基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及无损检测。本发明的一种基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，包括如下步骤：(A)确定一对不同频率、传播模式的兰姆波模式组合；(B)确定产生的兰姆波差频谐波；(C)采用信号激励单元激励这对初始兰姆波模式；(D)选择与差频谐波频率相对应的信号接收单元来接收差频谐波；(E)对波束开始混叠的区域进行确认；(F)改变两束初始激励源的位置；(G),对被测试对象进行扫查检测；(H)根据差频谐波幅度的变化计算确认被测试对象微损伤的位置。本发明的一种基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测装置，包括：一第一计算机、一信号发生器、一第一信号激励单元、一第二信号激励单元、一信号接收单元、一示波器以及一第二计算机。本发明用于检测材料。
【专利说明】基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无损检测，尤其涉及超声波检测，具体是对材料早期疲劳损伤、材料性 能早期退化等微损伤或微观缺陷进行非破坏评估和表征的方法，是基于兰姆波共线混叠的 非线性超声技术实现的。
【背景技术】
[0002] 对长期服役的航空航天、核电等重要设备的关键承力结构件，结构材料的性能退 化是不可避免的，如拉伸性能退化、热疲劳蠕变损伤、粘结强度减小等。为保障这些关键结 构件的安全运行，开发对结构材料早期性能退化评估的技术手段是非常重要的。在结构材 料中传播的兰姆波与传播介质的微观组织结构有显著的相互作用和影响，而材料性能的退 化首先就起始于材料的内部微观组织结构变化。因此，介质材料微观组织结构变化导致的 超声波传播的非线性响应就可以有效表征材料性能的退化。
[0003] 现有的非线性兰姆波检测技术主要是基于兰姆波传播过程中双倍频二阶谐波的 产生。然而，基于二阶谐波法的非线性兰姆波检测技术有以下几个问题：
[0004] 1.无法有效区分非线性的来源
[0005] 二阶谐波产生的机理是兰姆波传播过程中波形的畸变导致双倍频二阶谐波的出 现。然而，在基于二阶谐波法的非线性兰姆波的检测中，信号发生器、功率放大器、超声换能 器等都会导致兰姆波波形畸变而引入仪器的非线性（二阶谐波的产生），耦合剂也会带来 很强的非线性。这些非线性甚至在数量上比缺陷导致的非线性大很多。区分非线性的实验 来源是二阶谐波法很难解决的关键问题之一，这一问题对非线性超声兰姆波检测技术的可 靠性有重大影响。
[0006] 2.无法判定引起非线性响应的损伤位置
[0007] 基于二阶谐波法的非线性兰姆波技术测量的非线性值是包含从信号激励换能器 到信号接收换能器整个区域的非线性，因此这项技术无法准确判定在这个检测区域内引起 非线性响应的损伤的具体位置。基于二阶谐波法的非线性兰姆波检测技术只能定性估计材 料非线性的变化，而无法准确判断损伤位置，这一限制将会影响非线性兰姆波检测技术的 精确性。
【发明内容】
[0008] 由于传播介质中微小的缺陷也能导致明显的声波非线性响应，本发明基于此提出 一种基于非线性超声检测高灵敏性和兰姆波技术的优越性的检测和评估方法。这项技术是 研究兰姆波波束共线混叠检测机理即共线混叠兰姆波在非线性介质中传播的非线性响应 规律，并利用这种声学非线性特征对结构和材料中的微损伤和微观缺陷进行早期的检测和 评价。
[0009] 一种基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，包括如下步骤：
[0010] (A)，确定一对不同频率、传播模式的兰姆波模式组合，明确这对模式的初始激励 的基本参数，包括：频率、相速度和群速度；
[0011] (B)，确定产生的兰姆波差频谐波，明确该兰姆波差频谐波的基本参数，包括：频 率、相速度和群速的参数；
[0012] (C)，采用信号激励单元激励这对初始兰姆波模式；
[0013] (D)，选择与差频谐波频率相对应的信号接收单元来接收差频谐波，并保证信号接 收单元的中心频率与差频谐波的频率一致；
[0014] (E)，根据初始兰姆波模式组合的群速度差异、开始激励源位置的变化，对波束开 始混置的区域进行确认；
[0015] (F)，改变两束初始激励源的位置，从而改变波束开始混叠点的位置；
[0016] (G),对被测试对象进行扫查检测；
[0017] (H)，根据扫查过程中，根据差频谐波幅度的变化计算确认被测试对象微损伤的位 置。
[0018] 一种基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测装置，包括：
[0019] 一第一计算机，连接于信号发生器，用于控制信号发生器生成两个不同频率的超 声波信号；
[0020] 一信号发生器，
[0021] 一第一信号激励单元，包括顺次连接的一第一放大器和一第一超声激励换能器， 用于将第一频率的超声波信号耦合至被测试对象；
[0022] -第二信号激励单元，包括顺次连接的一第二放大器和一第二超声激励换能器， 用于将第二频率的超声波信号耦合至被测试对象；
[0023] -信号接收单元，包括顺次连接的一接接收换能器和一衰减器；
[0024] -示波器，连接于信号发生器，用于显示和存储接收信号；
[0025] 以及一第二计算机，连接于示波器，用于分析示波器存储的接收信号。
[0026] 本发明采用如上技术方案实现，具有如下优势：
[0027] 1)由于所测量的非线性响应是兰姆波波束在被检测材料传播混叠后发生，由仪器 或激励环境导致的非线性与被检测试样材料的非线性可以被分别描述，所以这项技术不受 仪器非线性的干扰，可以有效区分非线性来源；
[0028] 2)由波束混叠产生的兰姆波差频、和频谐波在模态、频率和传播速度与两个初始 兰姆波模态都可能不同，这样就可以有选择的只接受某种特定的兰姆波谐波信号，提高非 线性兰姆波检测的精确性；
[0029] 3)根据兰姆波传播的特点，不同频率的兰姆波模态的相速度和群速度是不同的， 可以控制兰姆波波束开始混叠的区域，通过控制兰姆波波束混叠的区域可以对被检测试件 进行非线性超声定位检测，从而确定判断引起非线性响应的损伤位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是兰姆波波束混叠示意图。
[0031] 图2是本发明的一实施例的检测装置示意图。
【具体实施方式】
[0032] 首先，对本发明的超声微损伤定位检测方法所基于的原理进行简单说明：声波波 束混叠后产生差频、和频谐波是声波非线性响应的现象之一。如果试样材料内部存在非线 性源，两束不同频率的超声波在其中传播，就会发生交互作用，从而产生不同于这两束初始 波频率的差频谐波、和频谐波。因为波束混叠的非线性响应只发生在试件传播过程中，所以 这种超声非线性现象可以只描述所在传播介质的非线性。这种非线性检测方法就突破了基 于二阶谐波法的非线性兰姆波检测方法无法有效区分非线性来源的局限。根据这一特点， 将这种超声非线性响应应用在非线性兰姆波检测技术上，开发一种可以有效区分非线性来 源的非线性超声检测方法，提高非线性兰姆波检测技术的可靠性。传播的兰姆波具有多模 态和频散特性，不同频率的兰姆波模态具有不同的传播速度。根据这个特点，可以通过控制 两束初始兰姆波模式激发点之间的距离，从而控制两束兰姆波波束在试件中混叠的起始点 和区域。
[0033] 现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0034] 本发明提出一种基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，包括如下步 骤：
[0035] (A),确定一对不同频率、传播模式的兰姆波模式组合，明确这对模式的初始激励 的基本参数，包括：频率、相速度和群速度；优选的，通过对比不同组合模式波束混叠后差 频谐波的产生效率，来选择一对最优的初始激励模式组合，从而保证波束混叠后可以产生 具有积累效应的差频谐波。
[0036] (B)，确定产生的兰姆波差频谐波，明确该兰姆波差频谐波的基本参数，包括：频 率、相速度和群速的参数。
[0037] (C)，采用信号激励单元激励这对初始兰姆波模式；优选的，采用窄频带宽度的 Linote binate换能器作为信号激励单元来激励。
[0038] (D)，选择与差频谐波频率相对应的信号接收单元来接收差频谐波，并保证信号接 收单元的中心频率与差频谐波的频率一致；优选的，信号接收单元通过夹具被固定于被测 试对象后以接收差频谐波，保证信号接收单元与被测试对象的接触状态稳定。优选采用宽 频带宽度的压电陶瓷换能器作为信号接收单元来接收差频谐波。优选的，信号接收单元接 收信号通过功率放大器后滤波处理，并经1000?2000次平均后存储。
[0039] 其中，上述的步骤（C)和（D)中，信号激励单元和信号接收单元均是经过滤波处 理，以减少检测装置带的噪音，提高信噪比。
[0040] (E)，根据初始兰姆波模式组合的群速度差异、开始激励源位置的变化，对波束开 始混叠的区域进行确认。
[0041] (F)，改变两束初始激励源的位置，从而改变波束开始混叠点的位置。
[0042] (G),对被测试对象进行扫查检测。
[0043] (H)，根据扫查过程中，根据差频谐波幅度的变化计算确认被测试对象微损伤的位 置。
[0044] 上述的步骤（E)?（H)中，接收的信号进行时-频变换，有效获得两束初始激励模 式的兰姆波模式的幅度Aa，和Ab，以及差频谐波的幅度A2，计算A 2AAaX Ab)的数值；在同一 个被测试对象中检测不少于5次不同传播距离的A2AAaX Ab)数值，并记下激发源之间距离 I1，如果被测试对象内部存在缺陷，则差频谐波将发生变化，根据这一变化表征被测试对象 内部该位置的微损伤。
[0045] 参阅图1所示，其中，I1是两束初始兰姆波激发源的距离，I2为两束波开始混叠点 与后一束波源的距离。Ua和Ub分别表示两束不同的初始兰姆波模态，fa和f b为他们相对 应的频率。Va和Vb分别表示两束初始兰姆波模态的群速度。fa+f b表示和频谐波的频率， fb_fb表示差频谐波的频率。根据兰姆波传播特性，不同频率的兰姆波波速不同，假定v a>vb，
【权利要求】
1. 基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在于，包括如下步骤： (A) ，确定一对不同频率、传播模式的兰姆波模式组合，明确这对模式的初始激励的基 本参数，包括：频率、相速度和群速度； (B) ，确定产生的兰姆波差频谐波，明确该兰姆波差频谐波的基本参数，包括：频率、相 速度和群速的参数； (C) ，采用信号激励单元激励这对初始兰姆波模式； (D) ，选择与差频谐波频率相对应的信号接收单元来接收差频谐波，并保证信号接收单 元的中心频率与差频谐波的频率一致； (E) ，根据初始兰姆波模式组合的群速度差异、开始激励源位置的变化，对波束开始混 叠的区域进行确认； (F) ，改变两束初始激励源的位置，从而改变波束开始混叠点的位置； (G) ，对被测试对象进行扫查检测； (H) ，根据扫查过程中，根据差频谐波幅度的变化计算确认被测试对象微损伤的位置。
2. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（A)中，通过对比不同组合模式波束混叠后差频谐波的产生效率，来选择一 对最优的初始激励模式组合。
3. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（C)中，采用窄频带宽度的Linote binate换能器作为信号激励单元来激 励。
4. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（D)中，信号接收单元通过夹具被固定于被测试对象后以接收差频谐波。
5. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（D)中，采用宽频带宽度的压电陶瓷换能器作为信号接收单元来接收差频 谐波。
6. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（D)中，信号接收单元接收信号通过功率放大器后滤波处理，并经1000? 2000次平均后存储。
7. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（C)和（D)中，信号激励单元和信号接收单元均是经过滤波处理。
8. 根据权利要求1所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：所述的步骤（E)?（H)中，接收的信号进行时-频变换，有效获得两束初始激励模式的 兰姆波模式的幅度Aa，和Ab，以及差频谐波的幅度A2，计算A 2AAaX Ab)的数值；在同一个被 测试对象中检测不少于5次不同传播距离的A2AAaXAb)数值，并记下激发源之间距离lp 如果被测试对象内部存在缺陷，则差频谐波将发生变化，根据这一变化表征被测试对象内 部该位置的微损伤。
9. 根据权利要求8所述的基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测方法，其特征在 于：接收的信号是经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分来进行时-频变换。
10. 基于兰姆波共线混叠的超声微损伤定位检测装置，其特征在于，包括： 一第一计算机（10)，连接于信号发生器（20)，用于控制信号发生器生成两个不同频率 的超声波信号； 一信号发生器（20)， 一第一信号激励单元，包括顺次连接的一第一放大器（301)和一第一超声激励换能器 (302)，用于将第一频率的超声波信号耦合至被测试对象； 一第二信号激励单元，包括顺次连接的一第二放大器（401)和一第二超声激励换能器 (402)，用于将第二频率的超声波信号耦合至被测试对象； 一信号接收单元，包括顺次连接的一接接收换能器（501)和一衰减器（502); 一示波器（60)，连接于信号发生器（20)，用于显示和存储接收信号； 以及一第二计算机（70)，连接于示波器￠0)，用于分析示波器￠0)存储的接收信号。
【文档编号】G01N29/04GK104407054SQ201410782799
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】李卫彬, 胡诗诚, 施展 申请人:厦门大学