本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其涉及超声波信号产生方法、装置及超声无损检测方法。
背景技术：
目前，超声无损检测通常采用尖脉冲、单方波脉冲或双极性调谐脉冲串(正弦、余弦波)这三种激励电脉冲信号激励超声换能器，产生超声波检测信号。采用尖脉冲激励超声换能器产生的超声波信号穿透能力差；采用单方波脉冲激励超声换能器产生的超声波信号能量大于尖脉冲激励，具有较高的穿透能力，但无法穿透高声衰减材料；采用双极性调谐脉冲激励超声换能器产生的超声波信号具有很高的穿透能力，但由于产生的超声波的频带特别窄，会导致在检测时某些特定厚度的分层或脱粘缺陷能够透过超声波信号，造成缺陷漏检的严重后果。
因此，对于复合材料等高声衰减材料内部缺陷的超声无损检测而言，尖脉冲和单方波脉冲激励的超声波信号无法穿透材料，即使加大电压增加的能量也有限，而双极性调谐脉冲激励的超声波信号易漏检分层和脱粘缺陷，三种方法都无法准确检测复合材料等高声衰减材料的内部缺陷。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中尖脉冲和单方波脉冲激励的超声波信号无法穿透材料，双极性调谐脉冲串激励的超声波信号频带窄易漏检分层和脱粘缺陷的缺陷，提供一种能够产生穿透能力强且频带宽的超声波信号的超声波信号产生方法及超声波信号产生装置，并提供了采用该超声波信号产生方法产生的超声波对高声衰减材料内部缺陷进行检测的无损检测方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声波信号产生方法，通过方波发射装置产生双极性方波并输入超声换能器中，激励所述超声换能器产生超声波信号；所述双极性方波的周期与所述超声换能器的压电晶片的谐振周期相等。
优选地，所述双极性方波的电压幅值不超过所述超声换能器的压电晶片的击穿电压的1/2。
优选地，采用脉冲串形式的所述双极性方波激励所述超声换能器。
优选地，每个所述脉冲串包括10～20个周期的所述双极性方波。
本发明还提供了一种超声无损检测方法，采用上述任一项的超声波信号产生方法产生的超声信号，对高声衰减材料内部缺陷进行检测。
本发明还提供了一种超声波信号产生装置，包括方波发射装置与超声换能器，所述方波发射装置与所述超声换能器连接，用于产生双极性方波并输入所述超声换能器以激励所述超声换能器产生超声波信号，所述双极性方波的周期与所述超声换能器的压电晶片的谐振周期相等。
优选地，所述双极性方波的电压幅值不超过所述超声换能器的压电晶片的击穿电压的1/2。
优选地，所述超声换能器采用脉冲串激励。
优选地，每个所述脉冲串包括10～20个周期的所述双极性方波。
优选地，所述超声换能器应用于高声衰减材料内部缺陷的超声无损检测。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种超声波信号产生方法及装置，采用双极性方波串激励超声换能器产生超声波信号，第一，将脉冲串的振动周期调至与超声换能器压电晶片的谐振周期相等，使激励时超声换能器晶片共振，此时，超声换能器输出超声波能量的转化效率最高，可增加超声波信号的穿透能力；第二，采用双极性的激励信号，同一条件时，采用双极性比单极性信号激励的超声波幅值大一倍，可增加超声波信号的穿透能力；第三，采用的激励信号为脉冲串，脉冲串激励可增加激励超声换能器的时间和次数，使激励得到的超声波信号幅值进一步增大，穿透能力进一步增强；第四，采用方波的激励方式，得到的超声波信号频带宽度较宽，不会造成分层和脱粘缺陷漏检的后果。本发明的方法及装置得到超声波信号具有高穿透性，可用于复合材料等高声衰减材料内部缺陷的检测，此外，该方法得到超声波信号具有较宽频带，可保证缺陷不漏检。
本发明还提供了一种超声无损检测方法，采用本发明中提供的超声波信号产生方法产生的超声波信号，能够对高声衰减材料内部缺陷进行检测，穿透性强，且超声波频带宽，可避免造成缺陷漏检。
附图说明
图1是本发明实施例一中的双极性方波的波形图；
图2是本发明实施例二中的超声波信号产生方法的步骤图；
图3是本发明实施例三中的超声波信号产生装置结构示意图。
图中：1：方波发射装置；2：超声换能器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种超声波信号产生方法，通过方波发射装置1产生双极性方波并输入超声换能器2中，激励超声换能器2产生超声波信号。
双极性方波的周期与超声换能器2的压电晶片的谐振周期相等，即，双极性方波的周期t＝1/f，f为超声换能器2的谐振频率。激励时，超声换能器的压电晶片发生共振，能够使得输出超声波能量的转化效率最高，增加激励的超声波信号的穿透能力。
本实施例采用双极性方波的激励方式激励超声换能器2，产生超声波信号。根据傅里叶变换可知，方波激励得到的超声波信号频带宽度较宽，保证不会造成分层和脱粘缺陷的漏检。而传统的正弦或余弦波的双极性调谐脉冲，由傅里叶变换可知，激励信号的频率为单一的频率，激励产生的超声波信号也为单一的频率，即窄频带。若采用调谐式电脉冲串激励，当d＝nλ/2，n＝1、2、3…时(式中，λ为超声波在缺陷中的波长，d为缺陷的厚度)，超声波全透射，缺陷会漏检。同一条件下，采用双极性脉冲激励超声换能器得到的超声波幅值比单极性大一倍，保证超声波的高幅值和高穿透性。
由于发射电压与激励超声换能器得到的超声波幅值成正比，保证激励的超声波的高幅值和高穿透性，同时保证超声换能器晶片不被高压击穿。优选地，双极性方波的发射电压幅值v应尽量大，但不超过超声换能器2的压电晶片的击穿电压的1/2，即，v≤ub/2，ub为超声换能器2的压电晶片的击穿电压。
进一步优选地，采用脉冲串形式的双极性方波激励超声换能器2，发射在前的脉冲串与发射在后的脉冲串之间存在一定的时间间隔，优选地，时间间隔为10-4～10-2s。每个脉冲串包括10～20个周期的双极性方波，即脉冲串n*t中包括n个周期的双极性方波，n＝10～20个。
当每个脉冲串包括的方波数过少时，例如n＝5时，产生的超声波的幅值不到n＝10～20时的1/4，幅值过小，无法用于检测。
当每个脉冲串包括的方波数过多时，例如n＝30时，产生的超声波的幅值与n＝10～20时的接近，但产生的超声波信号不稳定，抖动较严重，影响正常的检测。
采用脉冲串形式的双极性方波激励超声换能器能够保证增加激励超声换能器的时间和次数，脉冲串能够多次激励，产生的超声波能量大，脉冲串由多个连续的方波组成，每个方波都会产生两次激励，增大超声波信号幅值，增强超声波穿透能力，同时，避免由于周期数n太大导致超声换能器的压电晶片振动疲劳而使发射的超声波信号不稳定，降低超声波能量的转化效率。
如图2所示，实施例二中，本发明提供了一种超声波信号产生方法，包括：
步骤s201，将方波发射装置1连接超声换能器2；
步骤s202，调节方波发射装置1，发射出双极性方波脉冲串；
步骤s203，调节双极性方波脉冲串的发射电压幅值v，使得v尽量大，但满足：v≤ub/2，式中ub为超声换能器晶片击穿电压；
步骤s204，调节双极性方波脉冲串的周期t，使得t＝1/f，式中f为超声换能器的谐振频率；
步骤s205，调节双极性方波脉冲串的周期数n，使n＝10～20。
具体到本实施例中，所采用的超声换能器2规格为1m、φ25mm，方波发射装置1向超声换能器2输入发射如图1所示的双极性方波串，其中，双极性方波的周期t＝10-6s，发射电压v＝400v，每个方波串包括的周期数n＝15个。
综上，本实施例中提供一种超声波信号产生方法，第一，该方法将脉冲串的振动周期调至与超声换能器压电晶片的谐振周期相等，使激励时超声换能器晶片共振，此时，超声换能器输出超声波能量的转化效率最高，可增加超声波信号的穿透能力；第二，该方法采用双极性的激励信号，同一条件时，采用双极性比单极性信号激励的超声波幅值大一倍，可增加超声波信号的穿透能力；第三，该方法采用的激励信号为脉冲串，脉冲串激励可增加激励超声换能器的时间和次数，使激励得到的超声波信号幅值进一步增大，穿透能力进一步增强；第四，该方法采用方波的激励方式，得到的超声波信号频带宽度较宽，不会造成分层和脱粘缺陷漏检的后果。本发明的方法得到超声波信号具有高穿透性，可用于复合材料等高声衰减材料内部缺陷的检测，此外，该方法得到超声波信号具有较宽频带，可保证缺陷不漏检。
本实施例中还对上述超声波信号产生方法所激励的超声波信息进行了测试。将超声换能器2放置在100mm厚的cfrp复合材料表面，并通过耦合剂将超声波信号导入复合材料中，在复合材料对面相同的位置用1m、φ25mm超声换能器接收超声波，用超声仪显示接收到的超声波信号，得到的穿透波幅值数据如表1所示。
表1：双极性方波激励得到的超声波信号穿透波幅值数据。
同样的条件下，用负尖脉冲和负方波脉冲激励方法得到的超声波信号的穿透波幅值数据，如表2所示。
表2：负尖脉冲和负方波脉冲激励得到的穿透波幅值数据。
本实施例中超声波信号产生方法得到的超声波信号的幅值是单负方波脉冲的6.7倍，是负尖脉冲的11.4倍，大幅度提高了激励的超声波信号幅值和穿透能力，可用于大厚度缠绕gfrp复合材料、pmi泡沫夹心复合材料等高声衰减材料内部缺陷的检测。
本发明还提供了一种超声无损检测方法，采用上述实施例一或实施例二中的超声波信号产生方法得到的超声波信号，对高声衰减材料内部的缺陷进行检测。
如图3所示，本实施例三提供一种超声波信号产生装置，包括方波发射装置1与超声换能器2，方波发射装置1产生双极性方波并输入超声换能器2，激励超声换能器2产生超声波信号，双极性方波的周期与超声换能器2的压电晶片的谐振周期相等，即双极性方波的周期t＝1/f，f为所述超声换能器的谐振频率。
优选地，双极性方波的发射电压幅值v应尽量大，但满足v≤ub/2，其中，ub为所述超声换能器的压电晶片的击穿电压。
进一步优选地，超声换能器采用脉冲串激励，每个脉冲串包括10～20个周期的双极性方波。
使用时，如图3所示，方波发射装置1与超声换能器2连接；调节方波发射装置1发射出双极性方波脉冲串，脉冲串的发射电压幅值v尽量大，但满足v≤ub/2，脉冲串的周期t＝1/f，脉冲串的周期数n＝10～20个。
本实施例提供了一种超声波信号产生装置，能够产生频带宽且穿透能力强的超声波信号，能应用于高声衰减材料内部缺陷的超声无损检测。同样的激励电压条件下，本实施例中，采用双极性方波脉冲串激励超声换能器得到的超声波幅值比单极性方波大一倍，保证了超声波的高幅值和高穿透性。
综上，本实施例中提供一种超声波信号产生装置，第一，该装置中，脉冲串的振动周期与超声换能器压电晶片的谐振周期相等，使激励时超声换能器晶片共振，此时，超声换能器输出超声波能量的转化效率最高，可增加超声波信号的穿透能力；第二，该装置采用双极性的激励信号，同一条件时，采用双极性比单极性信号激励的超声波幅值大一倍，可增加超声波信号的穿透能力；第三，该装置采用的激励信号为脉冲串，脉冲串激励可增加激励超声换能器的时间和次数，使激励得到的超声波信号幅值进一步增大，穿透能力进一步增强；第四，该装置中采用方波的激励方式，得到的超声波信号频带宽度较宽，不会造成分层和脱粘缺陷漏检的后果。本发明的装置得到超声波信号具有高穿透性，可用于复合材料等高声衰减材料内部缺陷的检测，此外，该方法得到超声波信号具有较宽频带，可保证缺陷不漏检。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。