一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲無損檢測領(lǐng)域，涉及一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲 檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 裂紋是機械構(gòu)件中常見的缺陷，也是導致機械結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。研宄表 明，對于設(shè)計合格的機械構(gòu)件，從產(chǎn)生微損傷到形成宏觀裂紋的過程占其整個疲勞壽命的 80%~90%。因此，發(fā)展針對結(jié)構(gòu)中微裂紋的早期檢測和診斷方法具有十分重要的意義。
[0003] 傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)依據(jù)接收信號在時間和幅值上的改變判斷結(jié)構(gòu)的損傷情況， 可以很好的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中體積型缺陷及開口裂紋的檢測，但對閉合裂紋等微缺陷不敏感。非 線性超聲檢測技術(shù)依據(jù)超聲波與缺陷相互作用產(chǎn)生的非線性效應對結(jié)構(gòu)損傷情況做出評 價，它對于結(jié)構(gòu)中的微缺陷（疲勞損傷、微裂紋等）表現(xiàn)出很高的敏感性。
[0004] 目前，已觀察到的聲學非線性效應主要包括高次諧波、混頻、次諧波以及諧振頻率 漂移等，其中基于高次諧波的非線性超聲檢測方法最為常用，但其檢測結(jié)果易受儀器非線 性的影響。混頻非線性檢測方法利用兩種不同頻率超聲信號與缺陷共同作用產(chǎn)生的新的頻 率成分（激勵頻率的和頻、差頻等）來表征結(jié)構(gòu)的損傷，其檢測結(jié)果不受儀器非線性的干 擾。根據(jù)激勵信號的傳播方向是否平行，混頻非線性超聲檢測可分為共線檢測方法和非共 線檢測方法兩類。
[0005] Countney等在同側(cè)激勵模式下利用共線混頻技術(shù)對裂紋缺陷進行了檢測，通過 雙譜分析實現(xiàn)了試件中裂紋缺陷的識別[Hillis A J，et al. Global crack detection using bispectral analysics[J]. Proceedings of the Royal Society Society A，2006, 462:1515-1530,下稱文獻1]。但在同側(cè)激勵模式下，測得的混頻非線性是超聲信 號傳播路徑上各點非線性的累加，無法對缺陷進行定位。孫俊俊等在異側(cè)激勵模式下對鋼 制試塊中閉合裂紋進行了共線混頻檢測，通過改變兩探頭的激勵延遲控制兩列波的相遇位 置，實現(xiàn)了對閉合裂紋的定位。[焦敬品，孫俊俊等.結(jié)構(gòu)微裂紋混頻非線性超聲檢測方法 研宄[J].聲學學報.2013, 38 (6) : 648-656,下稱文獻2]。
[0006] 與共線檢測方法相比，非共線檢測方法對缺陷的檢測具有更好的空間選擇性。 通過改變激勵探頭楔塊的角度以及探頭的相對位置，可以實現(xiàn)超聲波聲束在待測試件內(nèi) 部任意位置的空間掃查，在檢測區(qū)域的選擇上更加靈活。Croxford等利用斜探頭在鋁 制試件兩端激勵斜入射剪切波，實現(xiàn)了試件中塑性變形及疲勞損傷的檢測[Croxford A J, 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,下稱文獻3]。周正干等在文章[劉斯明等.SiCp顆粒增強 鋁基復合材料非共線非線性響應試驗觀察[J].機械工程學報.2012, 48 (22):21-26,下稱 文獻4]及專利[一種非共線非線性超聲無損檢測方法.CN102721747A，下稱文獻5]中利用 非共線激勵方法對SiC p顆粒增強鋁基復合材料的均勻性進行了檢測。
[0007] 在上述已公開的文獻3、4、5中，僅進行了單一位置損傷有無的定性混頻檢測。在 損傷的判定標準方面，僅依據(jù)檢測信號濾波后時域波形幅值的大小判斷。然而相對于線性 響應，混頻非線性響應較弱，實際測量中接收到的非線性響應信號的幅值較小且信噪比低， 信號時域波形提取的難度較大。
[0008] 綜上所述，本發(fā)明提出一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法。該 方法具有以下特點：1)通過移動探頭進行空間不同位置損傷檢測，可實現(xiàn)裂紋長度測量； 2)根據(jù)時頻分析提取出的非線性系數(shù)對損傷進行評價，檢測結(jié)果在信號信噪比較低時更加 可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明旨在提出一種結(jié)構(gòu)中微裂紋長度測量方法，特別是基于非共線混頻超聲檢 測技術(shù)的結(jié)構(gòu)中微裂紋長度無損檢測方法。通過改變探頭的相對位置控制兩斜入射聲束 在試件中不同空間位置的匯聚點，測得構(gòu)件中不同位置的非線性響應，并對非線性響應信 號進行時頻分析提取出非線性系數(shù)，最后依據(jù)非線性系數(shù)的空間分布實現(xiàn)微裂紋長度的測 量。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種用于微裂紋長度測量的非共線混 頻超聲檢測方法，當結(jié)構(gòu)中存在閉合裂紋時，應力σ與應變 ε的非線性關(guān)系表示為：
[0011] 〇 = Kn ε + β ε 2 (I)
[0012] 其中心為法向剛度，β為非線性系數(shù)。
[0013] 圖1所示為兩列斜入射縱波在裂紋處相遇的示意圖，其中Θ ρ θ 2為入射角。定義 兩列縱波的振幅為ai、a2，其圓頻率分別為ωρ ω2，傳播的方向向量分別為：
[0014] P1 = (- sin - cos ) = (p, ν ρη), ρ2={^\ηθ ,- cos ) - (/;2,, /;22) (2)
[0015] 兩列波引起質(zhì)點振動的方向向量為：
[0016] Jl =(-sin6^，-cos3) = (iiu,ii12)，d2 = (sin θ2, - cos ft) = ((6/,,, cir,) (幻
[0017] 其中Pij與d u為各向量的分量，在t時刻第一列波引起的位移在X i軸上分量為：
[0018] U1= (Ina1Cos [Ii1 (X1P1^x2P12-Cl!:)] (4)
[0019] 第二列波引起的位移在X1軸上分量為
[0020] U2= d 21a2cos [k2 (X1P2^x2P22-CLt) ] (5)
[0021] 其中波數(shù)1^= ω /cp k2= ω 2/(^，C1為縱波聲速。根據(jù)彈性力學中質(zhì)點位移與 應變的關(guān)系，兩列波在裂紋處相遇時引起的應變?yōu)?br>【主權(quán)項】
1. 一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法，其特征在于：當結(jié)構(gòu)中存在 閉合裂紋時，應力0與應變e的非線性關(guān)系表示為： 0 =KNe+ee2 (1)其中心為法向剛度，0為非線性系數(shù)； 兩列斜入射縱波在裂紋處相遇，其中92為入射角；定義兩列縱波的振幅為ai、a2， 其圓頻率分別為，傳播的方向向量分別為：
>兩列波引起 質(zhì)點振動的方向向量為：
(3)其中Pi# dij為各向量的分量，在t時刻第一列波引起的位移在xi軸上分量為： Uj=dnajcos[kj(x1p11+x2p12-cLt) ] (4)第二列波引起的位移在x:軸上分量為 u2=d21a2cos[k2 (xjP^+x^-CLt) ] (5)其中波數(shù)k!= ? ? 2/cL，cL為縱波 聲速；根據(jù)彈性力學中質(zhì)點位移與應變的關(guān)系，兩列波在裂紋處相遇時引起的應變?yōu)?br>(7) 開并忽略常數(shù)項得：
其中各幅值A(chǔ)H1、AH2和 (8) 表達式為：
將1^= ? 1/(^、匕=? 2/(^帶入式（8)，得（7)式的最后一項為：
可見兩列激勵信 (9) 號與裂紋相互作用廣生了原頻率的一彳首頻（2w^2w2)及和頻（《A?2)、差頻（《廠《 2)新 的頻率成分； 在實際檢測中，只有當兩列激勵信號同時到達微損傷處與缺陷共同作用時才會產(chǎn)生混 頻非線性響應，接收到的混頻信號是典型的瞬變信號，因此采用時頻分析手段提取兩激勵 信號相遇時刻接收信號中的基頻幅值4、A2及和頻或差頻的幅值A(chǔ)3，并根據(jù)下式計算非線 性系數(shù)0 :
(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法，其 特征在于：本方法采用的試驗裝置包括計算機（1)、非線性聲學測量系統(tǒng)（2)、示波器（3)、 50D負載一（4)、50Q負載二（5)、可調(diào)衰減器一（6)、可調(diào)衰減器二（7)、激勵探頭（8)、激 勵探頭（9)、接收探頭（10)和前置放大器（11);具體而言，計算機⑴與SNAP系統(tǒng)⑵相 連，控制產(chǎn)生激勵信號，并采集接收信號；SNAP系統(tǒng)的輸出通道I通過50Q負載一（4)和 可調(diào)衰減器一（6)與激勵探頭一（8)相連；SNAP系統(tǒng)的輸出通道II通過50Q負載二（5) 和可調(diào)衰減器二（7)與激勵探頭二（9)相連；接收探頭（10)通過前置放大器（11)與SNAP 系統(tǒng)⑵的接收通道I相連；示波器⑶與SNAP系統(tǒng)⑵相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法，其特 征在于：該方法通過以下步驟實現(xiàn)， 1) 測量兩個激勵探頭的頻率響應特性，將帶寬較窄者定為激勵探頭一，并選取幅值響 應最大處的頻率作為激勵探頭一的激勵頻率f1;根據(jù)激勵探頭二的頻率響應特性，在幅值 衰減小于_3dB的頻率范圍內(nèi)并綜合接收直探頭的頻響特性，確定激勵探頭二的頻率變化 范圍； 2) 連接各實驗儀器，將兩激勵探頭布置于試件的同側(cè)；根據(jù)超聲信號在試件中傳播路 徑的幾何關(guān)系，計算兩探頭的水平距離及激勵信號的時延差，確保兩探頭發(fā)出的信號同時 到達裂紋處； 3) 按照上一步驟中計算出的時延差依次激勵兩斜探頭，采用SNAP系統(tǒng)追蹤和頻及差 頻信號；根據(jù)和頻及差頻信號的追蹤結(jié)果，選取幅值最大的點作為激勵探頭二的頻率f2; 4) 按照上述選定的頻率和時延差依次激勵兩斜探頭，用示波器采集此時接收探頭10 接收到的信號，導入計算機作為接收信號a; 5) 僅激勵斜探頭一，用示波器采集并保存接收探頭的信號，而后僅激勵斜探頭二，再次 采集接收信號，將兩次采集到的信號導入計算機，疊加后作為接收信號b; 6) 以和頻或差頻為中心頻率構(gòu)造帶通濾波器，對接收信號a、b進行濾波處理，觀察接 收信號a的時域是否出現(xiàn)新的波形，初步判斷缺陷是否存在； 7) 對接收信號a、接收信號b進行時頻分析，結(jié)合步驟7對比時頻分析處理結(jié)果；若與 接收信號b相比，接收信號a在時域出現(xiàn)新的波形，且在頻域中的和頻及差頻處出現(xiàn)新的頻 率成分，判定試件中存在裂紋缺陷，反之則表明試件中沒有裂紋； 8) 根據(jù)超聲信號在試件中傳播路徑的幾何關(guān)系，計算兩探頭激勵信號的時延差，改變 兩激勵探頭的相對位置，使激勵信號在沿裂紋延伸方向上的不同位置相遇；對來自不同位 置的接收信號進行時頻分析，提取基頻（f\、f2)的幅值4、4以及和頻或差頻（f1+4或匕-4) 的幅值A(chǔ)3，計算非線性系數(shù)； 9) 根據(jù)步驟8)的結(jié)果，選取一個非線性系數(shù)閾值對各位置是否存在裂紋進行判斷；實 際檢測時可取各位置非線性系數(shù)最大值的0. 707倍為閾值，當某一位置的非線性系數(shù)大于 該閾值時，認為此處存在裂紋；反之，則認為此處沒有裂紋；在一系列連續(xù)的存在裂紋的位 置中，相距最遠的兩個位置之間的距離即可認為是裂紋長度。
【專利摘要】一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法，采用時頻分析手段提取兩激勵信號相遇時刻接收信號中的基頻幅值A(chǔ)1、A2及和頻或差頻的幅值A(chǔ)3，并根據(jù)相應公式計算非線性系數(shù)；通過改變探頭的相對位置控制兩斜入射聲束在試件中不同空間位置的匯聚點，測得構(gòu)件中不同位置的非線性響應，并對非線性響應信號進行時頻分析提取出非線性系數(shù)，最后依據(jù)非線性系數(shù)的空間分布實現(xiàn)微裂紋長度的測量。通過移動探頭進行空間不同位置損傷檢測，可實現(xiàn)裂紋長度測量；根據(jù)時頻分析提取出的非線性系數(shù)對損傷進行評價，檢測結(jié)果在信號信噪比較低時更加可靠。
【IPC分類】G01N29-12
【公開號】CN104807888
【申請?zhí)枴緾N201510174129
【發(fā)明人】焦敬品, 樊仲祥, 李勇強, 孟祥吉, 何存富, 吳斌
【申請人】北京工業(yè)大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月13日