專利名稱：基于雙譜分析的結(jié)構(gòu)微裂紋混頻非線性超聲檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)微裂紋的超聲檢測方法，特別是基于雙譜分析的混頻效應(yīng)非線性超聲檢測方法。該方法適用于由于金屬疲勞、變形、損傷產(chǎn)生微缺陷的早期診斷，屬于無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬構(gòu)件在制造、加工以及使用過程當(dāng)中，不可避免地會在內(nèi)部或表面形成微缺陷。在載荷、溫度變化以及腐蝕介質(zhì)的作用下，微裂紋不斷擴(kuò)展形成宏觀裂紋，并最終導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞失效。微裂紋已成為影響工業(yè)構(gòu)件正常運行的重大隱患，因此，對構(gòu)件中微裂紋的檢測具有重要的工程實用價值。
常規(guī)超聲檢測技術(shù)基于超聲波在缺陷處的反射、透射以及衰減現(xiàn)象，可以很好實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中體積型缺陷(如空洞)及開口裂紋等的檢測，但難以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)早期損傷及閉合微裂紋的檢測。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波在有損傷結(jié)構(gòu)中傳播時，會表現(xiàn)出異常高的非線性。近年來， 非線性超聲技術(shù)因?qū)ΤＲ?guī)超聲不敏感的結(jié)構(gòu)早期疲勞損傷檢測具有特殊的優(yōu)勢，而備受關(guān)注。根據(jù)檢測原理，非線性超聲檢測方法可分為諧波法、振動聲調(diào)制法、非線性諧振法和混頻法等。諧波法是目前研究中使用最多的方法，但檢測結(jié)果受檢測儀器及探頭本身非線性產(chǎn)生的諧波影響大；振動聲調(diào)制技術(shù)對界面接觸狀態(tài)及閉合裂紋檢測具有優(yōu)勢，但該方法需額外向待檢測試件上施加低頻振動，檢測系統(tǒng)較復(fù)雜；而非線性諧振法對檢測系統(tǒng)及換能器頻帶要求較高?；祛l技術(shù)(又稱波束混疊技術(shù))基于兩列不同頻率的波在介質(zhì)中交互作用特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測。如果介質(zhì)是連續(xù)的，當(dāng)兩列波相遇時，滿足線性疊加原理，不會產(chǎn)生新的頻率分量；如果介質(zhì)有不連續(xù)性，即存在非線性區(qū)域，當(dāng)兩列波在該區(qū)域相遇時， 將發(fā)生相互作用，產(chǎn)生兩列波的耦合項，在頻域中會觀察到新的頻率分量。
根據(jù)激勵波的方向，混頻技術(shù)包括非共線混頻技術(shù)和共線混頻技術(shù)兩類。 Croxford等利用斜探頭在試件兩端激勵斜入射剪切波，通過調(diào)整兩探頭的相對位置使兩列波在試件疲勞損傷處相遇，發(fā)生相互作用而產(chǎn)生垂直試件表面方向的縱波，從而實現(xiàn)試件中早期疲勞損傷的檢測，該方法僅對較厚試件中的內(nèi)部缺陷具有較高的敏感性[CR0XF0RD A Jj WILCOX P Dj DRINKWATER B Wj et al. The use of non-conlinear mixing for nonlinear ultrasonic detection of plasticity and fatigue[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2009，126(5): 117-123]。Countney 利用共線混頻技術(shù)，對矩形截面梁中的人工裂紋缺陷進(jìn)行檢測，將兩種頻率的連續(xù)正弦信號施加于粘貼在梁一端的激勵壓電片上，接收壓電片共線的粘貼在梁的另一端面[HILLIS A J, NEILD S Aj DRINKWATER B W，et al. Global crack detection using bispectral analysics[J]. Proceedings of the Royal Society Society A，2006，462: 1515-1530]。通過對接收信號的雙譜分析，實現(xiàn)試件有無裂紋缺陷的判識，但該種同側(cè)激勵模式下的混頻檢測無法避免實驗儀器非線性對實驗結(jié)果的影響且不能實現(xiàn)缺陷的定位。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種針對結(jié)構(gòu)微裂紋的超聲檢測方法，特別是基于混頻效應(yīng)的非線性超聲檢測方法。該方法采用異側(cè)激勵混頻檢測模式，即兩種頻率簡諧信號分別施加在位于試件兩側(cè)的不同探頭上。其中一個探頭做為接收探頭，對接收信號進(jìn)行雙譜分析，根據(jù)雙譜圖中是否產(chǎn)生混頻信號頻率成分，可以判斷兩列波相遇位置處是否有結(jié)構(gòu)微裂紋。通過控制兩列波的激勵延時時間，可以使波在試件長度方向上各位置相遇，根據(jù)接收數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)微裂紋的定位。
本發(fā)明提出基于混頻效應(yīng)的結(jié)構(gòu)微裂紋非線性超聲檢測方法，其基本原理在于
當(dāng)結(jié)構(gòu)存在損傷等非線性源時，其輸入輸出可簡化為以下二階非線性方程
y (t) = α X (t) + β X2 (t) +q (t)(I)
其中x(t)為輸入信號，y(t)為系統(tǒng)響應(yīng)，α, β為常數(shù)，q(t)為噪聲，以下忽略。
若輸入信號包含兩種頻率的簡諧分量
X (t) =A1Sin (2 π f^t+Φ J+A2Sin (2 π f2t+Φ2)(2)
Φρ Φ2則分別為兩簡諧分量的幅值、頻率和相位。則對應(yīng)的輸出為
權(quán)利要求
1.ー種基于雙譜分析的結(jié)構(gòu)微裂紋混頻非線性超聲檢測方法，其特征在于檢測方法步驟如下 1)根據(jù)激勵探頭的頻率響應(yīng)特性，選取幅值響應(yīng)最大的一點頻率作為激勵探頭的激勵頻率；根據(jù)激勵/接收探頭的頻率響應(yīng)特性在幅值衰減小于-3dB的頻率范圍內(nèi)并綜合考慮接收系統(tǒng)特性，確定激勵/接收探頭的頻率變化范圍； 2)將兩探頭分別置于試件的兩端；同時激勵兩探頭，并用SNAP系統(tǒng)追蹤和頻和差頻信號; 3)根據(jù)和頻和差頻信號的追蹤結(jié)果，選取幅值最大的點作為激勵/接收探頭的頻率； 4)按照上述選定的頻率激勵激勵探頭和激勵/接收探頭，用示波器采集此時的激勵/接收探頭接收到的信號； 5)對該接收信號進(jìn)行雙譜分析，根據(jù)分析結(jié)果中是否產(chǎn)生差頻和頻對應(yīng)的非零特征點，即可判斷是否存在結(jié)構(gòu)微裂紋； 6)保持選定的激勵信號頻率不變，通過設(shè)置不同的激勵信號延時，其中ー個激勵信號延時為固定值，另ー個激勵信號延時值變化，使兩列波在試件長度方向上依次相遇；用SNAP系統(tǒng)追蹤該過程時的和頻和差頻信號； 7)根據(jù)追蹤結(jié)果，當(dāng)兩列波在微裂紋附近處相遇時，差頻和頻信號幅值最大，據(jù)此可判斷微裂紋所在位置。
全文摘要
基于雙譜分析的混頻效應(yīng)非線性超聲檢測方法，屬于無損檢測領(lǐng)域。該方法首先通過掃頻實驗得到激勵探頭及激勵接收探頭的幅頻特性曲線，根據(jù)探頭的幅頻特性曲線確定探頭激勵頻率或范圍；然后進(jìn)行異側(cè)激勵混頻模式實驗，追蹤差頻和頻信號，根據(jù)差頻和頻信號的幅頻響應(yīng)特性確定激勵信號最優(yōu)頻率；在最優(yōu)頻率下的時域接收信號進(jìn)行雙譜分析，根據(jù)雙譜圖中是否出現(xiàn)混頻分量判斷試件中是否存在結(jié)構(gòu)微裂紋。通過改變激勵信號延時，對試件長度方向掃查并追蹤差頻和頻信號，根據(jù)差頻和頻信號的幅頻響應(yīng)特性確定結(jié)構(gòu)微裂紋位置。本發(fā)明采用兩探頭分別激勵信號，可避免實驗儀器非線性對實驗結(jié)果的影響；通過控制激勵信號的延時時間使兩信號相遇可識別裂紋位置。
文檔編號G01N29/12GK102980945SQ20121038472
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者焦敬品, 孫俊俊, 李楠, 劉增華, 宋國榮, 吳斌, 何存富 申請人:北京工業(yè)大學(xué)