倍频调制非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹的方法与流程

本发明属于无损检测领域，涉及一种倍频调制非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹的方法。

背景技术：

材料在高温高压及长期循环载荷的作用后，应力集中区域会出现微裂纹及不同程度的微损伤。微裂纹面积及密度逐渐增大就会形成宏观裂纹，造成结构失效，形成安全隐患，严重者会导致生产事故。

超声无损检测方法是广泛使用的裂纹检测方法，现有的线性超声检测方法是基于声速及声阻抗等实现对裂纹的检测，但检测的裂纹尺寸的范围是与超声波长在同一数量级，但微裂纹的尺寸一般远小于线性检测超声的波长，且由微裂引起的局部材料性质变化非常小，利用线性超声对微裂纹进行检测效果很差。非线性超声是一种较为新颖的检测方法，可以实现对材料缺陷微米量级的检测，对微裂纹有很高的灵敏度。

对管道中的微裂纹采用非线性超声检测，一般采声场调制的方法，产生非线性效应。声场调制方法具有以下优点：①对测试系统本身的非线性不敏感，这是因为由损伤导致的非线性在测量信号中表现为调制边频的形式，而测试系统的非线性通常表现为激励信号高次谐波的形式，两者易于区分；②调制边频与超声激励频率位于同一频段内，通过选择合适的超声激励频率，声波可以在结构中传播较远的距离，保证了较大的监测范围，同时其非线性特征又保证了对损伤的敏感性；③可以实现结构损伤的动态、快速检测和识别。

超声导波可以实现大范围、全结构缺陷在线快速检测；非线性超声对材料的早期微缺陷微损伤有很高的灵敏度；时间反转聚焦算法能够实现对材料的缺陷的自适应聚焦。发挥三者的各自优势，实现对管道中微裂纹的检测。

技术实现要素：

本发明之目的是设计一种实现上述“发挥三者的各自优势，实现对管道中微裂纹的检测”的倍频调制非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹的方法。

为实现本发明之目的，本申请提出了一种倍频调制非线性超声导波时间反转管道裂纹微检测方法，本申请利用声场调制与材料相互作用产生的非线性超声导波中的旁瓣非线性成分进行时间反转，实现对微裂纹的自适应聚焦。进而得到裂纹聚集区域的尺寸和位置，包括如下步骤：

步骤一、信号激发

设置两个激励超声换能器组，第一激励超声换能器组采用单个压电晶片胶粘在检测管道一侧且该组激励超声换能器的激发频率设置为单倍低频ω1；第二激励超声换能器组为设置在检测管道一周等间隔分布的压电超声换能器阵列，通过控制第二激励超声换能器组激发双倍高频扭转模态t(0,1)模态，第二激励超声换能器组的激发的频率为ω2且ω2＝2ω1；

根据非线性特性，对于输入的一个混频信号输出位移为：

u⁽⁰⁾(x,t)＝acos(ω1t)+bcos(ω2t)(1)

ω1，ω2分别为第一组激励信号、第二组激励信号的角频率，a为第一组激励信号的幅值，b为第二组激励信号的幅值。

步骤二、信号接收

所述的第二激励超声换能器组既进行检测信号的激励，也对微裂纹反射信号进行接收，作为信号接收换能器；

从频率的角度分析，信号接收换能器接收到的信号u(x,t)为：

x为材料中质点振动的位移，β为非线性系数，u⁽⁰⁾和u⁽¹⁾分别表示由线性和非线性引起的质点振动位移，k1，k2是频率分别为ω1，ω2的信号波数；从频率成分上看，上式中除了ω1，ω2的基波成分分量之外，还产生了了2ω1，2ω2的二次谐波，以及ω1-ω2，ω1+ω2的调制边频分量；根据所设计的单倍频信号激发，双倍频信号接收的思路，激发频率为ω2＝2ω1，公式(2)变为：

得到各阶频率分量对应的振动幅值：

从测量分量中提取各阶分量的幅值，联立(4)(6)(7)可得：

通过非线性系数的绝对值来初步判别微裂纹反射的信号的强弱。

通过倍频声场调制，公式(2)出现的6个频率ω1，ω2，2ω1，2ω2，ω1-ω2，ω1+ω2简化为4个频率ω1，2ω1，3ω1，4ω1，且该4个频率是ω1的1倍频，2倍频，3倍频，4倍频的关系。最为重要的是其中的3倍频为ω1+ω2＝3ω1的旁瓣分支，是声场调制方法最为重要的标志，根据此旁瓣能量来评定微裂纹与超声相互作用产生的非线性系数大小，也为时间反转能量的聚焦信号截取的标志。

步骤三、非线性分析

根据非线性调制旁瓣频率为ω1+ω2＝3ω1的信号选择时间反转窗函数m^*(r,ω)，由步骤二中的信号接收换能器接收；

步骤四、信号时间反转

根据时间反转原理，将截取的时间反转信号进行反转，再由第二激励超声换能器组发送时间反转信号，该时间反转信号是将截取的时间反转信号进行反转后的信号；

信号接收换能器接收到结构在驱动下的响应信号fbb(r,ω)，该响应信号fbb(r,ω)即为上述截取的时间反转信号，该响应信号可以写成：

fbb(r,ω)＝m^*(ω)kpa(ω)kpb(ω)g(r,ω)(9)

其中kpa(w)，kpb(w)分别为第一激励超声换能器、第二激励超声换能器的机电耦合系数，g(r,w)为结构的频率响应传递函数；

对信号接收换能器接收到的响应信号fbb(r,ω)进行时间反转处理，根据信号在时频域是共辄的关系，得到响应信号fbb(r,ω)的反转信号：

第二激励超声换能器组再次激励经过时间反转处理后的导波信号遇到管道中微小缺陷反射回来。

步骤五、能量聚焦

第二激励超声换能器组再次激励经过时间反转处理后的导波信号在微裂纹处实现自适应聚焦，根据聚焦后非线性参数信号fbbb(r,ω)峰值进一步判断微裂纹的大小；

在第二激励超声换能器组接收反转反射检测信号，提取出精确的小缺陷信号信息；第二激励超声换能器组接收到的结构响应信号fbbb(r,ω)为：

是实、偶正函数，它的傅里叶变换在时间零点是同相叠加的，由此得出主峰峰值判断微裂纹的大小；

对上述信号实施傅里叶变换可得微裂纹聚焦后信号：

优选的，所述的第二激励超声换能器组包含至少6个激励超声换能器。

本发明的有益效果是：本发明通过选择信号的倍频这一特殊信号关系进行声场调制，利用ω1+ω2＝3ω1这一三倍频旁瓣信号作为衡量微裂纹与超声非线性相互作用强弱的标志，也是后面时间反转信号的选择信号的标志，利用推导的非线性系数的绝对值来初步判别微裂纹的信号的强弱。超声导波可以实现大范围、全结构缺陷在线快速检测；非线性超声对材料的早期微缺陷微损伤有很高的灵敏度；时间反转聚焦算法能够实现对材料的缺陷的自适应聚焦。发挥三者的各自优势，实现对管道中微裂纹的检测。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为步骤二接收的信号频域波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

一种倍频调制非线性超声导波时间反转检测管道微裂纹的方法，包括以下步骤：

步骤一、信号激发：两个激励超声换能器组，第一组为单倍低频，激励频率为32khz，采用单个压电晶片胶粘在管道一侧，为a组；第二组为布置在管道一周等间隔分布的压电超声换能器阵列，可以控制激发双倍高频扭转模态t(0,1)模态，激发的频率为64khz，为b组；

根据非线性特性，对于输入的一个混频信号输出位移为：

u⁽⁰⁾(x,t)＝acos(ω1t)+bcos(ω2t)(1)

ω1，ω2为角频率，k1，k2是频率分别为ω1ω2的信号波的数量，a为第一组激励信号的幅值，b为第二组激励信号的幅值。

步骤二、信号接收：第二组激发超声换能器阵列既能够激发信号，也能够接收裂纹反射信号，作为信号接收换能器；

从频率的角度分析，信号接收换能器接收到的信号u(x,t)为：

从频率成分上看，上式中除了ω1，ω2的基波成分分量之外，还产生了了2ω1，2ω2的二次谐波，以及ω1-ω2，ω1+ω2的调制边频分量，x为材料中质点的位移，β为非线性系数。

根据所设计的单倍频信号激发，双倍频信号接收的思路，激发频率为ω2＝2ω1上式变为：

得到各阶频率分量对应的振动幅值：

从测量分量中提取各阶分量的幅值，联立(4)(6)(7)可得：

通过倍频调制，将公式(2)出现的6个频率(ω1，ω2，2ω1，2ω2，ω1-ω2，ω1+ω2)简化为4个频率(32khz，64khz，96khz，128khz)，且4个频率是32khz的1倍频，2倍频，3倍频，4倍频的关系。最为重要的是其中的3倍频为96khz的旁瓣分支，是声场调制方法最为重要的标志，根据此旁瓣能量来评定微裂纹与超声相互作用产生的非线性系数大小，也为后面时间反转能量的聚焦信号截取的标志。

公式(8)变为

3)非线性分析：根据非线性调制旁瓣频率为96khz信号能量包选择时间反转窗函数m^*(r,ω)；

4)信号时间反转：根据时间反转原理，将截取的时间反转信号进行反转，再由激发信号换能器发送时间反转信号；

a和b两组激发换能器在声场调制下产生的检测信号，b端接收到结构在驱动下的响应信号fbb(r,ω)，该响应信号可以写成：

fbb(r,ω)＝m^*(ω)kpa(ω)kpb(ω)g(r,ω)(9)

其中kpa(w)，kpb(w)分别为a，b的超声换能器的机电耦合系数，g为结构的频率响应传递函数；

对b端接收到的数据信号进行时间反转处理，根据信号在时频域是共辄的关系，得到反转信号：

在b端再次激励经过时间反转处理后的导波信号遇到管道中微小缺陷反射回来；

5)能量聚焦：发射的信号在微裂纹处实现自适应聚焦，根据聚焦后非线性参数信号峰值进一步判断微裂纹的大小。

在b端接收反转反射检测信号，提取出精确的小缺陷信号信息；b端接收到的结构响应信号fbbb(r,ω)为：

是实、偶正函数，它的傅里叶变换在时间零点是同相叠加的，由此得出主峰峰值。

例如无微裂纹时，即微裂纹的长度是λ＝0um时，fbbb(r,ω)＝0.1；当微裂纹的长度λ＝0.1um时，fbbb(r,ω)＝0.2；当微裂纹的长度λ＝0.2um时，fbbb(r,ω)＝0.3。从而通过聚焦后非线性参数fbbb(r,ω)的幅值判断微裂纹的大小。

对上述信号实施傅里叶变换可得微裂纹聚焦后信号：

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。