[发明专利]一种利用光声本征谱分析法无损测量弹性的方法

摘要

本发明公开了一种利用光声本征谱分析法无损测量弹性的方法。本发明利用激光脉冲照射弹性体使其在光声效应作用下辐射声波，通过分析弹性体辐射出的光声信号，可以得到弹性体的光声本征谱，从光声本征谱中提取出弹性体的本征频率，基于这些本征频率，再利用反演算法可以评估弹性体的弹性性质。本发明提出的利用光声本征谱分析法无损测量弹性的方法，无须声学换能器与弹性体在测量时相互接触，更不需要对弹性体做任何解剖处理，此方法可实现对弹性参数的非接触、无损评估，具有较高的安全性和易用性。

主权项

1.一种利用光声本征谱分析法无损测量弹性的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使用脉冲激光器对待测弹性体照射脉冲激光；待测弹性体在光声效应激发后辐射声波；步骤2，利用超声换能器接收待测弹性体辐射出的声波信号；步骤3，对步骤2中超声换能器采集的声波信号进行处理，计算出声波信号的时频图；在时频图的后段得到待测弹性体的本征频率谱线，提取本征频率谱线得到待测弹性体的本征频率，该本征频率为测得的本征频率；步骤4，根据弹性体密度以及质点位移矢量建立弹性体满足的波动方程及其边界条件；根据边界条件得到弹性体振动的特征方程，求解特征方程可得到弹性体的本征频率，该本征频率为特征方程计算出的本征频率；特征方程计算出的本征频率的获取方法如下：步骤41，弹性体的波动方程满足如下公式：其中，ρ_s为弹性体密度，E为杨氏模量，σ为泊松比，u＝(x,y,z)为质点位移矢量，x、y、z表示质点空间坐标,t表示时间；同时，处于无粘性流体中的球形弹性体，在边界上满足3个边界条件：i)球体内的法向应力与流体内的压强相等；ii)球体内的法向位移与流体内的法向位移相等；iii)球体内切变应力的切向成分为零；步骤42，根据步骤41中的边界条件，可以得到弹性体振动的特征方程，所述弹性体振动的特征方程为|D|＝0，其中，D＝{d_IJ}，I＝1，2或3，J＝1，2或3；d₁₁＝(ρ_f/ρ_s)k_t²a²h_n(k_fa)，d₁₂＝[2n(n+1)‑k_t²a²]j_n(k_la)‑4k₁aj_n'(k_la)，d₁₃＝2n(n+1)[k_ta j_n'(k_ta)‑j_n(k_ta)]，d₂₁＝‑k_fah_n'(k_fa)，d₂₂＝k_laj_n'(k_la)，d₂₃＝n(n+1)j_n(k_ta)，d₃₁＝0，d₃₂＝2[j_n(k_la)‑k_laj_n'(k_la)]，and d₃₃＝2k_taj_n'(k_ta)+[k_t²a²‑2n(n+1)+2]j_n(k_ta)；其中，ρ_f为周围介质密度，ρ_s为球形弹性体的密度，a为球形弹性体半径，h_n和j_n分别表示n阶汉克尔函数和n阶球贝塞尔函数,n表示汉克尔函数和球贝塞尔函数的阶数；k_t＝2πf/c_t,k_f＝2πf/c_f,k_l＝2πf/c_l为波数，f为振动频率；c_f,c_t,c_l分别为介质的声速、弹性体的横波速度和纵波速度；步骤43，根据弹性体密度求解步骤42中的特征方程可得到弹性体的本征频率，该本征频率即为特征方程计算出的本征频率f_i；步骤5，根据步骤3中测得的本征频率和步骤4中特征方程计算出的本征频率建立误差函数F(E,σ)：其中，E为杨氏模量，σ为泊松比,N为本征频率的个数，g_i为测得的本征频率，f_i为特征方程计算出的本征频率，w_i为加权系数；当误差函数F(E,σ)取最小值时，利用Levenberg‑Marquardt算法，反演得到的E和σ为评估值，求得反演结果。