板中微裂紋檢測用非線性Lamb波混頻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非線性Lamb波檢測方法，特別是一種基于混頻效應(yīng)的非線性Lamb波混頻檢測方法，用于板中微裂紋檢測與評價，屬于無損檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 板狀或類板狀（如殼體）金屬結(jié)構(gòu)在各類裝備中廣泛使用，如大型儲罐、飛機的機 身、機翼和艙門等。在服役過程中，這些板類金屬構(gòu)件在內(nèi)部因素（如運動部件傳遞的交變 載荷）和環(huán)境因素（如腐蝕、溫度、外界載荷等）作用下，會逐漸老化，表現(xiàn)為出現(xiàn)不同程度 的損傷。在各類損傷中，疲勞裂紋對結(jié)構(gòu)的潛在危害性最大。據(jù)統(tǒng)計，80%以上的機械零部 件的失效是由疲勞損傷所引起。主要原因在于，疲勞裂紋是一種不穩(wěn)定性缺陷，在結(jié)構(gòu)運行 條件下，即使是很小的裂紋，在交變載荷、溫度等因素的影響下，也可能迅速擴展，產(chǎn)生突然 斷裂，導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。因此，采取有效的手段實現(xiàn)承載板狀金屬結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的早 期檢測、定位和評估，對于確保重大基礎(chǔ)設(shè)施的正常運行和人們生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。
[0003] 超聲檢測中使用的超聲波波型有多種，如體波（縱波和橫波）、蘭姆波、表面波等。 對于板類結(jié)構(gòu)檢測，現(xiàn)有研究中大多使用蘭姆波，因為板結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導(dǎo)波稱為蘭姆 波（LambWave)。由于蘭姆波在板中傳播時聲場遍及整個壁厚，傳播距離較長且衰減較小， 因此蘭姆波廣泛應(yīng)用于板狀結(jié)構(gòu)的無損檢測。傳統(tǒng)蘭姆波技術(shù)方法利用超聲波通過損傷時 發(fā)生反射、散射以及模態(tài)轉(zhuǎn)換等線性特征，可以很好實現(xiàn)板中開口裂紋及腐蝕等較大損失 檢測，但難以實現(xiàn)板中疲勞微裂紋檢測。非線性蘭姆波檢測技術(shù)依據(jù)超聲波與缺陷相互作 用產(chǎn)生的非線性效應(yīng)對結(jié)構(gòu)損傷情況做出評價，它對于板中的微缺陷（熱損傷、疲勞損傷、 微裂紋等）表現(xiàn)出很高的敏感性。
[0004] 非線性超聲技術(shù)主要關(guān)注材料的非線性聲學(xué)響應(yīng)，依據(jù)檢測信號中非激勵帶寬內(nèi) 其它頻率分量的變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)早期損傷檢測。根據(jù)檢測原理，非線性超聲檢測可分為振動 聲調(diào)制法、非線性諧振法、混頻法和諧波法，其中諧波法是目前研究中使用最多的方法，但 檢測結(jié)果受檢測儀器及探頭本身非線性產(chǎn)生的諧波影響大；振動聲調(diào)制技術(shù)對界面接觸狀 態(tài)及閉合裂紋檢測具有優(yōu)勢，但該方法需額外向待檢測試件上施加低頻振動以及有邊界 非線性影響，檢測系統(tǒng)較復(fù)雜；而非線性諧振法對檢測系統(tǒng)及換能器頻帶要求較高?；祛l技 術(shù)（又稱波束混疊技術(shù)）基于兩列不同頻率的波在介質(zhì)中交互作用特性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢 測。如果介質(zhì)是連續(xù)的，當(dāng)兩列波相遇時，滿足線性疊加原理，不會產(chǎn)生新的頻率分量；如果 介質(zhì)有不連續(xù)性，即存在非線性區(qū)域，當(dāng)兩列波在該區(qū)域相遇時，將發(fā)生相互作用，在頻域 中會觀察到新的頻率分量，而且該方法的檢測結(jié)果不受儀器非線性的干擾。
[0005]國內(nèi)外學(xué)者在金屬板結(jié)構(gòu)的蘭姆波非線性效應(yīng)及損傷檢測方面開展了大量卓有 成效的研究工作。在這些研究工作中，解放軍后勤工程學(xué)院鄧明晰教授在《平面固體結(jié) 構(gòu)中蘭姆波二次諧波的發(fā)生與傳播研究》在理論上他首次給出了蘭姆波積累二次諧波聲 場的解析解，并通過實驗證明了蘭姆波的強烈非線性效應(yīng)。Deng和PruellC等分別在 《Analysisofsecond-harmonicgenerationofLambwavespropagatinginlayered planarstructureswithimperfectinterfaces))((Evaluationoffatiguedamage usingnonlinearguidedwaves.SmartMaterialsandStructures〉〉中石開究了 非線性 Lamb波的二次諧波的積累效應(yīng)對板中的疲勞損傷檢測的可行性進(jìn)行分析。PruellC等 在《EvaluationofplasticitydrivenmaterialdamageusingLambwavesApplied PhysicsLetters》中通過非線性Lamb波對板中疲勞損傷進(jìn)行分析。鄧明晰在《層狀 固體結(jié)構(gòu)表面性質(zhì)的非線性蘭姆波定征方法》提出應(yīng)力波損傷因子的概念對層狀固體 板結(jié)構(gòu)的疲勞、高溫蠕變和表面性質(zhì)微小變化的非線性累積損傷進(jìn)行了研究。XuΗ等 在〈〈Time-frequencyanalysisfornonlinearLambwavesignal〉〉中通過時步頁分析的 方法對通過理論和實驗分析了鋁板中非線性Lamb波的二次諧波的激發(fā)效率。LiW等在 ((DetectionofthermalfatigueincompositesbysecondharmonicLambwaves〉〉中 應(yīng)用非線性Lamb波對熱損傷的材料進(jìn)行檢測與評估。美國喬治亞理工學(xué)院的Kim教授在 《Feasibilityofusingnonlinearguidedwavestomeasureacousticnonlinearity ofaluminum》、美國西北大學(xué)的曲建民教授在《材料力學(xué)性能退化的超聲無損檢測與評價》 對不同金屬板結(jié)構(gòu)中微裂紋、塑形應(yīng)變、疲勞損傷等缺陷進(jìn)行了檢測。以上都是通過非線性 Lamb波的二次諧波方法對板中疲勞損傷的檢測，但是檢測結(jié)果受檢測儀器及探頭本身非線 性產(chǎn)生的諧波影響大，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確。孫俊俊等在《結(jié)構(gòu)微裂紋混頻非線性超聲檢 測方法研究》中采用異側(cè)激勵模式下對鋼制試塊中閉合裂紋進(jìn)行了共線混頻檢測。樊仲祥 等在專利[一種用于微裂紋長度測量的非共線混頻超聲檢測方法]基于非共線檢測方法對 對鋼制試塊中閉合裂紋進(jìn)行混頻檢測。Croxford等在《Theuseofnon-conlinearmixing fornonlinearultrasonicdetectionofplasticityandfatigue〉〉中利用斜探頭在錯制 試件兩端激勵斜入射剪切波，實現(xiàn)了試件中塑性變形及疲勞損傷的檢測。周正干等在《SiCP 顆粒增強鋁基復(fù)合材料非共線非線性響應(yīng)試驗觀察》及專利[一種非共線非線性超聲無損 檢測方法]中利用非共線激勵方法對SiCp顆粒增強鋁基復(fù)合材料的均勻性進(jìn)行了混頻檢 測。以上的方法都是基于體波混頻進(jìn)行檢測，由于體波混頻的方法無法對板材中微缺陷進(jìn) 行檢測。目前，在板結(jié)構(gòu)非線性蘭姆波研究中，除在文獻(xiàn)《AfeasibilitystudyforLamb wavemixingnonlineartechnique》中利用混頻效應(yīng)對板結(jié)構(gòu)中熱損傷進(jìn)行了可行性驗證 外，利用混頻效應(yīng)對板結(jié)構(gòu)早期損傷，特別是疲勞裂紋的檢測，還鮮見報道。所以本專利發(fā) 明一種基于非線性Lamb波混頻效應(yīng)的方法對板中微裂紋進(jìn)行檢測。本發(fā)明可以克服儀器 以及探頭本身非線性的影響，使用非線性Lamb波混頻的方法對板中的微裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確的 檢測以及評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在提出一種非線性Lamb波混頻的方法對板中微裂紋進(jìn)行檢測與評價。 該方法采用一激一收檢測模式，即一個固定角度斜探頭同時激勵兩個頻率的單一S0模態(tài) Lamb波信號通過不同鋼板試件中不同長度的微裂紋，然后用一個固定角度斜探頭進(jìn)行接 收。將接收到的信號進(jìn)行FFT分析，提取和頻成分和兩個基頻成分，最后依據(jù)非線性系數(shù)對 不同微裂紋長度進(jìn)行評價。最后根據(jù)時頻分析確定產(chǎn)生的和頻成分的模態(tài)。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種非線性Lamb波混頻超聲檢測方 法，當(dāng)板材中存在閉合裂紋時一維非線性彈性波動方程表示為
[0008]
(1 )
[0009] 式中：c為聲波在介質(zhì)中傳播速度；x為聲波傳播的距離；β為非線性聲學(xué)特征系 數(shù)；u為質(zhì)點振動位移，其與應(yīng)變ε(x，t)之間的關(guān)系為=
[0010] 根據(jù)波擾動理論，并利用逐步近似解法求解時，設(shè)式（1)的解為：
[0011] u(x,t) =U(o)+0U(1) (2)
[0012] 式中：u(1)表示由于非線性引起的位移。若定義u(1)與波傳播方向成正比，則：
[0013] u(1) = xf( τ ) (3)
[0014] 式中：τ=t-x/c;而f(τ)為待定的未知數(shù)。
[0015] 現(xiàn)定義輸入兩個頻率的超聲信號，BP
[0016] u°(x,t) =A^os(f!τ) +A2cos(f2τ) (4)
[0017] 式中：ApA2為諧波幅值；fpf2分別為兩諧波的中心頻率，與波速c、波數(shù)h的關(guān)系 為fi=k
[0018] 將式⑷和⑶代入（2)，進(jìn)一步代入式⑴得到：
[0019]
[0020] 故求得質(zhì)點振動位移u(X，t)為
[0021]
[0022] 從（6)可知，除信號頻率匕和f2外，還產(chǎn)生高頻諧波2fJP2f2以及混頻信號頻率 成分，即fi-fjPf1+f2。因此，混頻現(xiàn)象理解為兩個以上位移場的疊加情況下出現(xiàn)的材料非 線性超聲。由式（6)得到基頻幅值A(chǔ)^) = A(f2) =A2，和頻幅值從=
[0023] 如果能夠從測量信號中提取各階頻率分量的幅值，非線性系數(shù)計算如下
[0024]
[0025] 在傳播距離和波數(shù)相同的條件下，簡化為非線性系數(shù)β如下，
[0026]
[0027] 為實現(xiàn)上述技術(shù)方案的分析，本方法采用的試驗裝置參見圖2,該系統(tǒng)包括計算 機（1)、非線性聲學(xué)測量系統(tǒng)（2)、信號選擇器（3)、數(shù)字示波器（4)、50Ω負(fù)載阻抗匹配 (5)、可調(diào)衰減器（6)、超聲波激勵探頭（7)、待測試件（8)、超聲波接收探頭（9);計算機（1) 與非線