CN101949894B - 一种双频超声检测界面接触强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双频超声检测界面接触强度的方法，主要包括以下步骤：首先信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校准；在待测样品中激发双频超声信号后，再利用快速傅立叶变换处理信号；将得到的电信号幅度换算成绝对位移幅度；计算非线性参量、线性接触强度和二阶接触强度值。本发明引入了绝对振动幅度的校准程序，可以计算出具体的接触强度值，从而能实现对固体界面的定量检测。采用双频激励超声进行检测，相比于已有的固体界面接触强度超声检测方法，该技术可以有效地增强固体界面接触强度的检测。

Description

一种双频超声检测界面接触强度的方法

技术领域

本发明涉及一种检测界面接触强度的方法，特别是一种采用双频超声波检测界面接触强度的方法。

背景技术

在固体界面的粘接、焊接等连接质量的无损检测中，超声手段由于其低成本、易操作等优势扮演着越来越重要的角色。由于能够分辨复合材料或复合结构中的缺陷、裂纹、脱粘和界面杂质等影响连接强度的因素，超声无损检测在建筑业、电子工业、汽车工业、航空工业、造船工业和机械工业等领域得到了越来越广泛的应用。与定量超声技术在其它方面的应用相比，固体无损检测要求其不仅能反映试样的物理特性(如弹性模量、衰减系数等)，还能够针对试样的结构提供更多信息。

传统的以及现有成熟的超声检测手段包括脉冲-回波法、共振谱分析法和声学成像等方法。脉冲回波法一般利用1-20兆赫兹(MHz)范围内的窄带超声信号，通过观察反射波形的存在及其时间、幅度等信息判断缺陷和杂质等的存在、位置和严重程度，具有简单和直观的优点，但受到波长的限制，只能反映宏观缺陷，对介观裂隙和微观裂纹则无能为力，同时无法用于厚度较小的试样。共振谱分析法利用0.2-10MHz范围内的宽带超声信号，通过检查试样在不同部位的多阶共振频率来实现连接异常区域的检测与定位(其原理类似于日常检查缺陷时的敲击听音方法)；该方法的缺点是难以对缺陷的严重程度进行定量的表征，但近年来有关非经典非线性的研究表明，共振频率会随着缺陷强度出现偏移，这为该方法在固体无损检测中的进一步发展提供了契机。而超声成像方法并不是一种单独的方法，其利用不同的物理量在空间的分布对试样进行成像，具有直观、准确的优点；利用诸如脉冲回波幅度、共振频率偏移、超声非线性参量等可以不同程度地反映界面的结构信息。

近年来，接触非线性的相关研究表明，作为一种界面间普遍存在的非线性现象，接触非线性在进行固体界面无损检测方面具有较大的潜力和应用价值。接触非线性的研究历史可以追溯到Richardson等人在1978年所进行的理论(Int JEng Sci，1979；17：73-85)与实验(Appl Phys Lett，1978；33：371-373)研究，当一列声波经过固体接触界面时，由于界面在拉伸相与压缩相之间存在运动不对称性，将导致反射和透射信号中存在谐波成分，谐波的幅度大小与界面接触静压有关。但是必须指出的是，Richardson等人的研究是假设接触平面绝对光滑，而在现实世界中这显然是不可能存在的，所以基于现实的考虑必须计入粗糙界面的影响。然而这种影响通常是很难进行估计的，一般必须借助电子显微镜等手段进行观察，再利用图像处理技术进行分析和统计。Pecorari将界面的粗糙特性等效为密度分布在Preisach-Mayergoyz空间上的大量非线性接触单元的集合(J Acoust Soc Am，2004；116：1938-1947)；Gusev等人则建立了一种双稳态界面模型，利用缓冲器来描述界面的这种非线性(Ultrasonics，2003；41：643-654)。尽管这些模型能够描述和解释界面非线性的部分本质，但却忽略了这种非线性与接触压力之间的定量关系。

在界面连接(接触)质量与彻体静压之间的联系方面，许多研究者进行了大量的统计模型分析，主要的做法是将界面的介观或微观拓扑结构与接触强度这一物理参量相联系，在这些模型研究中，接触界面的应力-应变特性通常被类比于弹簧，而界面接触强度大小则与接触静压密切相关。为了能够实现接触强度的测量，Biwa等人从理论(J Appl Mech-T Asme，2004；71：508-515)和实验(Ultrasonics，2006；44，E1319-E1322)两方面，利用超声透射、反射系数及界面超声非线性参量共同确定界面的线性和二阶接触强度值。然而，这种由于缺乏振动幅度的校准和定量分析，理论分析与实验结果事实上无法进行很好的对应，这也就意味着无法定量测量界面的接触强度。

发明内容

针对目前尚无对固体界面进行接触强度定量检测的方法，本发明要解决的技术问题是提供一种双频超声激励检测固体界面接触强度的方法，该方法可以得到界面的线性和二阶接触强度的值，实现定量检测的目的。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双频超声检测界面接触强度的方法，主要包括以下步骤：

a)信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；

b)利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校准得到电信号与振动位移之间的线性关系；

c)发射换能器在待测样品中激发双频超声信号后，再利用快速傅立叶变换对接收的信号做处理；

d)利用步骤b)中通过校准得出的线性关系，将得到的电信号幅度换算成绝对位移幅度；

e)利用绝对位移幅度计算非线性参量；

f)由步骤e)得到的非线性参量计算线性接触强度和二阶接触强度的值，从而定量地给出界面的接触强度。

本发明中，可使用任意函数信号发生器重复产生一个包含两个频率正弦(或余弦)分量的电脉冲。为了在频域上抑制旁瓣，还可以对该脉冲加一个汉宁窗函数。该电信号经过一个功率放大器，用于驱动发射换能器。

为了实现定量测量，在测量之前，对换能器先进行校准工作。对于换能器在工作频率点发射的信号，首先用激光测振仪测量振动位移，然后同样的发射信号用接收换能器测量。换能器接收到的电信号和测振仪测得的振动位移线性对应。通过这样的校准程序，接收换能器在测量时接收到的信号幅度可以转换为绝对位移幅度。如电信号的幅度为V，振动位移幅度为U，则对应比例系数k＝U/V，在实际测量时，换能器接收到的电信号幅度为V₁的话，其对应的振动位移就为U₁＝k×V₁＝V₁×U/V。

本发明中，将入射平面波设定为一列由两路不同频率的余弦波叠加而成的双频信号(也可以使用正弦波)，假设两列信号的角频率分别为ω₁和ω₂(同时假设ω₁＞ω₂)，初始相位均为零(相位条件不影响结果的幅频特性)，余弦波幅度分别为A₁和A₂，则入射波u_I可表示为如下形式：

$u_I(x-\mathrm{ct})=A_1\cos \left[\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{c}(x-\mathrm{ct})\right]+A_2\cos \left[\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{c}(x-\mathrm{ct})\right]$

而对于动态界面应力G(Y)，其与动态界面间距Y的关系可以用如下非线性关系来表示：

G(Y)＝-K₁Y+K₂Y²

其中的K₁和K₂分别称为一阶(线性)和二阶接触强度，定义为：

$K_1=-\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dY}}{|}_{p=p_0},$ $K_2=\frac{1}{2}\frac{d^{2}p}{{\mathrm{dY}}^2}{|}_{p=p_0},$

P为彻体静压，很显然，这里的K₁反映了界面宽度随压力(界面应力)成线性变化，而K₂则表达了一种非线性变化。由于K₂的存在，界面成为非线性的，从而在透射与反射波中产生非线性成分。使用微扰法，可以得到反射波和透射波的表达式如下：

$u_R\left({\mathrm{c\τ}}_1\right)=A_R^{\left(0\right)}+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{A}_R^{\left(i\right)}\sin ({\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\Φ}}^{\left(i\right)})$

$u_T\left({-\mathrm{c\τ}}_2\right)=A_T^{\left(0\right)}+\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_T^{\left(i\right)}\cos ({\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\Φ}}^{\left(i\right)})+\underset{j=3}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{A}_T^{\left(j\right)}\sin ({\mathrm{\ω}}_j{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\Φ}}^{\left(j\right)})$

其中，τ₁＝t+x/c和τ₂＝t-x/c为自定义的两个时间标度，很显然表示了波的传播方向分别朝向界面的两个方向；ω₃＝ω₁+ω₂与ω₄＝ω₁-ω₂分别为两个基频的和频与差频频率；ω₅＝2ω₁与ω₆＝2ω₂则分别为两个基频频率的二倍频；此外，

和

分别为每个频率分量的幅度，而Φ⁽ⁱ⁾则表示对应频率项的初始相位(i＝1...6)，幅度与相位的具体表达式如下：

$A_R^{\left(0\right)}={-A}_T^{\left(0\right)}=-K_{21}({\tilde{A}}_1^2+{\tilde{A}}_2^2)$

$A_R^{\left(1\right)}=-A_T^{\left(1\right)}/2{\tilde{K}}_1={\tilde{A}}_1,$ $A_R^{\left(2\right)}=-A_T^{\left(2\right)}/2{\tilde{K}}_2={\tilde{A}}_2$

$A_R^{\left(3\right)}=-A_T^{\left(3\right)}={4K}_{21}{\mathrm{\κ}}_3{\tilde{A}}_1{\tilde{A}}_2,$ $A_R^{\left(4\right)}={-A}_T^{\left(4\right)}=-4K_{21}{\mathrm{\κ}}_4{\tilde{A}}_1{\tilde{A}}_2$

$A_R^{\left(5\right)}={-A}_T^{\left(5\right)}=K_{21}{\mathrm{\κ}}_1{\tilde{A}}_1^2,$ $A_R^{\left(6\right)}={-A}_T^{\left(6\right)}=K_{21}{\mathrm{\κ}}_2{\tilde{A}}_2^2$

Φ⁽¹⁾＝-tan^-1(ω₁/a)，             Φ⁽²⁾＝-tan^-1(ω₂/a)

Φ⁽³⁾＝Φ⁽¹⁾+Φ⁽²⁾+tan^-1(a/ω₃)，  Φ⁽⁴⁾＝Φ⁽¹⁾-Φ⁽²⁾+tan^-1(a/ω₄)

Φ⁽⁵⁾＝2Φ⁽¹⁾+tan^-1(a/ω₅)，       Φ⁽⁶⁾＝2Φ⁽²⁾+tan^-1(a/ω₆)

，在这里为了简化表达，我们已经引入了如下表达式：

${\tilde{K}}_i=K_1/{\mathrm{\ρc\ω}}_i,{\mathrm{\κ}}_i={\tilde{K}}_i/\sqrt{1+{\tilde{K}}_i^2},i=\mathrm{1,2,3,4}$

${\tilde{A}}_j=-A_j/\sqrt{1+4{\tilde{K}}_j^2},j=\mathrm{1,2},K_{21}=K_2/K_1,a=2K_1/\mathrm{\ρc}$

，其中ρ代表材料的密度，c代表纵波声速。

本发明中，对接收换能器接收到的电信号进行快速傅立叶变换的频谱分析，可以得到信号的两个基频的二倍频、差频以及和频的信号幅度。利用校准程序得出的线性关系，可得到绝对位移幅度。将这几个绝对位移幅度，带入下面的算式，可得到四个非线性参量：

${\mathrm{\β}}_T^{\left(1\right)}=|A_T^{\left(5\right)}/{\left(A_T^{\left(1\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_1$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}=|A_T^{\left(6\right)}/{\left(A_T^{\left(2\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_2---\left(2\right)$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{sum}\right)}=|A_T^{\left(3\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|={4K}_{21}{\mathrm{\κ}}_3$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}=|A_T^{\left(4\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|={4K}_{21}{\mathrm{\κ}}_4$

，其中

分别为信号两个基频的幅度，为信号中和频及差频的幅度，分别对应两个基频的二倍频的幅度。这四个非线性参量描述了二次谐波以及和差频信号的激励效率，如

即信号中一个二次谐波的幅度与其对应的基波幅度平方之比。其中，

和

是本发明新提出的参量。由式(1)可知，κ_i，(i＝1，2，3，4)是线性接触强度K₁的函数，故这四个参量中的任意两个参量之比可用来计算线性接触强度K₁。将K₁再带回(2)中的任一式，由于K₂₁＝K₂/K₁，可得到二阶接触强度K₂。接触强度越大，表明界面结合的越紧密，所以可以实现对固体界面接触强度的定量评价。

本发明引入了绝对振动幅度的校准程序，并提出了两个新的非线性参量，可以计算出界面的线性和二阶接触强度值，从而能实现对固体界面的定量检测。采用双频激励超声进行检测，差频分量与其它非线性成分相比具有更大的幅度，同时由于具有低频特性，根据经典声学理论其受到材料衰减的影响更小，因此相比于已有的固体界面接触强度超声检测方法，该技术可以有效地增强固体界面接触强度的检测。

附图说明

下面结合附图对本发明的方法做进一步的说明。

图1为本发明双频超声检测固体界面接触强度的方法的步骤示意图。

图2为使用本发明方法测量得到的不同接触静压力下的三种界面线性接触强度。

图3为使用本发明方法测量得到的不同接触静压力下的三种界面二阶接触强度。

具体实施例

本发明中使用的两种样品材料，一种是铝合金，其密度和声速经测量分别为2708.3千克/立方米和6030.5米/秒；另一种是玻璃，其密度和声速测量值分别为2517.2千克/立方米和5916.3米/秒。其中对于铝合金样品，又分别研究了界面存在和不存在凡士林耦合的情形。所有样品的接触面大小均为30毫米×30毫米，厚度(超声传播方向的尺寸)均为5毫米。

如图1所示，先使用一个任意函数信号发生器(Agilent 33250A，USA)，重复产生一个包含500千赫兹(kHz)和800kHz两个频率正弦分量的的电脉冲，脉冲重复频率为100赫兹，波形持续时间为80微秒。为了在频域上抑制旁瓣，对该电脉冲加了一个汉宁窗函数。该电信号经过一个55分贝的功率放大器(ENI150A，USA)，然后用于驱动发射换能器。所采用的发射探头是一只标定中心频率为500kHz的接触式超声换能器(Panametrics V413-SB)，而对于接收换能器，由于单只探头的带宽限制，我们选用了两只探头进行组合测量。1#接收探头与发射探头型号相同，用于接收低于750kHz频率的信号，2#接收探头是一只标定中心频率为1MHz的接触式超声换能器(Panametrics V401-SB)，用于接收750kHz以上频率的信号。接收到的信号被送入一台数字示波器(Agilent 54830B，USA)，经数字化后采集到一台计算机。所有测量中选用的采样频率均为250MHz，而任意函数信号发生器和数字示波器均经过GPIB接口由计算机控制(通过Labview软件)。

在进行所有测量之前，首先进行了换能器的校准工作。对于发射换能器在300kHz、500kHz、800kHz和1MHz这四个频率点发射的信号，首先用一只激光测振仪(Polytec OFV-505/5000，Germany)进行测量，然后将同样的发射信号分别用1#和2#换能器进行测量，测量时施加在发射探头上的电压为248伏。仅选择这四个频率点进行校准，是因为在此我们选择使用公式：

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}=|A_T^{\left(4\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|={4K}_{21}{\mathrm{\κ}}_4$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}=|A_T^{\left(6\right)}/{\left(A_T^{\left(2\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_2$

进行计算。检测时需要测量四个频率点的信号幅度：

以及即两个基波频率500kHz和800kHz，它们的差频300kHz，以及500kHz基波的二倍频1MHz对应的信号幅度。

利用激光测振仪接收表面振动，得到其在300kHz、500kHz、800kHz和1MHz的振动幅度分别为：

发射频率(千赫)	300	500	800	1000
					振动幅度(纳米)	32.6	48	20.6	5.8

。利用接收探头，接收到的电压信号幅度分别为：

发射频率(千赫)	300	500	800	1000
					电压幅度(毫伏)	44	426	75	8.4

。因此，接收换能器的对应的接收灵敏度为(振动幅度/电压幅度，单位：纳米/毫伏)：

频率(千赫)	300	500	800	1000
					接收灵敏度	0.74	0.11	0.28	0.69

对于每一对受测样品，我们选择了12个不同的压力值进行测试，而在每次测量中，发射换能器的加载电压都保持为248伏。每次接收到的信号在被采集之前都经过了32次平均以提高信噪比，然后进行快速傅立叶变换得到电信号幅度，最终根据上述校准数据得到每个频率分量的位移幅度。以无耦合的铝合金样品为例，当接触静压为0.643兆帕时，进行双频实验测量，接收换能器得到的各频率电压值为：

频率(千赫)	300	500	800	1000
					电压幅度(毫伏)	50.3	265	130	20.4

。根据接收灵敏度值可以换算得到，各频率成分此时的振动幅度为：

频率(千赫)	300	500	800	1000
					振动幅度(纳米)	37.2	31.8	15.3	14.0

。根据前述非线性参量计算公式：

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}=|A_T^{\left(4\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|={4K}_{21}{\mathrm{\κ}}_4$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}=|A_T^{\left(6\right)}/{\left(A_T^{\left(2\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_2$

得到β_T ^(diff)＝7.87×107米^-1，β_T ⁽²⁾＝1.47×10⁷米^-1，两个参数相除，即

$\frac{{\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}}{{\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}}=\frac{{4\mathrm{\κ}}_4}{{\mathrm{\κ}}_2}=\frac{4\sqrt{{\left({\mathrm{\ρc\ω}}_2\right)}^2+K_1^2}}{\sqrt{{\left({\mathrm{\ρc\ω}}_4\right)}^2+K_1^2}},$

其中，密度ρ为2078.3千克/立方米，声速c为6030.5米/秒，ω₂和ω₄分别为500千赫和300千赫。计算得到K₁＝2.38×10¹³牛/米³，将K₁代入回到上述两个非线性参量中，由

$K_2/K_1=K_{21}={\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}/\left({4\mathrm{\κ}}_4\right)$

$K_2/K_1=K_{21}={\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}/{\mathrm{\κ}}_2$

计算，由β_T ^(diff)决定的K₂＝7.66×10²⁰牛/米⁴，由β_T ⁽²⁾决定的K₂＝8.32×10²⁰牛/米⁴，取两者平均，最终得到K₂＝7.99×10²⁰牛/米⁴。

对于所考虑的三种固体界面，按上面的实例方法，分别用

计算了其线性接触强度随接触静压力的变化，结果如图2所示。很显然，对于所考虑的三种情形，K₁(单位：牛顿每立方米，牛/米³)均随着接触压力(单位：兆帕，MPa)增加而单调上升。三个界面之中，利用凡士林进行耦合的铝合金界面表现出最强的接触，而没有耦合的铝合金界面则为最弱。

将计算得到的K₁代入回到式(2)中用于计算两个非线性参量

和可以分别计算得到一个二阶接触强度K₂(单位：牛顿每四次方米，牛/米⁴)，取二者的平均值作为结果并在图3中给出。这里可以再次看到，耦合后的铝合金界面具有最大的二阶接触强度，而未耦合的界面则二阶接触强度较小。

Claims (2)

1.一种双频超声检测界面接触强度的方法，其包括以下步骤：

a)信号发生器产生双频超声激励信号，并经过功率放大器放大；

b)利用一个发射换能器发射信号和一个接收换能器接收信号，先对换能器进行校准得到电信号与振动位移之间的线性关系；

c)发射换能器在待测样品中激发双频超声信号后，对接收换能器接收到的电信号进行快速傅立叶变换的频谱分析，得到信号的两个基频的二倍频、差频以及和频的信号幅度；

d)利用步骤b)中通过校准得出的线性关系，将得到的电信号幅度换算成绝对位移幅度；

e)利用绝对位移幅度计算非线性参量，非线性参量为以下四个：

${\mathrm{\β}}_T^{\left(1\right)}=|A_T^{\left(5\right)}/{\left(A_T^{\left(1\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_1$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(2\right)}=|A_T^{\left(6\right)}/{\left(A_T^{\left(2\right)}\right)}^2|=K_{21}{\mathrm{\κ}}_2$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{sum}\right)}=|A_T^{\left(3\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|=4K_{21}{\mathrm{\κ}}_3$

${\mathrm{\β}}_T^{\left(\mathrm{diff}\right)}=|A_T^{\left(4\right)}/\left(A_T^{\left(1\right)}{A}_T^{\left(2\right)}\right)|=4K_{21}{\mathrm{\κ}}_4,$

其中分别为信号两个基频的绝对位移幅度，

为信号中差频及和频的绝对位移幅度，

分别对应两个基频的二倍频的绝对位移幅度；K₂₁＝K₂/K₁，K₁是线性接触强度，K₂是二阶接触强度；

i＝1，2，3，4，

其中ρ是材料密度，c是材料的纵波声速，ω₁和ω₂分别为两个基波的二倍角频率，ω₃是两个基波的角频率之和，ω₄是两个基波的角频率之差；

f)由步骤e)得到的非线性参量计算线性接触强度和二阶接触强度的值，从而定量地给出界面的接触强度。

2.根据权利要求1所述的一种双频超声检测界面接触强度的方法，其特征在于所述步骤b)中，校准换能器具体包括以下程序：对于换能器在工作频率点发射的信号，首先用激光测振仪测量振动位移，然后同样的发射信号用接收换能器测量，则换能器接收到的电信号和测振仪测得的振动位移线性对应。

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