CN101393172A - 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 - Google Patents
非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101393172A CN101393172A CNA2008101554521A CN200810155452A CN101393172A CN 101393172 A CN101393172 A CN 101393172A CN A2008101554521 A CNA2008101554521 A CN A2008101554521A CN 200810155452 A CN200810155452 A CN 200810155452A CN 101393172 A CN101393172 A CN 101393172A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sample
- solid material
- solid
- crackle
- free
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title abstract description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 claims description 25
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 claims description 12
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 6
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 3
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 239000013074 reference sample Substances 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 abstract 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 206010016256 fatigue Diseases 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000006854 communication Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹：先采用压电材料制备的探头对一端固定、一端自由的固体材料标准棒发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探头激发的声波的频率为固体材料标准棒的共振频率，用FFT方法来分析接收信号的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料标准棒上裂纹的位置和高次谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置。本发明可无损检测固体中的微小裂纹，所得的参量对裂纹的变化比线性声学参量敏感。
Description
一、技术领域
本发明涉及无损检测固体中的裂纹的新方法，即采用非线性共振声谱法对固体材料的裂纹进行定征。
二、背景技术
建筑材料在使用过程中会产生老化和裂纹的现象，裂纹大量地存在于工程结构中，如何快速地识别它们的位置和形状，是无损检测的主要任务。近年来，无损检测(NDT)技术在工业中的应用向定量化和无损评价(NDE)的方向发展。
目前用于表面微裂纹检测的常规方法有：超声法、涡流法、射线探伤法等[1～5]。超声法的基本原理：利用超声波在介质中传播的性质来判断工件材料的缺陷和异常。超声检测主要是利用超声波在传播过程中遇到异质界面时产生的透射、反射和折射现象，对超声信号进行分析与处理而提取出缺陷的特征。
随着科学技术的发展，许多物理现象被不断加以利用，使常规方法不断发展，例如电磁超声检测技术(EMATS)和激光超声检测技术也随之产生并被应用。电磁超声方法是基于涡流和磁场的交互作用，利用电磁超声探头产生和接收超声导波的一种非接触式检测技术。激光超声检测是近几年发展起来的一项检测新技术，它通过将强度被调制的脉冲激光束照射在被测件表面产生超声波，经改变实验参数，激光超声源能激发出纵波、横波、表面波等各种导波。由于超声信号既可由激光激励产生，又可利用光学方法检测，因此能实现完全非接触检测和快速扫描成像，更便于在高温、强震等恶劣条件下实现无损检测[6]。此外，利用锁模激光器，很容易获得与激光脉冲宽度相近的超声脉冲，其频带远宽于常规换能器所产生的超声，因此，基于超声衍射方法形成的缺陷检测技术，对被测件表面及近表面的微小裂纹都很敏感，检测准确度也比其他无损检测方法高[7，8]。
但是目前对此材料的超声检测方法还只是限于一种线性的参量，例如声速和声衰减，通过有缺陷情况下声速和声衰减的变化来探测固体内部的缺陷。这种方法有明显的缺陷，即对较大的缺陷很敏感，但对一些很小，很细微的缺陷(比如裂纹)就很不敏感。所以需要发展一种新的技术，能检测到固体内部的裂纹的位置。
[1].无损检测学会.无损检测新技术.北京：机械工业出版社，1993.
[2].应崇福.超声学.北京：科学出版社，1990.
[3].C B Scruby.Some application of laser ultrasound.Ultrasonics，1989，127：195—209.
[4].Huge savings in large area and complex surface inspection using laserultrasonic.Insight，1996，38(1).
[5].Q Shan.Surface breaking fatigue crack detection using laserultrasound.Appl Phys，1993，62(21).
[6].王淑娟，赵再新，翟国富，基于电磁超声的火车车轮裂纹检测系统，仪表技术与传感器，2005，11：27-29
[7].苏琨，任大海，李建，尤政，基于激光超声的微裂纹检测技术的研究，光学技术，2002，28，6：518-522
[8].J P Monchalin.Laser ultrasonic developments towards industrialapplications.IEEE Ultrasonics Symposium.1988.
三、发明内容
研究表明在固体棒的共振模式下，声波在带有裂纹的固体中传播时会产生很明显的非线性现象，即除了有基波外，还会产生高次谐波，而且奇次谐波比偶次谐波要更为明显，这是非经典非线性声学的一个特征。本发明目的是：提出一种新型的无损检测固体材料的裂纹的方法，即非线性共振声谱法，即分析接收信号中的高次谐波的变化，来检测裂纹的位置。在此基础上，可进一步研究采用此方法测定建筑材料的损坏、疲劳损伤的程度，利用此方法对核电站、化工厂设备、大坝等由地震活动引起的裂纹位置、尺寸进行监控，协助设计防震结构。
本发明的技术方案：非线性共振声谱法检测固体裂纹的方法为先采用压电材料制备的探头对固体材料发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探头激发的声波的频率为固体材料(标准棒)的共振频率，用FFT方法来分析接收信号的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料(标准棒)上裂纹的位置和高次谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置。
利用接收到信号的高频谐波分量来反推裂纹的位置，根据理论分析：当已知奇次谐波之比，我们就可以利用下列公式来反推裂纹的位置：
采用一端固定，一端自由非对称边界条件的方式，可推知：
当
裂纹距离自由端的位置Xd：
这里：L为棒长，X3，1和X5，1为第一共振模式下的三次谐波和五次谐波的幅值。在第二模式可得到类似的结果。
本发明与现有技术相比具有的优点是：现有的声学方法是采用线性的方法，即采用声速和声衰减，只能检测到尺度较大的缺陷，而本发明提出的方法可以检测微米级的裂纹，可对固体材料的早期疲劳提供参考依据。
本发明结构的特点是：在固体棒的共振模式下激发换能器，用加速度计来接收信号，然后分析其频谱，从而得到其各次高阶谐波大小。根据高阶谐波与裂纹位置的关系，结合非线性共振频率的偏移，反推裂纹的位置。
四、附图说明
图1实验系统框图
图2参考样品的实验结果
图3破损样品的实验结果
图3(a)破损距离自由端120mm；图3(b)破损距离自由端40mm。
五、具体实施方式
实验系统测量框图见图1所示，为验证理论的正确性，我们制作了一系列混凝土样本对透射声波进行分析。混凝土样本由水泥和细沙按1:3比例混合搅拌均匀，置入木板做成的模型后凝固形成。木板模型为长方体，统一尺寸为长0.16m，宽0.06m，高0.06m。为观测非经典非线性，我们在一样本上人为制造了一破损区域模拟裂纹的存在。具体制作方法是在样本长度方向上0.012m处，埋入一两端封闭的空心硬质塑料管代替裂纹，塑料管长0.03m，直径为0.003m。
实验时，接收换能器与发射换能器分别置于混凝土长的两端，样品第一共振频率在4kHz左右，第二共振频率在10KHz左右，由于换能器带宽和功率限制，我们选择在第二共振模式下进行实验，信号采用调制信号，脉宽为10ms，一个脉宽中含50个周期。对于无损样品，发射信号取300mv，透射信号的功率谱如图2。从图(2)可以知道，无损样品的第二共振频率为10.006KHz，经典非线性对于三次以上的高次谐波影响极小，可以忽略，但对二次谐波影响还是非常明显。将样品替换为有损样品，此时破损距离自由端(加速度计端)为120mm，发射信号为300mv时，接收到的信号功率谱为图3a，此时非线性共振频率的偏移为94Hz。将样品反转180°，此时破损距离自由端(加速度计端)为40mm，接收到的信号功率谱为图3b，此时非线性共振频率的偏移为18Hz。
根据公式(2)，结合非线性共振频率的偏移(缺陷离自由端越远，非线性共振频率偏移越大)。我们得到第一种情形样品的缺陷位置为 第二种情形样品的缺陷位置为 与实际缺陷位置基本吻合。
Claims (3)
1、非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹的方法：其特征是先采用压电材料制备的探头对一端固定、一端自由的固体材料标准棒发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探头激发的声波的频率为固体材料标准棒的共振频率，用FFT方法来分析接收信号的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料标准棒上裂纹的位置和高次谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置：
采用一端固定，一端自由非对称边界条件的方式，推知：
当
裂纹距离自由端的位置Xd：
这里：L为棒长，X3，1和X5，1为第一共振模式下的三次谐波和五次谐波的幅值。在第二模式可得到类似的结果。
2、根据权利要求1所述的非线性共振声谱法无损检测固体裂纹的方法：其特征是发射端的样品通过实验支架与负载紧密相联，从而保证发射端为绝对硬边界，即固定端；加速度计通过耦合剂与样品的另一端相联，在样品和加速度之间加一0.09kg的铝板以增加它们之间的耦合性。加速度计和铝板的总重量很轻，因此可以看成是声学软边界，即自由端。
3、根据权利要求1所述的非线性共振声谱法无损检测固体裂纹的方法：其特征是采用两种样品用于实验，一种是水泥和细沙混合的样品，没有塑料管的填埋，我们称之为参考样品。另一种是破损样品，在水泥和细沙混合物有一个中空塑料管的填埋，塑料管的方位与样品的长度方向垂直，填充物的位置与棒的中点相距40mm。实验中的第一种情形，破损样品中的塑料管与自由端的距离为120mm；实验中的第二种情形，将样品反转180°,破损样品中的塑料管与自由端的距离为40mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2008101554521A CN101393172A (zh) | 2008-10-22 | 2008-10-22 | 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2008101554521A CN101393172A (zh) | 2008-10-22 | 2008-10-22 | 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101393172A true CN101393172A (zh) | 2009-03-25 |
Family
ID=40493570
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2008101554521A Pending CN101393172A (zh) | 2008-10-22 | 2008-10-22 | 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101393172A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102175770A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-09-07 | 南京大学 | 多裂纹的非线性超声定位方法 |
| CN104515812A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-15 | 上海工程技术大学 | 一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法 |
| CN107764897A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-06 | 四川升拓检测技术股份有限公司 | 基于空气加速度的非接触式连续移动式无损检测方法 |
| CN109765295A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-05-17 | 同济大学 | 一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置 |
| CN109935376A (zh) * | 2017-12-18 | 2019-06-25 | 中国核动力研究设计院 | 一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法 |
| CN112146698A (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-29 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种监测行车车轮状态的方法 |
| CN114295726A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-08 | 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 | 换热器板片裂纹检测装置及其裂纹检测方法 |
| WO2023233167A1 (en) * | 2022-06-01 | 2023-12-07 | Theta Technologies Ltd | Method of non-linear non-destructive testing of a testpiece |
-
2008
- 2008-10-22 CN CNA2008101554521A patent/CN101393172A/zh active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102175770A (zh) * | 2011-01-07 | 2011-09-07 | 南京大学 | 多裂纹的非线性超声定位方法 |
| CN102175770B (zh) * | 2011-01-07 | 2012-11-07 | 南京大学 | 多裂纹的非线性超声定位方法 |
| CN104515812A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-15 | 上海工程技术大学 | 一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法 |
| CN104515812B (zh) * | 2014-11-19 | 2017-04-05 | 上海工程技术大学 | 一种针对变截面构件体内微裂纹的非经典非线性检测方法 |
| CN107764897A (zh) * | 2017-10-17 | 2018-03-06 | 四川升拓检测技术股份有限公司 | 基于空气加速度的非接触式连续移动式无损检测方法 |
| CN109935376A (zh) * | 2017-12-18 | 2019-06-25 | 中国核动力研究设计院 | 一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法 |
| CN109935376B (zh) * | 2017-12-18 | 2022-06-28 | 中国核动力研究设计院 | 一种核电厂严重事故下β射线对仪表损伤的量化方法 |
| CN109765295A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-05-17 | 同济大学 | 一种混凝土表面微裂缝的激光超声快速检测方法及装置 |
| CN112146698A (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-29 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种监测行车车轮状态的方法 |
| CN112146698B (zh) * | 2019-06-28 | 2022-03-15 | 上海梅山钢铁股份有限公司 | 一种监测行车车轮状态的方法 |
| CN114295726A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-04-08 | 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 | 换热器板片裂纹检测装置及其裂纹检测方法 |
| WO2023233167A1 (en) * | 2022-06-01 | 2023-12-07 | Theta Technologies Ltd | Method of non-linear non-destructive testing of a testpiece |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101393172A (zh) | 非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹 | |
| CN201322742Y (zh) | 超声导波复合式无损检测装置 | |
| Kaczmarek et al. | Noncontact ultrasonic nondestructive techniques: state of the art and their use in civil engineering | |
| CN101140265B (zh) | 采用非线性共振频率的偏移测定混凝土含水量和裂纹的方法 | |
| CN112098512B (zh) | 一种基于声波局部共振散射特性的灌浆套筒灌浆缺陷检测方法 | |
| Na et al. | Lamb waves for detecting delamination between steel bars and concrete | |
| CN101666783A (zh) | 超声导波复合式无损检测方法及其装置 | |
| Li et al. | Inspection of reinforced concrete interface delamination using ultrasonic guided wave non-destructive test technique | |
| Stepinski | Novel instrument for inspecting rock bolt integrity using ultrasonic guided waves | |
| CN108802203B (zh) | 一种基于多模态技术的杆状构件内部缺陷定位方法 | |
| CN105424804A (zh) | 一种再制造复合材质零件缺陷超声检测方法 | |
| CN110887898B (zh) | 一种基于超声导波的方管检测方法及装置 | |
| Ongpeng et al. | Contact and noncontact ultrasonic nondestructive test in reinforced concrete beam | |
| CN105806944A (zh) | 一种缆索疲劳损伤的检测方法及装置 | |
| Cawley | Guided waves in long range nondestructive testing and structural health monitoring: Principles, history of applications and prospects | |
| CN112730613B (zh) | 一种复合板粘接层性能退化评估方法 | |
| CN113030259A (zh) | 一种基于无损检测道路桥梁维护方法 | |
| CN218911991U (zh) | 一种内建环形超声波传感器阵列的智能灌浆套筒 | |
| CN105424798A (zh) | 一种主动检测金属薄壁结构件中缺陷的方法 | |
| Qatu et al. | Structure damage localization using a reliable wave damage detection technique | |
| CN116026921A (zh) | 一种内建环形超声波传感器阵列的智能灌浆套筒系统 | |
| CN213068722U (zh) | 一种用于检测网架结构损伤的超声装置 | |
| Thompson | Experiences in the use of guided ultrasonic waves to scan structures | |
| CN205844262U (zh) | 一种钢管大尺度可再生混凝土空洞检测装置 | |
| CN114441637B (zh) | 一种基于非线性Lamb波零频分量的损伤定位成像方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20090325 |