物樣品之外還做了單一聚合物樣品來做比較。通過比較兩種樣品的特征信號(hào)找出聚合物的混合狀態(tài)與特征信號(hào)的關(guān)系。為了使回波信號(hào)較明顯，希望緩沖桿可以在溶液中上下運(yùn)動(dòng)，所以選取粘稠度較低的石蠟和石蠟與硬脂酸鈉的混合物作為研究的樣品。3.2 超聲系統(tǒng)的選取本設(shè)計(jì)采用的超聲檢測(cè)系統(tǒng)如圖3.1所示。超聲信號(hào)采集卡計(jì)算機(jī)探頭聚合物圖3.1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)框圖檢測(cè)系統(tǒng)中超聲波的發(fā)射與接收均由超聲采集

29、卡完成，超聲采集卡插在計(jì)算機(jī)的主板上，通過計(jì)算機(jī)控制超聲采集卡工作。接收的回波信號(hào)在軟件配合下計(jì)算機(jī)的顯示器上顯示，可同時(shí)采集8000個(gè)點(diǎn)，采樣頻率為100MHz。3.3 檢測(cè)裝置3567821491011x1探頭 7 標(biāo)桿2緩沖桿 8 出水口3注水口 9 平行板4蓄水漕 10 容器5拉桿 11 混合物6標(biāo)尺圖3.2 檢測(cè)裝置示意圖本次實(shí)驗(yàn)的裝置如圖3.2所示。檢測(cè)采用的縱波直探頭，振動(dòng)頻率為5MHz。由于探頭不能在高溫下工作，本次檢測(cè)需要用到緩沖桿，將探頭固定在緩沖桿一端。探頭與緩沖桿之間涂有一薄層甘油做耦合劑。緩沖桿的作用是將超聲探頭與高溫的熔融態(tài)混合物隔開，超聲波通過緩沖桿傳入混合物溶液

30、中，同時(shí)回波信號(hào)也是通過緩沖桿傳回超聲探頭。因?yàn)榛旌衔锏臒崃窟€是會(huì)通過緩沖桿傳到探頭，所以要采用冷卻裝置。圖中蓄水漕是利用逆流原理制成的冷卻裝置，因?yàn)闊崃渴菑木彌_桿的下端傳到上端，所以從蓄水漕的上端注水，下端放水。平行板的作用是保證緩沖桿的上下位移是垂直的，與緩沖桿做成一個(gè)整體。拉桿通過螺釘與平行板以與標(biāo)桿固定在一起，這樣當(dāng)拉桿控制平行板上下移動(dòng)時(shí)，緩沖桿也會(huì)上下移動(dòng)，同時(shí)標(biāo)桿也在上下移動(dòng)，從而可在標(biāo)尺上讀出數(shù)值。標(biāo)尺是固定的，不能移動(dòng)。圖中的x表示緩沖桿與聚合物的混合物的底部之間的距離。3.4 檢測(cè)方案本研究采用超聲波檢測(cè)高溫熔融態(tài)的聚合物混合物，在檢測(cè)時(shí)將探頭在溶液中多個(gè)點(diǎn)處接收超聲回波，

31、每間隔1mm記錄一次數(shù)據(jù)。3.4.1 檢測(cè)結(jié)果圖3.3石蠟回波波形圖3.3顯示了緩沖棒在石蠟溶液中的多個(gè)點(diǎn)處測(cè)得的超聲回波信號(hào)。圖中超聲回波信號(hào)質(zhì)量較好，所以本檢測(cè)方案可以檢測(cè)聚合物的高溫熔融態(tài)。3.5 特征信號(hào)的提取方案特征信號(hào)是能表征聚合物混合物混合狀態(tài)的回波信號(hào)。通過特征信號(hào)能夠計(jì)算超聲波在混合物中的速度和能量的衰減，從而推測(cè)分散相在基體中的分散狀態(tài)等混合物的狀態(tài)。3.5.1差分法差分法顧名思義就是將幾個(gè)檢測(cè)信號(hào)做差，將波形中一樣的部分減掉，留下特征信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)的條件如上小節(jié)所述，只是緩沖桿在上下移動(dòng)，而其他條件并沒有改變。所以每次記錄的數(shù)據(jù)中的噪聲因基本一樣，只是底面回波信號(hào)在移動(dòng)（

32、圖3.3）。圖4.1和圖4.5顯示了經(jīng)過差分法提取的石蠟與混合物溶液的超聲特征信號(hào)。從圖中可看出雖然還有一些噪聲存在，但大部分的噪聲被去掉，且留下的噪聲的幅值已被削弱許多，基本達(dá)到了去噪的目的。而且本方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)手段也簡(jiǎn)單。4 檢測(cè)結(jié)果與分析4.1 單一聚合物的檢測(cè)結(jié)果與分析圖4.1 石蠟的特征信號(hào)圖4.1對(duì)應(yīng)圖3.3顯示了單一聚合物石蠟的回波波形的特征信號(hào)。從圖中可看出仍有少量的噪聲存在，且幅值較大，但特征信號(hào)已較為明顯。 表4.1中列出了各特征信號(hào)位置點(diǎn)的讀數(shù)，共有三組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)的第一列為緩沖桿向上移動(dòng)時(shí)的讀數(shù)，第二列為緩沖桿向下移動(dòng)時(shí)的讀數(shù)。表4.1石蠟溶液得特征信號(hào)位置點(diǎn)的讀

33、數(shù)分組位置第一組第二組第三組1223223178204183220235639928537937039534925744385264925584656720609683633724583589078779781686069761070997101096610014.1.1 單一聚合物的聲速方法一、直接計(jì)算利用下式特征信號(hào)的聲速 （4.1）式中，為各特征信號(hào)的聲速，從15變化，。，表示兩點(diǎn)之間的距離。表示各位置上特征信號(hào)的位置點(diǎn)的讀數(shù)，選擇作為計(jì)算時(shí)得參考點(diǎn)從26變化。各特征信號(hào)的聲速列于表4.2中。表4.2超聲波在石蠟溶液中的聲速次數(shù)位置第一次第二次 第三次11503.761136.36186

34、9.161142.861069.521142.8621486.991139.601538.461242.241294.491183.4331385.681207.241392.111207.241333.331190.4841307.191199.401313.631372.211263.821250.0051328.021180.641221.011300.391277.141280.41平均值 129202從表中可看出各特征值的聲速偏差較大。引起偏差的原因：一是實(shí)驗(yàn)時(shí)標(biāo)尺的讀數(shù)存在誤差，二是由于噪聲的存在使特征信號(hào)的識(shí)別出現(xiàn)誤差。方法二、直線擬合 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)每間隔1mm讀一次數(shù)，那么每組數(shù)

35、據(jù)應(yīng)是均勻增加，即每個(gè)點(diǎn)應(yīng)在一條斜率斜率一定的直線上。所以將表4.1中的數(shù)據(jù)做直線擬合，直線的斜率就是各個(gè)點(diǎn)的讀數(shù)增加量的平均值。即可計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。圖4.2 石蠟的直線擬合結(jié)果求得直線的斜率為157.1095，即時(shí)間間隔。利用公式2.8可計(jì)算聲速。方法三、中值直線擬合從圖4.2中可看出,個(gè)別點(diǎn)與擬合直線的偏差較大,所以選取每個(gè)檢測(cè)位置點(diǎn)上所有讀數(shù)的中值,這樣可以去掉一些誤差較大的點(diǎn),提高結(jié)果的精確度。 圖4.3 石蠟的中值直線擬合結(jié)果求得直線的斜率為156.2000，即時(shí)間間隔。利用公式2.8可計(jì)算聲速。比較三種方法得到的結(jié)果，直接計(jì)算的誤差最大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)讀數(shù)時(shí)存在誤差，相鄰特

36、征信號(hào)之間的距離不可能正好為1mm，還有在特征波形上表定點(diǎn)數(shù)時(shí)也存在偏差，導(dǎo)致方法一的計(jì)算結(jié)果值偏差較大。方法二和三采用直線擬合方法求得相鄰特征信號(hào)之間得時(shí)間間隔，且擬合效果較好（圖4.2,圖4.3）。方法三可以去掉一些偏差較大點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果更為精確。所以選取方法三的聲速作為超聲波在石蠟溶液中的傳播速度。4.2 混合物的檢測(cè)結(jié)果與分析圖4.4是超聲波檢測(cè)石蠟與硬脂酸鈉混合物高溫熔融態(tài)時(shí)得到的超聲回波波形圖。圖4.5是用差分法提取圖4.4所示的回波波形的特征信號(hào)波形，圖中可看出界面回波沒有被全部減掉，是由于回波波形與做基準(zhǔn)的波形之間有微小的偏移造成的。圖4.4 混合物的回波波形圖4.5混合物的特

37、征信號(hào)表4.4混合物溶液得特征信號(hào)位置點(diǎn)的讀數(shù)次數(shù)位置第一次第二次第三次129231526332535333124494713924835965193610640551662698663476483071782383978059139789199661001975表4.4中列出了超聲波在混合物溶液中傳播時(shí)得各特征信號(hào)位置點(diǎn)的讀數(shù)，共有三組數(shù)據(jù)。每組數(shù)據(jù)的第一列為緩沖桿向上移動(dòng)時(shí)的讀數(shù)，第二列為緩沖桿向下移動(dòng)時(shí)的讀數(shù)。4.2.1 混合物的聲速方法一、直接計(jì)算利用公式4.1計(jì)算各特征信號(hào)的聲速,結(jié)果列于表4.5中表4.5超聲波在混合物中的聲速次數(shù)位置第一次第二次第三次11273.881282.05

38、1550.391265.82823.061063.8321219.511194.031030.931186.941159.421204.8231271.191142.861321.581204.821234.561307.1941288.241206.641219.511248.051234.571242.24平均值 1215.67 表4.5列出了石蠟與硬脂酸鈉混合物的超聲波速度值，除個(gè)別數(shù)值偏差較大外。其它值與平均值之間的偏差較小。和圖4.4的回波信號(hào)的質(zhì)量要比圖3.3好，所以在聚合物混合狀態(tài)的檢測(cè)中要盡量提高回波信號(hào)的質(zhì)量，可使檢測(cè)結(jié)果的精確度大大的提高。方法二、直線擬合 圖4.6 混合物

39、的直線擬合結(jié)果求得直線的斜率為162.525，即時(shí)間間隔。利用公式2.8可計(jì)算聲速。方法三、中值直線擬合圖4.7 混合物的中值直線擬合結(jié)果求得直線的斜率為161.1000，即時(shí)間間隔。利用公式2.8可計(jì)算聲速。 三種方法計(jì)算的聲速值中，直接計(jì)算的結(jié)果最小，是由于第三次檢測(cè)時(shí)位置2與位置1之間的間隔太大，導(dǎo)致聲速非常小，使得整體的平均值變小。方法三使用中值法濾掉了一些偏差較大的點(diǎn)，使計(jì)算結(jié)果較為精確。所以選取方法三的聲速值作為超聲波在混合物中的速度。5 結(jié)論聚合物的共混改性已成為制造新型聚合物材料的一種重要方法，而制得的新材料的性質(zhì)與聚合物得混合狀態(tài)有密切的聯(lián)系。所以檢測(cè)聚合物的混合狀態(tài)成為共混

40、改性加工的重要環(huán)節(jié)。通過檢測(cè)混合物的狀態(tài)可以提高最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。雖然已有多種檢測(cè)方法，但利用超聲波檢測(cè)聚合物的混合狀態(tài)還屬于比較新的課題。本論文利用超聲波檢測(cè)聚合物的混合狀態(tài)。由于超聲波在聚合物得混合物中傳播時(shí)能量衰減大，回波信號(hào)可能淹沒在噪聲中而無法識(shí)別。實(shí)驗(yàn)時(shí)使緩沖桿在混合物溶液中上下移動(dòng)，從而使混合物底端與緩沖桿下端之間得距離發(fā)生周期性改變，通過比較回波波形找出回波信號(hào)。并通過差分法提取了混合物和單一聚合物的特征信號(hào)，獲得較好的效果。最后使用三種數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算了超聲波在單一聚合物和混合物溶液中的傳播速度，選用直線擬合得到的聲速值為最后結(jié)果。加入硬脂酸鈉使超聲波在石蠟溶液中的聲速變

41、小了。終上所述，超聲波可用在聚合物混合狀態(tài)的檢測(cè)中，超聲波的特征信號(hào)可被清晰地提取出來。通過提高回波信號(hào)的質(zhì)量，可明顯提高特征值的結(jié)果精確度。參考文獻(xiàn)：1 齊寶森.新型材料與其應(yīng)用.:工業(yè)大學(xué),2007. 53592 鐘明強(qiáng),俊華,益小.反應(yīng)擠出在聚合物共混改性中的應(yīng)用與進(jìn)展.高分子材料科學(xué)與工程,2007.17(1):3942,463 淑香,君麗,蔡莊紅等.聚丙烯與氯化聚乙烯共混的性能研究.化工,1999.8:13144 王琛.高分子材料改性技術(shù).:中國(guó)紡織,2007.611795 黃麗.高分子材料.:化學(xué)工業(yè),2005.3153856 何波兵.超聲技術(shù)在聚合物形態(tài)結(jié)構(gòu)表征與注射成型過程在線檢測(cè)中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究. 博士學(xué)位論文.:大學(xué),20067 唐淵,何波兵,蘭軍等.超聲技術(shù)在聚合物檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展.塑料工業(yè), 2007.35(6):25278 ,梁梅,林影等.超聲技術(shù)在高分子材料中應(yīng)用研究進(jìn)展.應(yīng)用聲學(xué),2005.24(1):53589 塑料擠出編輯部.超聲波在線檢測(cè)聚合物溶體.塑