一种固体材料单裂纹非线性超声系数表征方法与流程

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种固体材料单裂纹非线性超声系数表征方法。

背景技术：

非线性超声检测是一种新兴的无损检测技术。根据研究的非线性声学现象的不同，非线性超声技术分为高次谐波法，同轴混频法、共振偏移法等。本发明所研究的主要内容属于高次谐波法的领域。

高次谐波技术主要是根据超声波在频谱中产生的高次倍频幅值评价材料的损伤。该技术具有操作相对简单、便捷，数据处理较容易的特点。同时，由于该技术对结构微观特征较为敏感，而检测过程中不可避免出现误差，这在很大程度上影响了试验的准确性。根据非线性超声的来源不同，将由晶体结构改变产生的非线性属于的经典非线性声学；由裂纹与超声波相互作用产生的非线性属于非经典非线性声学范畴。

如上所述，经典非线性的理论出现时间早，被人们更多地研究。然而，非线性非线性的研究较少，所依据的理论更多地借鉴经典非线性的相关研究。因此，本发明将从声-界面的有关模型出发，推导出针对固体材料中未粘接界面类型的损伤表征的指标，依据此指标能够更方便地反映出裂纹的几何特征，而这些特征是传统的非线性超声指标无能为力的。

技术实现要素：

本发明目的在于提出一种非线性超声系数，以表征材料内存在的单个裂纹界面，该非线性超声系数是基于超声波穿过含裂纹体后出现的高次谐波特征。

本发明提供一种固体材料单裂纹非线性超声系数表征方法,包括以下步骤：

对固体材料进行非线性超声测试；

将获得的信号进行快速傅立叶变换；

计算系数非线性系数β’，

非线性系数β’定义为：

式中，

ξ＝sinθ-θcosθ表示二次谐波的超声效率，表示引起接触声非线性效应的相位阈值，e0为线性弹性模量,γ表示线性弹性模量与裂纹界面弹性模量的差异,ε⁰为can效应产生的临界应变值,a1为基波幅值，ω为测试信号主频，cl为纵波波速；；

通过非线性系数β’评价材料内的单个裂纹。

进一步的，所述通过非线性系数β’评价材料内的单个裂纹包括：

采用以下公式表征裂纹长度n，

β′∝n.；

采用以下公式表征裂纹宽度：

采用以下公式表征裂纹角度：

β′∝cos²α。

α为裂纹倾角。

与现有检测方法相比，本发明具有以下优点：(1)由裂纹与超声波相互作用的模型推导出的非线性超声系数β’，能够更准确的表征和材料内微裂纹的出现与发展；(2)与传统的非线性系数相比，本发明提出的非线性系数β’更方便结合裂纹长度、宽度和角度等几何相关信息，这在后期的检测结果分析具有重要的意。

附图说明

图1为非线性系数β’表征材料内单个裂纹流程图。

图2为完整与含单个裂纹固体材料时域曲线对比图。

图3为完整与含单个裂纹固体材料频域曲线对比图。

图4为激励幅值对非线性系数β’的影响。

图5为裂纹长度对非线性系数β’的影响。

图6为裂纹宽度对非线性系数β’的影响。

图7为裂纹角度对非线性系数β’的影响。

具体实施方式

本发明目的在于提出一种非线性超声系数，以表征材料内存在的单个裂纹界面，特别是该系数是基于超声波穿过含裂纹体后出现的高次谐波特征。本方法通过对接触声非线性(can)模型的分析和推导，基于非线性超声特性实现了固体材料内存在裂纹的表征。

根据can模型，超声波经过裂纹界面引起的拉-压循环将导致裂纹界面的弹性模量发生变化。对于各项同性的弹性介质，其弹性模量在can模型中可表示为

式中，e0为线性弹性模量,γ表示线性弹性模量与裂纹界面弹性模量的差异,ε⁰为can效应产生的临界应变值。

基于can模型的裂纹界面处的应力-应变关系可写为

式(3)的解为

式中，表示引起can效应的相位阈值，γ表示线性弹性模量与裂纹界面弹性模量的差异。

完整的二次谐波可写为

式中，ξ＝sinθ-θcosθ表示二次谐波的超声效率。

非线性系数β’可定义为

基于本发明的非线性特征参数β’得到其与裂纹几何特征的关系可以表述为：

(1)裂纹长度

假设上述推导的二次谐波由单位长度裂纹产生，则n条裂纹的二次谐波为

因此，非线性系数β’与裂纹长度n呈线性关系

β′∝n.(7)

(2)裂纹宽度

如图1所示,阴影部分对应的应变引起了can效应,这也高次谐波产生的根本原因。式(5)中ζ＝sinθ-θcosθ表达裂纹宽度对非线性超声系数β’的影响。裂纹宽度与非线性超声系数β’的关系为

(3)裂纹角度

裂纹角度规定为入射波方向与裂纹界面法向的夹角。则裂纹角度β’与非线性超声系数β’之间的关系可写为

β′∝cos²α.(9)

传统的非线性超声参数由材料的应力-应变方程展开至高阶项推导而来，其原理与表达式与本发明得到的非线性超声系数有着本质的区别。本发明提出的非线性超声参数β’在检测材料内单一裂纹方面具有显著效果。结合式(5)和(6)，非线性系数在一定程度上依赖于超声波激励幅值，这在实际测试中具有重要指导意义，在同一组材料的非线性超声测试中不宜改变超声波的激励幅值。提供了材料内超声波与不同长度，宽度和角度裂纹相互作用而产生高次谐波的依据，为检测结果评价提供理论的依据。

本发明提出的固体材料内单裂纹非线性超声系数β’表征方法所需要的关键步骤如下(流程图如图1所示)：(1)根据发明中提到的二次谐波产生条件，选择具有大功率的信号放大器，增大测试信号的激励幅值；(2)固定发射端与接收端，由于固体材料内存在的微裂纹较多，需要保持测试距离不变；(3)对所得到的超声信号进行fft变换，获得相应频谱曲线；(4)由确定非线性系数，结合式(7)，(8)和(9)对材料内裂纹进行评价。

与现有检测方法相比，本发明具有以下优点：(1)由裂纹与超声波相互作用的模型推导出的非线性超声系数β’，能够更准确的表征和材料内微裂纹的出现与发展；(2)与传统的非线性系数相比，本发明提出的非线性系数β’更方便结合裂纹长度、宽度和角度等几何相关信息，这在后期的检测结果分析具有重要的意义。

下面利用有限元软件abaqus，结合具体实例说明本发明提出的非线性系数β’能够表征固体材料内的单个裂纹：

在二维空间内定义固体试块尺寸为10mm*10mm。为得到非线性系数β’对裂纹长度、宽度、角度和超声波激励幅值的表征结果，需要建立4组固体试块的有限元模型。超声波的激励频率为100khz，超声波激励幅值范围为0至50pa。为了进行对照，完整试块和含裂纹试块的时域与频域曲线如图(2)、(3)所示。

图(4)表示非线性系数β’在超声波幅值较小时迅速增大，但是当超声波幅值足够大时，非线性系数β’趋于稳定。这与理论公式(4)和(5)得到的结论相符。

含2mm，2.5mm，3mm，3.5mm，4mm，4.5mm和5mm长度裂纹的固体试块的非线性超声系数β’如图(5)所示。裂纹宽度为0.01mm。在一定激励电压下，裂纹长度与非线性超声系数β’高度线性相关。这与理论公式(7)得到的结论相符。

含0.01mm，0.014mm，0.016mm，0.018mm，0.02mm，0.022宽度裂纹的固体试块的非线性超声系数β’如图(6)所示。裂纹长度为4mm。在一定的超声波激励幅值范围内，裂纹宽度对非线性超声系数β’具有显著影响。这与理论公式(8)得到的结论相符。

含0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°裂纹的固体试块的非线性超声系数β’如图(7)所示。裂纹长度为4mm。裂纹宽度为0.01mm。在一定的超声波激励幅值范围内，非线性超声系数β’随裂纹角度增加而下降。这与理论公式(9)得到的结论相符。

上述4个例子均表明，由can模型推导而来的非线性超声系数β’对固体内的单个裂纹的几何特征具有很好的表征效果，能够合理地反映裂纹与超声波作用产生的非线性声学现象，可以用于表征固体材料中的裂纹的长度、宽度和角度。