1.本发明属于超声技术领域，具体涉及一种基于倾斜堆栈的计算由宽频带声表面波叉指换能器激发在薄膜/衬底分层结构传播的声表面波的频散曲线的方法。
背景技术：
2.声表面波技术是可用于薄膜机械特性检测的一种新型检测手段，由于其无损性、测量结果的准确性、检测过程快速简单、可实现在线检测等优势，使其具有良好的工程应用前景和深远的研究意义，目前已经成为薄膜材料特性无损检测的重要手段。声表面波在分层结构中传播时具有色散特性，高频的表面波由于其波长短，主要在薄膜中传播，携带了薄膜的各项信息，低频的表面波波长较长，可刺入衬底，携带了衬底的各种信息。以线性频率调制电极配置设计的叉指换能器在压电衬底上能产生可控制的宽频带声表面波，通过实验系统收集在待测薄膜表面传递的表面波信号并计算其频散曲线，与相应的理论曲线进行匹配，即可提取出所需的薄膜特性信息。因此，计算精确的表面波频散曲线对叉指换能器无损检测薄膜特性具有关键的作用。
技术实现要素：
3.针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种计算由宽频带声表面波叉指换能器激发在薄膜/衬底分层结构传播的声表面波的频散曲线的方法，该方法不受材料特性的限制，具有广泛的适用性。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于倾斜堆栈的计算由宽频带声表面波叉指换能器激发在薄膜/衬底分层结构传播的声表面波的频散曲线的方法，该方法的具体步骤为：（1）利用宽频带声表面波叉指换能器在薄膜/衬底分层结构中激发出声表面波，并在薄膜表面一系列n个等间隔点δd处拾取表面波波形sn(t)，t为时间；（2）从波形起始到波形结束，得到在第一个点处的表面波波形s1(t)的有效点个数为n；（3）根据表面波在压电衬底、薄膜和衬底材料中的传播速度，预估合理的频散曲线速度拟合区间v
s-ve，其中vs为拟合起始速度，ve为拟合截止速度，分别计算声表面波以截止速度和起始速度通过两探测点间隔δd的时间t1和t2；； （4）根据表面波波形的时间序列t确定t
1-t2范围内离散时间点的个数k，步长为δt；（5）对初始探测点处的表面波波形s1(t)所有的有效点从1到n，按照声表面波以当前速度通过探测点间隔所需的时间为增量，将所有波形的振幅根据探测点的顺序依次叠加，即：
4900 m/s。此时，表面波通过相邻探测点的时间延迟t1和t2分别为78.5 ns和 81.6 ns，在这个时间段内，包含的时间点的个数为63；（4）对s1(t)的44000个有效点，从第一个点开始，每经过一个探测点以步骤（2）中计算的时间延迟为增量，将s1(t)到s5(t)的振幅依次叠加，得到一个包含有速度和时间信息的值。在t1到t2时间段内包含有63个时间点，因此在每一个有效点处，以不同的时间延迟叠加振幅可以得到63个值。对s1(t)的所有有效点执行上述操作，可得到63
×
44000的二维数组sl(t,v)；（5）对二维数组sl(t,v)的每一行分别进行傅里叶变换，将时间域转换为频域，得到sl(ω,v)并对数组的每一列分别进行归一化处理。根据叉指换能器的有效频率范围20-125 mhz，找出sl(ω,v)对应的每一列的最大值所在的行数，通过该行数与时间的对应关系，可求得该频率下表面波的速度；（6）通过步骤（5）求得实验频散曲线后，对其进行最小二乘法拟合，拟合阶数根据实际情况确定。在本实施例中采用二阶多项式拟合。图3为经过倾斜堆栈法计算的实验频散曲线与最小二乘法拟合后的频散曲线。拟合频散曲线包含有薄膜与衬底的多种信息，适用于薄膜特性的检测。
9.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
技术特征：
1.一种计算声表面波在分层结构中传播的频散曲线的方法，其特征在于包括下列步骤：（1）利用宽频带声表面波叉指换能器在薄膜/衬底分层结构中激发出声表面波，并在薄膜表面一系列n个等间隔点δd处拾取表面波波形s
n
(t)，t为时间；（2）确定第一个探测点处的表面波波形s1(t)的有效点个数为n；（3）预估合理的频散曲线速度拟合区间v
s-v
e
，其中v
s
为拟合起始速度，v
e
为拟合截止速度，分别计算声表面波以截止速度和起始速度通过两探测点间隔δd的时间t1和t2；(1) （4）根据表面波波形的时间序列t确定t
1-t2范围内离散点的个数k，步长为δt；（5）对初始探测点处的表面波波形s1(t)所有的有效点从1到n，按照给定的时间延迟，将所有波形的振幅根据探测点的顺序依次叠加，即：(2)(3)其中，v为表面波的速度，t0为该速度下表面波通过两探测点之间的间隔δd所需的时间；（6）对步骤（5）中求得的k行n列的二维数组sl(t, v)的每一行分别进行傅里叶变换，将时间域转换为频域，得到sl(ω,v)；（7）确定sl(ω,v)中每一列的最大值对应的位置，通过该位置的行与列分别对应着速度与频率，其中速度与行数k的关系为：(4)（8）根据步骤（7）中频率和速度的对应关系，经过最小二乘法拟合后即可绘制出表面波在分层结构中传播的频散曲线：(5)。
技术总结
本发明属于超声技术领域，具体为一种基于倾斜堆栈的计算高频声表面波在分层结构中传播的频散曲线的方法，包括：通过声表面波叉指换能器在薄膜/衬底结构中激发出声表面波，在薄膜表面一系列的等间隔点处拾取波形；提取第一处信号的有效时间节点；预估声表面波传播的合理速度区间，计算通过相邻探测点的时间范围；以第一处信号的第一个有效时间点为起点，将所有探测点处波形的振幅按照一定的时间延迟依次叠加，得到与时间和速度有关的二维数组；对数组的每一行进行傅里叶变换并找到每一列的最大点，根据该点的位置计算频散曲线。本发明填补了计算由叉指换能器在分层结构上激发的声表面波的频散曲线的空白，不受材料特性的限制，具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。具有广泛的适用性。
技术研发人员：肖夏 张立 陈龙
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.03.26
技术公布日：2023/10/11