一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超声无损检测领域，涉及一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声 检测方法。
【背景技术】
[0002] 裂纹是机械构件中常见的缺陷，也是导致机械结构失效的主要原因之一。研宄表 明，对于设计合格的机械构件，从产生微损伤到形成宏观裂纹的过程占其整个疲劳寿命的 80%~90%。因此，发展针对结构中微裂纹的早期检测和诊断方法具有十分重要的意义。
[0003] 传统的超声检测技术依据接收信号在时间和幅值上的改变判断结构的损伤情况， 可以很好的实现结构中体积型缺陷及开口裂纹的检测，但对闭合裂纹等微缺陷不敏感。非 线性超声检测技术依据超声波与缺陷相互作用产生的非线性效应对结构损伤情况做出评 价，它对于结构中的微缺陷（疲劳损伤、微裂纹等）表现出很高的敏感性。
[0004] 目前，已观察到的声学非线性效应主要包括高次谐波、混频、次谐波以及谐振频率 漂移等，其中基于高次谐波的非线性超声检测方法最为常用，但其检测结果易受仪器非线 性的影响。混频非线性检测方法利用两种不同频率超声信号与缺陷共同作用产生的新的频 率成分（激励频率的和频、差频等）来表征结构的损伤，其检测结果不受仪器非线性的干 扰。根据激励信号的传播方向是否平行，混频非线性超声检测可分为共线检测方法和非共 线检测方法两类。
[0005] Countney等在同侧激励模式下利用共线混频技术对裂纹缺陷进行了检测，通过 双谱分析实现了试件中裂纹缺陷的识别[Hillis A J，et al. Global crack detection using bispectral analysics[J]. Proceedings of the Royal Society Society A，2006, 462:1515-1530,下称文献1]。但在同侧激励模式下，测得的混频非线性是超声信 号传播路径上各点非线性的累加，无法对缺陷进行定位。孙俊俊等在异侧激励模式下对钢 制试块中闭合裂纹进行了共线混频检测，通过改变两探头的激励延迟控制两列波的相遇位 置，实现了对闭合裂纹的定位。[焦敬品，孙俊俊等.结构微裂纹混频非线性超声检测方法 研宄[J].声学学报.2013, 38 (6) : 648-656,下称文献2]。
[0006] 与共线检测方法相比，非共线检测方法对缺陷的检测具有更好的空间选择性。 通过改变激励探头楔块的角度以及探头的相对位置，可以实现超声波声束在待测试件内 部任意位置的空间扫查，在检测区域的选择上更加灵活。Croxford等利用斜探头在铝 制试件两端激励斜入射剪切波，实现了试件中塑性变形及疲劳损伤的检测[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,下称文献3]。周正干等在文章[刘斯明等.SiCp颗粒增强 铝基复合材料非共线非线性响应试验观察[J].机械工程学报.2012, 48 (22):21-26,下称 文献4]及专利[一种非共线非线性超声无损检测方法.CN102721747A，下称文献5]中利用 非共线激励方法对SiC p颗粒增强铝基复合材料的均匀性进行了检测。
[0007] 在上述已公开的文献3、4、5中，仅进行了单一位置损伤有无的定性混频检测。在 损伤的判定标准方面，仅依据检测信号滤波后时域波形幅值的大小判断。然而相对于线性 响应，混频非线性响应较弱，实际测量中接收到的非线性响应信号的幅值较小且信噪比低， 信号时域波形提取的难度较大。
[0008] 综上所述，本发明提出一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法。该 方法具有以下特点：1)通过移动探头进行空间不同位置损伤检测，可实现裂纹长度测量； 2)根据时频分析提取出的非线性系数对损伤进行评价，检测结果在信号信噪比较低时更加 可靠。
【发明内容】
[0009] 本发明旨在提出一种结构中微裂纹长度测量方法，特别是基于非共线混频超声检 测技术的结构中微裂纹长度无损检测方法。通过改变探头的相对位置控制两斜入射声束 在试件中不同空间位置的汇聚点，测得构件中不同位置的非线性响应，并对非线性响应信 号进行时频分析提取出非线性系数，最后依据非线性系数的空间分布实现微裂纹长度的测 量。
[0010] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种用于微裂纹长度测量的非共线混 频超声检测方法，当结构中存在闭合裂纹时，应力σ与应变 ε的非线性关系表示为：
[0011] 〇 = Kn ε + β ε 2 (I)
[0012] 其中心为法向刚度，β为非线性系数。
[0013] 图1所示为两列斜入射纵波在裂纹处相遇的示意图，其中Θ ρ θ 2为入射角。定义 两列纵波的振幅为ai、a2，其圆频率分别为ωρ ω2，传播的方向向量分别为：
[0014] P1 = (- sin - cos ) = (p, ν ρη), ρ2={^\ηθ ,- cos ) - (/;2,, /;22) (2)
[0015] 两列波引起质点振动的方向向量为：
[0016] Jl =(-sin6^，-cos3) = (iiu,ii12)，d2 = (sin θ2, - cos ft) = ((6/,,, cir,) (幻
[0017] 其中Pij与d u为各向量的分量，在t时刻第一列波引起的位移在X i轴上分量为：
[0018] U1= (Ina1Cos [Ii1 (X1P1^x2P12-Cl!:)] (4)
[0019] 第二列波引起的位移在X1轴上分量为
[0020] U2= d 21a2cos [k2 (X1P2^x2P22-CLt) ] (5)
[0021] 其中波数1^= ω /cp k2= ω 2/(^，C1为纵波声速。根据弹性力学中质点位移与 应变的关系，两列波在裂纹处相遇时引起的应变为
【主权项】
1. 一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，其特征在于：当结构中存在 闭合裂纹时，应力0与应变e的非线性关系表示为： 0 =KNe+ee2 (1)其中心为法向刚度，0为非线性系数； 两列斜入射纵波在裂纹处相遇，其中92为入射角；定义两列纵波的振幅为ai、a2， 其圆频率分别为，传播的方向向量分别为：
>两列波引起 质点振动的方向向量为：
(3)其中Pi# dij为各向量的分量，在t时刻第一列波引起的位移在xi轴上分量为： Uj=dnajcos[kj(x1p11+x2p12-cLt) ] (4)第二列波引起的位移在x:轴上分量为 u2=d21a2cos[k2 (xjP^+x^-CLt) ] (5)其中波数k!= ? ? 2/cL，cL为纵波 声速；根据弹性力学中质点位移与应变的关系，两列波在裂纹处相遇时引起的应变为
(7) 开并忽略常数项得：
其中各幅值AH1、AH2和 (8) 表达式为：
将1^= ? 1/(^、匕=? 2/(^带入式（8)，得（7)式的最后一项为：
可见两列激励信 (9) 号与裂纹相互作用广生了原频率的一彳首频（2w^2w2)及和频（《A?2)、差频（《厂《 2)新 的频率成分； 在实际检测中，只有当两列激励信号同时到达微损伤处与缺陷共同作用时才会产生混 频非线性响应，接收到的混频信号是典型的瞬变信号，因此采用时频分析手段提取两激励 信号相遇时刻接收信号中的基频幅值4、A2及和频或差频的幅值A3，并根据下式计算非线 性系数0 :
(10)。
2. 根据权利要求1所述的一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，其 特征在于：本方法采用的试验装置包括计算机（1)、非线性声学测量系统（2)、示波器（3)、 50D负载一（4)、50Q负载二（5)、可调衰减器一（6)、可调衰减器二（7)、激励探头（8)、激 励探头（9)、接收探头（10)和前置放大器（11);具体而言，计算机⑴与SNAP系统⑵相 连，控制产生激励信号，并采集接收信号；SNAP系统的输出通道I通过50Q负载一（4)和 可调衰减器一（6)与激励探头一（8)相连；SNAP系统的输出通道II通过50Q负载二（5) 和可调衰减器二（7)与激励探头二（9)相连；接收探头（10)通过前置放大器（11)与SNAP 系统⑵的接收通道I相连；示波器⑶与SNAP系统⑵相连。
3. 根据权利要求1所述的一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，其特 征在于：该方法通过以下步骤实现， 1) 测量两个激励探头的频率响应特性，将带宽较窄者定为激励探头一，并选取幅值响 应最大处的频率作为激励探头一的激励频率f1;根据激励探头二的频率响应特性，在幅值 衰减小于_3dB的频率范围内并综合接收直探头的频响特性，确定激励探头二的频率变化 范围； 2) 连接各实验仪器，将两激励探头布置于试件的同侧；根据超声信号在试件中传播路 径的几何关系，计算两探头的水平距离及激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时 到达裂纹处； 3) 按照上一步骤中计算出的时延差依次激励两斜探头，采用SNAP系统追踪和频及差 频信号；根据和频及差频信号的追踪结果，选取幅值最大的点作为激励探头二的频率f2; 4) 按照上述选定的频率和时延差依次激励两斜探头，用示波器采集此时接收探头10 接收到的信号，导入计算机作为接收信号a; 5) 仅激励斜探头一，用示波器采集并保存接收探头的信号，而后仅激励斜探头二，再次 采集接收信号，将两次采集到的信号导入计算机，叠加后作为接收信号b; 6) 以和频或差频为中心频率构造带通滤波器，对接收信号a、b进行滤波处理，观察接 收信号a的时域是否出现新的波形，初步判断缺陷是否存在； 7) 对接收信号a、接收信号b进行时频分析，结合步骤7对比时频分析处理结果；若与 接收信号b相比，接收信号a在时域出现新的波形，且在频域中的和频及差频处出现新的频 率成分，判定试件中存在裂纹缺陷，反之则表明试件中没有裂纹； 8) 根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头激励信号的时延差，改变 两激励探头的相对位置，使激励信号在沿裂纹延伸方向上的不同位置相遇；对来自不同位 置的接收信号进行时频分析，提取基频（f\、f2)的幅值4、4以及和频或差频（f1+4或匕-4) 的幅值A3，计算非线性系数； 9) 根据步骤8)的结果，选取一个非线性系数阈值对各位置是否存在裂纹进行判断；实 际检测时可取各位置非线性系数最大值的0. 707倍为阈值，当某一位置的非线性系数大于 该阈值时，认为此处存在裂纹；反之，则认为此处没有裂纹；在一系列连续的存在裂纹的位 置中，相距最远的两个位置之间的距离即可认为是裂纹长度。
【专利摘要】一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据相应公式计算非线性系数；通过改变探头的相对位置控制两斜入射声束在试件中不同空间位置的汇聚点，测得构件中不同位置的非线性响应，并对非线性响应信号进行时频分析提取出非线性系数，最后依据非线性系数的空间分布实现微裂纹长度的测量。通过移动探头进行空间不同位置损伤检测，可实现裂纹长度测量；根据时频分析提取出的非线性系数对损伤进行评价，检测结果在信号信噪比较低时更加可靠。
【IPC分类】G01N29-12
【公开号】CN104807888
【申请号】CN201510174129
【发明人】焦敬品, 樊仲祥, 李勇强, 孟祥吉, 何存富, 吴斌
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年4月13日