CN100510738C - 利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法。采用了专门的信号放大器作为信号源，将压电传感器直接安装在试件边缘激发瑞雷波，再利用激光干涉仪采集试件表面的瑞雷波信号，然后，对采集到的瑞雷波信号进行快速傅立叶变换，得到了信号中的基频和高频成分，并进一步确定出材料的相对声学非线性系数。本发明可以有效、准确地测量材料的声学非线性系数。

Description

利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法

技术领域

本发明涉及一种利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法，属于金属材料性能退化的无损检测技术领域。

背景技术

对机械设备和工程结构中的在役结构元件来说，在外载荷的作用(包括环境作用)下，其寿命一般可分为三个阶段：早期的力学性能退化(包括物理、化学的老化和退化)、损伤的起始与积累(微孔和微裂纹)以及最后的断裂失效。其中，损伤的起始与积累已在细观力学、损伤力学以及两者相结合的学科基础上进行了广泛地研究。现在也已有众多数据和大量模型来预测循环加载、环境影响下的裂纹扩展直至最后破坏。然而，人们对于性能退化及其对材料长期行为的影响却知之甚少。尽管由于多种载荷的相互作用以及环境因素的影响，这几个阶段的区分并不明确。但对于设计良好的结构元件来说，常是第一阶段(即早期力学性能退化)占据了整个寿命的大部分时间。例如，有研究表明：对承受循环载荷的金属结构材料来说，从内部位错群的大量产生到驻留滑移带的形成，再到驻留滑移带内微裂纹的成核、长大，直至宏观裂纹的形成，这一阶段占结构材料整个疲劳寿命的80-90％。因此，研究发展材料和结构早期力学性能退化的超声无损检测就显得十分重要。

超声无损检测技术作为现代工业产品制造和使用过程中不可缺的检测手段之一，在各个方面都有着广泛的应用。目前比较成熟的超声无损检测技术主要针对材料或结构的缺陷起始和积累阶段以及最终失效阶段，如探测材料中的微孔、微裂纹等缺陷的存在和分布。其中主要应用到波的时程、声速、衰减、阻抗、散射等信息。但是，这些参数对材料和结构早期力学性能的退化很不敏感。

近年来，非线性超声技术引起了人们的广泛重视。越来越多的研究表明，材料性能退化与超声波的非线性效应密切相关。比如对金属材料来说，在晶体承受疲劳、高温蠕变、高速冲击等加载过程中，以及在剪切带中和裂纹前缘，内部存在高度有序和高度非均匀的位错空间结构，称之为位错组态或位错花样。不同的材料和不同的力学过程会产生不同的位错组态。虽然这些位错组态对波的声速、衰减、阻抗以及散射等线性参数影响不明显，但由于这些位错组态的存在，将使其中传播的超声波波形产生畸变，导致单一频率的超声波中会有高频谐波的产生，即单一频率的超声波在具有非线性特性的介质或结构中传播时将产生二倍、三倍等整数倍频率的高阶谐波。因此通过对这些高频谐波的测量研究，找到其处于不同阶段的声学非线性系数，就可以了解材料内部微观位错组态的变化，从而对材料和结构的早期力学性能退化做出有效的无损检测。

由于在材料的早期性能退化阶段，其非线性非常小，一般很难测量其声学非线性系数，非常容易被来自于信号放大器、传感器、信号采集系统等测量系统本身的非线性所掩盖，所以必须采取一些特殊的试验方法和手段以保证测量结果的准确可靠。目前仅有少数利用体波对此进行相应的测量的报道，但它的缺点是不适合于对较大型的板材结构的声学非线性系数的测量。也有极少数报道用瑞雷波进行声学非线性系数的测量，但其中利用了斜劈来激发瑞雷波，要求需要相当高的信号源电压，那么在这种较高电压下进行声学非线性系数的测量时，就不可避免地存在来自于测试系统非线性地影响，不能保证测量结果的准确可靠。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法。利用将压电传感器直接安装在试件的边缘，激发瑞雷表面波，然后用激光干涉仪采集试件表面的瑞雷波信号，采取对瑞雷波信号多次平均的方法以提高瑞雷波信号的信噪比，并有效抑制测试过程中随机因素的影响，对多次平均后的瑞雷波信号应用汉宁窗函数，消除仪器设备暂态过程对测量结果的影响，然后进行快速傅立叶变换，得到信号中的基频和高频成分A₁、A₂，将A₁、A₂带入公式即可得到试件材料的声学非线性系数。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法，它包括如下步骤：

(1)瑞雷表面波的激发：选用一种油脂作为压电传感器与试件之间的耦合剂，利用激发瑞雷波的装置将压电传感器固定在被测试件边缘，并用角度调节螺钉调节压电传感器的角度，以保证正确激发一定强度的瑞雷表面波。采用一种专门的信号放大器作为信号源，对所输出正弦脉冲信号，取其周期为30～50、频率为4.8～5.2MHz。利用衰减装置将信号电压降到一定幅值以下，同时还采用一个低通滤波器来抑制信号中的高频成分；

(2)瑞雷波信号的采集：利用激光干涉仪采集试件表面的瑞雷波信号。该激光干涉仪的频率带宽为100kHz到15MHz，由于它采用的是一种非接触测量的方式，所以不但可以有效地采集信号的高频成分，而且还对测试过程和测试试件来说没有任何外加干扰，从而能够保持较高的测量精度，有效、可靠地检测瑞雷波中的高频成分。然后，利用示波器对采集到的信号进行800～1000次的平均，以提高瑞雷波信号的信噪比，并有效抑制测试过程中随机因素的影响。对多次平均后的瑞雷波信号应用汉宁窗函数，消除仪器设备暂态过程对测量结果的影响；

(3)测试系统可靠性检测：对同一个试件，同样的波传播距离，采用在不同输入电压的情况下来驱动压电传感器，并测量相应的瑞雷波信号，通过对不同驱动电压检测到的瑞雷波信号进行快速傅立叶变换，得到不同驱动电压下瑞雷波的基频幅值A₁和倍频幅值A₂；

(4)不同传播距离的瑞雷波信号采集：根据试件尺寸，在距离压电传感器距离不同的点，利用激光干涉仪采集瑞雷波信号，距离间隔可选择5～10mm之间，信号采集点为5～7个点，对采集到的信号多次平均并应用汉宁窗函数后，记录波的实际传播距离，存储波信号，以便进行后续的信号分析；

(5)试验的可重复性操作。将激发瑞雷波的压电传感器完全移开试件，清理干净耦合剂，然后完全重复步骤(1)的工作，即加耦合剂，固定压电传感器于试件边缘，调节角度调节螺钉以保证正确激发一定强度的瑞雷表面波；接着，再重复步骤(4)中的工作，对同一试件进行不同传播距离的瑞雷波信号采集，进行2—3次的重复测试，以保证测试结果的可靠和准确。

本发明的优点在于：

(1)利用瑞雷表面波进行材料非线性系数的测量，同利用体波相比，特别适合对大型复杂的板结构进行材料声学非线性系数的测量。在测量过程中，只用在结构的一侧进行超声波的激发和测量就可以了，从而使测量过程简便易行。并且，瑞雷表面波还具有能量集中在结构表面、传播距离较远等非常利于测量的优势。

(2)采用将压电传感器直接固定在试件边缘的方法激发瑞雷表面波，这种直接激发瑞雷波的优势在于它可以利用较低的电压(峰一峰电压低于60伏特)驱动压电传感器，从而有效抑制检测到的瑞雷波信号中来自于压电传感器本身以及测试系统其他环节的非线性，保证试验结果的准确、可靠。

(3)利用激光干涉仪这种非接触的测量方式检测试件表面的瑞雷波信号，具有频带宽的优势，一般在100kHz到15MHz之间。同时由于激光干涉仪采用的是一种非接触测量的方式，所以它不但可以有效地采集信号的高频成分，而且还对测试过程、测试试件没有任何外加干扰，从而能够保持较高的测量精度，有效、可靠地检测瑞雷波中的高频成分。

附图说明

图1为本发明的试验测量装置示意图；

图2为本发明中激发瑞雷波的装置示意图；

图3为本发明中信号电压增大时倍频幅值与基频幅值平方的关系图；

图4为本发明测量不同铝合金材料的相对声学非线性系数的试验结果；

其中：(a)为铝合金AA2024的试验结果；

      (b)为铝合金AA6061的试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

以利用瑞雷表面波测量铝合金AA2024、AA6061的声学非线性系数，具体实施步骤为：

(1)瑞雷表面波的激发：将材料为铝合金AA2024的试件表面仔细地抛光打磨后，选用油脂作为压电传感器与试件之间的耦合剂，如图2所示，将试件通过螺栓固定在支架上，通过角度调节螺钉使压电传感器与试件边缘紧密接触。调节角度调节螺钉，使激发的瑞雷波强度最大。如图1所示，采用RITEC RAM-5000 Mark IV门电路信号放大器作为产生信号的信号源，选取所输出正弦脉冲信号的周期为30、频率为4.8MHz。对这个高压正弦脉冲信号，利用20dB的衰减装置将信号电压降到60Vpp以下，同时还采用一个低通滤波器抑制信号中的高频成分。将该脉冲信号输入固定于试件边缘的压电传感器，即可激发一定强度的瑞雷表面波。图1中的示波器1用于对输入脉冲信号的监视和记录。

(2)瑞雷波信号的采集：利用激光干涉仪采集试件表面的瑞雷波信号。该激光干涉仪的频率带宽为100kHz到15MHz。同时由于激光干涉仪采用的是一种非接触测量的方式，所以它不但可以有效地采集信号的高频成分，而且还对测试过程、测试试件没有任何外加干扰，从而能够保持较高的测量精度，有效、可靠地检测瑞雷波中的高频成分。利用图1中的示波器2对采集到的信号进行1000次的平均，这不但可以有效抑制测试过程中一些随机因素的影响，还可以有效降低瑞雷波信号中的噪声成分。将该信号传输到计算机存储以备进行后续的信号处理。对多次平均后的瑞雷波信号应用汉宁窗函数，消除仪器设备暂态过程对测量结果的影响。

(3)测试系统可靠性检测：对同一试件、同样的波传播距离，采用在不同输入电压的情况下来驱动压电传感器，并测量相应瑞雷波信号。选取脉冲信号输入电压的峰—峰值范围为32～60伏特，在该范围内选取6个左右的电压值采集瑞雷波信号，并对检测到的瑞雷波平均以及应用汉宁窗后进行快速傅立叶变换，即可得到不同驱动电压下瑞雷波的基频幅值A₁和倍频幅值A₂。如图3所示为随着驱动电压的增加，倍频幅值A₂与基频幅值平方A₁ ²之间的关系。显然，在不同的驱动电压下，对同一试件来说，当波的传播距离相同时，瑞雷波信号中的倍频幅值A₂与基频幅值的平方A₁ ²成正比关系，即相对非线性系数β`在不同的驱动电压下保持为常数。这说明正弦脉冲信号电压对相对非线性系数的测量几乎没有影响。特别是这种正比关系在正弦脉冲信号电压较高时更为明显，因此在测量中所选用的驱动电压峰—峰值范围为45～60伏特。

(4)不同传播距离的瑞雷波信号采集：根据试件尺寸，在距离传感器不同距离的点利用激光干涉仪采集瑞雷波。距离间隔可选择5毫米到10毫米之间，信号采集点为5～7个点。同样，对采集到的瑞雷波信号进行1000次的平均并应用汉宁窗函数后，存储该波信号，同时记录波下的实际传播距离，以便进行后续的信号分析。

(5)试验的可重复性操作：将激发瑞雷波的压电传感器从图2所示的装置中完全移开，清理干净耦合剂。然后完全重复步骤(1)的工作，即加耦合剂，固定压电传感器于同一试件边缘，调节角度调节螺钉，保证正确激发一定强度瑞雷表面波。接着，再重复步骤(4)中的工作，对同一试件进行不同传播距离的瑞雷波信号采集。一般来说，进行2—3次的重复测试，以保证测试结果的可靠和准确。

(6)对另一个试件的试验测量：对另外一种材料为铝合金AA6061的试件，重复上述(1)～(5)的试验步骤，采集其不同传播距离下的瑞雷波信号。

(7)材料的非线性系数的确定：对瑞雷波来说，其绝对声学非线性系数可表示为

$\mathrm{\β}=\frac{{8\mathrm{iu}}_z(2\mathrm{\ω};0)}{k_l^2{\mathrm{xu}}_z^2(\mathrm{\ω};0)}\frac{p}{k_R}(1-\frac{{2k}_R^2}{k_R^2+s^2})$

其中u_z为试件表面质点的反平面位移分量， $p^2=k_R^2-k_l^2,$ $s^2=k_R^2-k_s^2,$ k_R、k_lk_s分别为瑞雷波、纵波和剪切波的波数，x为瑞雷波传播距离。为了试验数据处理的简便，可根据上式定义并使用相对非线性系数

$\mathrm{\β}\′=\frac{A_2}{A_1^2}$

显然，它与材料的绝对非线性系数β成正比。将步骤(4)～(6)中采集到的瑞雷波信号进行快速傅立叶变换后得到的瑞雷波信号基频幅值A₁和倍频幅值A₂带入相对非线性系数的计算公式中，即可得到材料分别为铝合金AA2024和AA6061的试件在不同的瑞雷波传播距离下的相对非线性系数，如图4(a)、(b)所示。对图4(a)、(b)中的试验数据进行线性最佳曲线拟合，其最佳曲线拟合方程可表示为

${\mathrm{\β}}_i^{\text{\′}}=a_{i}x+b_i$

其中a_i为最佳拟合常数，b_i为常数，i分别为AA2024、AA6061。因此，两种材料的最佳拟合常数分别为

a_AA2024＝3.03×10^-5，a_AA6061＝4.03×10^-5

(8)试验结果准确性验证：根据对材料非线性系数和相对非线性系数的定义可知，上述最佳拟合常数α_i与材料的绝对非线性系数β成正比。在本测试中，铝合金AA6061和AA2024的最佳拟合常数比值为

$\frac{a_{\mathrm{AA}6061}}{a_{\mathrm{AA}2024}}=\frac{4.03\×{10}^{-5}}{3.03\×{10}^{-5}}=1.33.$

通过文献可知，美国学者Yost与Cantrell利用纵波方法，测量得到了AA6061与AA2024两种材料的声学非线性系数分别为：β_AA6061＝5.67，β_AA2024＝4.09。其比值为

$\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AA}6061}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AA}2024}}=\frac{5.67}{4.09}=1.39$

这两个比值非常接近。由此可见，这种利用将压电传感器直接装配在试件边缘激发瑞雷表面波的方法来测量材料的声学非线性系数是可行、可靠的，并且是比较准确的。

Claims (1)

1.一种利用瑞雷表面波测量材料声学非线性系数的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、瑞雷表面波的激发：选用适宜的耦合剂，利用支架与角度调节螺钉将压电传感器固定在被测试件边缘，其中角度调节螺钉用于调节压电传感器的角度，以保证正确激发一定强度的瑞雷表面波；采用RITEC RAM-5000Mark IV门电路信号放大器作为信号源，所输出正弦脉冲信号的周期为30～50、频率为4.8～5.2MHz；利用衰减装置将信号源电压降低到一定幅值以下，同时还采用一个低通滤波器来抑制信号源中的高频成分；将该脉冲信号输入固定于试件边缘的压电传感器，利用压电传感器直接从试件边缘激发沿试件一侧表面传播的瑞雷表面波；

(2)、瑞雷表面波信号的采集：利用激光干涉仪采集沿试件表面传播的瑞雷表面波信号，有效地采集信号中的高频成分，激光干涉仪对测试过程、测试试件没有任何外加干扰；利用示波器对采集到的信号进行800～1000次的平均，提高瑞雷表面波信号的信噪比，并有效抑制测试过程中随机因素的影响；对多次平均后的瑞雷表面波信号应用汉宁窗函数，消除仪器设备暂态过程对测量结果的影响；

(3)、测试系统可靠性检测：对同一个试件，同样的瑞雷表面波传播距离，采用不同的信号源电压电压驱动压电传感器激发瑞雷表面波，并测量相应的瑞雷表面波信号；通过对不同驱动电压下检测到的瑞雷表面波信号进行快速傅立叶变换，得到不同驱动电压下瑞雷表面波的基频幅值A₁和倍频幅值A₂；通过判断A₁/A₁ ²是否在不同驱动电压下保持为常数来检测系统可靠性；

(4)、不同传播距离下的瑞雷表面波信号采集：根据试件尺寸，在与压电传感器距离不同的点，利用激光干涉仪采集瑞雷表面波信号，距离间隔可选择5～10mm之间，信号采集点为5～7个点，对采集到的信号多次平均并应用汉宁窗函数后，记录瑞雷表面波的实际传播距离，存储采集并处理后的瑞雷表面波信号，以便进行后续的信号分析；

(5)、试验的可重复性操作：将激发瑞雷表面波的压电传感器完全移开试件，清理干净耦合剂，然后完全重复步骤(1)的工作，即加耦合剂，固定压电传感器于试件边缘，调节角度调节螺钉以保证正确激发一定强度的瑞雷表面波；接着，再重复步骤(4)中的工作，对同一试件进行不同传播下距离的瑞雷表面波信号采集，进行2—3次的重复测试，以保证测试结果的可靠和准确；

(6)、材料的非线性系数的确定：对瑞雷表面波来说，其绝对声学非线性系数可表示为：

$\mathrm{\β}=\frac{{8\mathrm{iu}}_z(2\mathrm{\ω};0)}{k_l^2{\mathrm{xu}}_z^2(\mathrm{\ω};0)}\frac{p}{k_R}(1-\frac{{2k}_R^2}{k_R^2+s^2});$

其中u_Z为试件表面质点的反平面位移分量， $p^2=k_R^2-k_l^2,$ $s^2=k_R^2-k_s^2,$ k_R、k_l、k_s分别为瑞雷表面波、纵波和剪切波的波数，x为瑞雷表面波传播距离；为了试验数据处理的简便，根据上式定义并使用相对非线性系数：

$\mathrm{\β}\′=\frac{A_2}{A_1^2};$

显然，它与材料的绝对非线性系数β成正比；将步骤(4)～(5)中采集到并处理后的瑞雷表面波信号进行快速傅立叶变换后得到的瑞雷表面波信号基频幅值A₁和倍频幅值A₂带入相对非线性系数的计算公式中，即可得到试件在不同的瑞雷表面波传播距离下的相对非线性系数。

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