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超声波频谱分析如何测量薄层厚度?(一)

来源: | 发布日期:2022-10-24
材料的组织结构决定了其各方面的性能,在实际应用中需要对材料组织结构予以无损表征。超声波频谱分析技术在材料组织表征中显示出一定优势, 并在多晶材料晶粒尺寸及其分布、织构、密度、介质几何尺寸(如涂层厚度)等方面取得研究成果。本章简要介绍了频谱分析技术在薄层厚度测量、表面粗糙度及周期性结构的表征、多晶金属晶粒尺寸测量以及微观组织表征等方面的研究进展。
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超声波在水/薄层/基体组成的多界面结构中传播时(见图8-1),若超声波脉冲宽度大于超声波在薄层中往返一次的传播时间,则薄层/基体界面处的反射波与水/薄层界面处的反射波在时域上发生混叠,此时利用传统时域方法对薄层厚度进行测量存在困难。


实际上,时域信号的混叠会引起宽频信号中特定频率下的信号发生干涉效应,根据这种干涉效应,可以在信号的频域内获得薄层厚度和声速的相关信息。目前,超声波声压反射系数频谱分析方法作为一种有效的表征薄层和涂层的手段,已经被许多研究人员所采用。
7.4节中已给出了层状介质声压反射系数V的幅度|V|和相位Φ的表达式:
8-1-2

进一步分析式(8-1)和式(8-2),发现当sin|V|取得一系列极小值,而 Φ值为零,对应的频率值称为谐振频率,以fn表示:
8-3-4
式中, Δf表示相邻谐振频率间的差值。

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