CN105372330A - 板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法 - Google Patents

Abstract

板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法，首先被检测对象在高频疲劳实验机上预制不同长度的微裂纹，基于非线性超声检测***combine模式下激励两个不同频率，用固定角度斜探头激励Lamb波单一S0模态与钢板中微裂纹的相互作用。采用对通过微裂纹的直达波的FFT分析方法提取信号中基频与和频分量的幅值，进行基频归一化。观察和频变化规律。结果表明，和频幅值与微裂裂纹长度呈正相关。最后，根据非线性系数对钢板中不同微裂纹长度进行评价。通过时频分析的办法对和频成分Lamb波模态进行确认，结果表明接收信号中基频及和频成分都是S0模态。充分验证了非线性Lamb波混频对板中裂纹检测的可行性与正确性。

Description

板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法

技术领域

本发明涉及一种非线性Lamb波检测方法，特别是一种基于混频效应的非线性Lamb波混频检测方法，用于板中微裂纹检测与评价，属于无损检测领域。

背景技术

板状或类板状(如壳体)金属结构在各类装备中广泛使用，如大型储罐、飞机的机身、机翼和舱门等。在服役过程中，这些板类金属构件在内部因素(如运动部件传递的交变载荷)和环境因素(如腐蚀、温度、外界载荷等)作用下，会逐渐老化，表现为出现不同程度的损伤。在各类损伤中，疲劳裂纹对结构的潜在危害性最大。据统计，80％以上的机械零部件的失效是由疲劳损伤所引起。主要原因在于，疲劳裂纹是一种不稳定性缺陷，在结构运行条件下，即使是很小的裂纹，在交变载荷、温度等因素的影响下，也可能迅速扩展，产生突然断裂，导致灾难性事故的发生。因此，采取有效的手段实现承载板状金属结构疲劳裂纹的早期检测、定位和评估，对于确保重大基础设施的正常运行和人们生命财产安全至关重要。

超声检测中使用的超声波波型有多种，如体波(纵波和横波)、兰姆波、表面波等。对于板类结构检测，现有研究中大多使用兰姆波，因为板结构中传播的超声导波称为兰姆波(LambWave)。由于兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚，传播距离较长且衰减较小，因此兰姆波广泛应用于板状结构的无损检测。传统兰姆波技术方法利用超声波通过损伤时发生反射、散射以及模态转换等线性特征，可以很好实现板中开口裂纹及腐蚀等较大损失检测，但难以实现板中疲劳微裂纹检测。非线性兰姆波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，它对于板中的微缺陷(热损伤、疲劳损伤、微裂纹等)表现出很高的敏感性。

非线性超声技术主要关注材料的非线性声学响应，依据检测信号中非激励带宽内其它频率分量的变化实现结构早期损伤检测。根据检测原理，非线性超声检测可分为振动声调制法、非线性谐振法、混频法和谐波法，其中谐波法是目前研究中使用最多的方法，但检测结果受检测仪器及探头本身非线性产生的谐波影响大；振动声调制技术对界面接触状态及闭合裂纹检测具有优势，但该方法需额外向待检测试件上施加低频振动以及有边界非线性影响，检测***较复杂；而非线性谐振法对检测***及换能器频带要求较高。混频技术(又称波束混叠技术)基于两列不同频率的波在介质中交互作用特性，实现结构损伤检测。如果介质是连续的，当两列波相遇时，满足线性叠加原理，不会产生新的频率分量；如果介质有不连续性，即存在非线性区域，当两列波在该区域相遇时，将发生相互作用，在频域中会观察到新的频率分量，而且该方法的检测结果不受仪器非线性的干扰。

国内外学者在金属板结构的兰姆波非线性效应及损伤检测方面开展了大量卓有成效的研究工作。在这些研究工作中，解放军后勤工程学院邓明晰教授在《平面固体结构中兰姆波二次谐波的发生与传播研究》在理论上他首次给出了兰姆波积累二次谐波声场的解析解，并通过实验证明了兰姆波的强烈非线性效应。Deng和PruellC等分别在《Analysisofsecond-harmonicgenerationofLambwavespropagatinginlayeredplanarstructureswithimperfectinterfaces》《Evaluationoffatiguedamageusingnonlinearguidedwaves.SmartMaterialsandStructures》中研究了非线性Lamb波的二次谐波的积累效应对板中的疲劳损伤检测的可行性进行分析。PruellC等在《EvaluationofplasticitydrivenmaterialdamageusingLambwavesAppliedPhysicsLetters》中通过非线性Lamb波对板中疲劳损伤进行分析。邓明晰在《层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》提出应力波损伤因子的概念对层状固体板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性累积损伤进行了研究。XuH等在《Time-frequencyanalysisfornonlinearLambwavesignal》中通过时频分析的方法对通过理论和实验分析了铝板中非线性Lamb波的二次谐波的激发效率。LiW等在《DetectionofthermalfatigueincompositesbysecondharmonicLambwaves》中应用非线性Lamb波对热损伤的材料进行检测与评估。美国乔治亚理工学院的Kim教授在《Feasibilityofusingnonlinearguidedwavestomeasureacousticnonlinearityofaluminum》、美国西北大学的曲建民教授在《材料力学性能退化的超声无损检测与评价》对不同金属板结构中微裂纹、塑形应变、疲劳损伤等缺陷进行了检测。以上都是通过非线性Lamb波的二次谐波方法对板中疲劳损伤的检测，但是检测结果受检测仪器及探头本身非线性产生的谐波影响大，导致最终结果不准确。孙俊俊等在《结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究》中采用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。樊仲祥等在专利[一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法]基于非共线检测方法对对钢制试块中闭合裂纹进行混频检测。Croxford等在《Theuseofnon-conlinearmixingfornonlinearultrasonicdetectionofplasticityandfatigue》中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。周正干等在《SiC_P颗粒增强铝基复合材料非共线非线性响应试验观察》及专利[一种非共线非线性超声无损检测方法]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混频检测。以上的方法都是基于体波混频进行检测，由于体波混频的方法无法对板材中微缺陷进行检测。目前，在板结构非线性兰姆波研究中，除在文献《AfeasibilitystudyforLambwavemixingnonlineartechnique》中利用混频效应对板结构中热损伤进行了可行性验证外，利用混频效应对板结构早期损伤，特别是疲劳裂纹的检测，还鲜见报道。所以本专利发明一种基于非线性Lamb波混频效应的方法对板中微裂纹进行检测。本发明可以克服仪器以及探头本身非线性的影响，使用非线性Lamb波混频的方法对板中的微裂纹进行准确的检测以及评估。

发明内容

本发明旨在提出一种非线性Lamb波混频的方法对板中微裂纹进行检测与评价。该方法采用一激一收检测模式，即一个固定角度斜探头同时激励两个频率的单一S0模态Lamb波信号通过不同钢板试件中不同长度的微裂纹，然后用一个固定角度斜探头进行接收。将接收到的信号进行FFT分析，提取和频成分和两个基频成分，最后依据非线性系数对不同微裂纹长度进行评价。最后根据时频分析确定产生的和频成分的模态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种非线性Lamb波混频超声检测方法，当板材中存在闭合裂纹时一维非线性弹性波动方程表示为

$\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}-c^2\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}=c^2\mathrm{\β}\frac{\∂u}{\∂x}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}---\left(1\right)$

式中：c为声波在介质中传播速度；x为声波传播的距离；β为非线性声学特征系数；u为质点振动位移，其与应变ε(x,t)之间的关系为

根据波扰动理论，并利用逐步近似解法求解时，设式(1)的解为：

u(x,t)＝u⁽⁰⁾+βu⁽¹⁾(2)

式中：u⁽¹⁾表示由于非线性引起的位移。若定义u⁽¹⁾与波传播方向成正比，则：

u⁽¹⁾＝xf(τ)(3)

式中：τ＝t-x/c；而f(τ)为待定的未知数。

现定义输入两个频率的超声信号，即

u⁰(x,t)＝A₁cos(f₁τ)+A₂cos(f₂τ)(4)

式中：A₁、A₂为谐波幅值；f₁、f₂分别为两谐波的中心频率，与波速c、波数k_i的关系为f_i＝k_ic。

将式(4)和(3)代入(2)，进一步代入式(1)得到：

$f\left(\mathrm{\τ}\right)=-\frac{A_{01}^2{k}_1^2}{8}cos\left(2f_1\mathrm{\τ}\right)-\frac{A_{02}^2{k}_2^2}{8}cos\left(2f_2\mathrm{\τ}\right)+\frac{A_1{A}_2{k}_1{k}_2}{4}\[cos(f_1-f_2)\mathrm{\τ}-cos(f_1+f_2)\mathrm{\τ}\]---\left(5\right)$

故求得质点振动位移u(x,t)为

$\begin{array}{c}u(x,t)=u^{\left(0\right)}+{\mathrm{\βu}}^{\left(1\right)}\\ =A_1\cos (f_{1}t-k_{1}x)+A_2\cos (f_{2}t-k_{2}x)\\ +x\mathrm{\β}\{-\frac{A_1^2{k}_1^2}{8}\cos (2f_1-2k_{1}x)-\frac{A_2^2{k}_2^2}{8}\cos (2f_{2}t-2k_{2}x)\\ +\frac{A_1{A}_2{k}_1{k}_2}{4}\{\cos \[(f_1-f_2)t-(k_1-k_2)x\]-\cos \[(f_1+f_2)t-(k_1+k_2)x\]\}\}\end{array}---\left(6\right)$

从(6)可知，除信号频率f₁和f₂外，还产生高频谐波2f₁和2f₂以及混频信号频率成分，即f₁-f₂和f₁+f₂。因此，混频现象理解为两个以上位移场的叠加情况下出现的材料非线性超声。由式(6)得到基频幅值A(f₁)＝A₁，A(f₂)＝A₂，和频幅值 $A(f_1+f_2)=\frac{{\mathrm{\βxA}}_1{A}_2{k}_1{k}_2}{4}$

如果能够从测量信号中提取各阶频率分量的幅值，非线性系数计算如下

$\mathrm{\β}=\frac{4}{{\mathrm{xk}}_1{k}_2}\frac{A(f_1+f_2)}{A\left(f_1\right)A\left(f_2\right)}---\left(7\right)$

在传播距离和波数相同的条件下,简化为非线性系数β如下，

$\mathrm{\β}=\frac{A(f_1+f_2)}{A\left(f_1\right)A\left(f_2\right)}---\left(8\right)$

为实现上述技术方案的分析，本方法采用的试验装置参见图2，该***包括计算机(1)、非线性声学测量***(2)、信号选择器(3)、数字示波器(4)、50Ω负载阻抗匹配(5)、可调衰减器(6)、超声波激励探头(7)、待测试件(8)、超声波接收探头(9)；计算机(1)与非线性声学测量***(2)之间通过信号线相连，采用软件设定各种参数控制非线性声学测量***硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量***(2)的高能脉冲信号输出端通过50Ω负载(5)、可调衰减器(6)，然后与超声波激励探头(7)相连；超声波接收探头(9)接收透过试件的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量***通道1，通过非线性声学测量***(2)的射频信号监控端与信号选择器(3)相连，将接收信号送入数字示波器(4)。

本文提出的基于一种非线性Lamb波混频技术对板中微裂纹检测方法通过以下步骤实现：

1)按照试验装置图2连接试验设备，将超声波激励探头(7)、超声波接收探头(9)分别布置在微裂纹的两侧。

2)根据SNAP***测出激励与接收探头的频率响应特性，根据激励与接收探头的频率响应特性在幅值衰减小于-3dB的频率范围内并且根据钢板的相速度和群速度频散曲线，并且考虑接收探头对产生的和频成分接收能力以及两个基频成分和和频成分必须满足相速度和群速度匹配原理。基于以上原因确定两个激励频率和所激励的Lamb波模态。最后在声学非线性***SNAP***combine模式下激励的两个频率单一S0模态Lamb波信号。

3)根据不同频率下的S0模态Lamb波速度，计算激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时到达裂纹处。

4)从示波器中截取直达波信号，将其进行快速傅里叶变换提取和频成分和两个基频成分。计算非线性系数式(8)。

5)重复上述步骤1)～步骤3)，对不同微裂纹长度的试件进行检测，将快速傅里叶变换之后进行基频归一化，观察其变化规律。计算各自非线性系数，进而利用非线性系数对不同微裂纹长度进行评价。

6)最后根据时频分析对产生的和频成分进行模态的确认。从实验结果中验证基频成分与和频成分满足了相速度匹配和群速度匹配原理。

附图说明

图1加工试件的尺寸示意图；

图2***框图；

图3.1激励探头的频响曲线图；

图3.2接收探头的频响曲线图；

图4.11.7mm钢板的相速度频散曲线图；

图4.21.7mm钢板的群速度频散曲线图；

图4.31.7mm钢板的入射角频散曲线图；

图5.1激励0.45MHz接收探头移动前的时域图；

图5.2激励0.45MHz接收探头移动5cm后的时域图；

图5.3激励0.6MHz接收探头移动前的时域图；

图5.4激励0.6MHz接收探头移动5cm后的时域图；

图6.1无裂纹的时域图；

图6.2有裂纹的时域图；

图7不同微裂纹长度的非线性系数β图；

图8为板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法实施流程图。

图中：1、计算机，2、非线性声学测量***，3、信号选择器，4、数字示波器，5、50Ω负载阻抗匹配，6、可调衰减器，7、超声波激励探头，8、待测试件，9、超声波接收探头。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

本实施例实施过程包括以下步骤，如图8所示：

1)本实验所检测对象为Q235钢板(如图1所示)，其中厚度为1.7mm，中央开有长2mm的线切割缺口以预制疲劳裂纹。加工的不同疲劳裂纹长度分别为0cm、1cm、1.5cm、2cm。

2)将激励探头放在距疲劳裂纹右端10cm，接收激励探头放在距疲劳裂纹右端5cm处(如图2所示)。

3)测量激励与接收探头的频率响应特性(如图3.1和图3.2所示)。结合1.7mm钢板相速度频散曲线如图3.1、群速度频散曲线如图3.2，根据相速度匹配和群速度匹配原理在SNAP***combine模式下激励频率为0.45MHz和0.6MHz,激励和接收探头的楔块角度为30°，激励Lamb波单一S0模态。

4)计算激励Lamb波单一S0模态分别在0.45MHz和0.6MHz频率下通过1.7mm钢板中的群速度，根据相关函数算法(如图5.1和图5.2所示)计算的0.45MHz单一S0模态的群速度为5403.1m/s，同理如图(如图5.3和图5.4所示)计算的0.6MHz单一S0模态的群速度为5359.1m/s。为使两列信号同时到达疲劳裂纹处，通过计算得激励0.45MHz信号需要延时1μs。

5)从示波器中截取直达波信号，将其进行快速傅里叶变换提取和频成分和两个基频成分。计算非线性系数如式(8)。

重复上述步骤2)～步骤5)，对不同微裂纹长度的试件进行检测，将快速傅里叶变换之后进行基频归一化，观察其变化规律，如图6.1、图6.2。随着微裂纹长度的增加，和频成分逐渐增加的。提取基频(f₁和f₂)的幅值A(f₁)、A(f₂)以及和频(f₁+f₂)的幅值A(f₁+f₂)，计算非线性系数。重复五次得到的结果对不同疲劳裂纹长度进行评价。如图7所示，随着微裂纹长度的增加，非线性系数β是逐渐增加的，所以通过非线性Lamb波混频的方法可以对板中的微裂纹进行很好的检测。

6)根据时频分析方法确定激励和产生的模态进行分析判断，可以确定激励模态和产生和频的模态均为S0模态。充分验证了基频成分与和频成分满足了相速度匹配和群速度匹配原理。

以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不局限于钢板中微裂纹检测，还可用于其它板材进行检测如铝板，有机玻璃板等。

Claims (2)

1.板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频***，其特征在于：该***包括计算机(1)、非线性声学测量***(2)、信号选择器(3)、数字示波器(4)、50Ω负载阻抗匹配(5)、可调衰减器(6)、超声波激励探头(7)、待测试件(8)、超声波接收探头(9)；计算机(1)与非线性声学测量***(2)之间通过信号线相连，采用软件设定各种参数控制非线性声学测量***硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量***(2)的高能脉冲信号输出端通过50Ω负载(5)、可调衰减器(6)，然后与超声波激励探头(7)相连；超声波接收探头(9)接收透过试件的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量***通道1，通过非线性声学测量***(2)的射频信号监控端与信号选择器(3)相连，将接收信号送入数字示波器(4)。

2.依权利要求1所述的板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频***，板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法，其特征在于：本方法通过以下步骤实现：

1)按照试验装置连接试验设备，将超声波激励探头(7)、超声波接收探头(9)分别布置在微裂纹的两侧；

2)根据SNAP***测出激励与接收探头的频率响应特性，根据激励与接收探头的频率响应特性在幅值衰减小于-3dB的频率范围内并且根据钢板的相速度和群速度频散曲线，并且考虑接收探头对产生的和频成分接收能力以及两个基频成分和和频成分必须满足相速度和群速度匹配原理；基于以上原因确定两个激励频率和所激励的Lamb波模态；最后在声学非线性***SNAP***combine模式下激励的两个频率单一S0模态Lamb波信号；

3)根据不同频率下的S0模态Lamb波速度，计算激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时到达裂纹处；

4)从示波器中截取直达波信号，将其进行快速傅里叶变换提取和频成分和两个基频成分；

5)重复上述步骤1)～步骤3)，对不同微裂纹长度的试件进行检测，将快速傅里叶变换之后进行基频归一化，观察其变化规律；计算各自非线性系数，进而利用非线性系数对不同微裂纹长度进行评价；

6)最后根据时频分析对产生的和频成分进行模态的确认；从实验结果中验证基频成分与和频成分满足了相速度匹配和群速度匹配原理。