CN104502454A - 基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法，该系统组成包括：信号发生器(1)，低频振源(2)，第一压电陶瓷片(3)，第二压电陶瓷片(4)，带裂纹结构(5)，永磁铁(6)，磁铁系统(7)，信号记录分析仪(8)，功率放大器(9)。本发明将带有微裂纹的结构作为悬臂梁构成一个非线性振子系统，能够利用非线性振子克服线性振子的局限，在一个较宽的频带范围内实现明显的振动声调制效应。该技术的优势是能够在非共振频率处进行微裂纹的振动声调制检测，因而能够利用宽松的环境振动激励进行高效检测。此外，该技术还具有原理简单、抗干扰性强、普适性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法。
背景技术
在工程结构服役过程中，往往会因为疲劳产生微裂纹。这些微裂纹是结构材料出现缺陷的早期表现，在一定的外部因素下，微裂纹不断扩展和合并，最终形成宏观裂纹。因此微裂纹缺陷是机械设备和工程结构服役的重大安全隐患。在材料初期损伤阶段就能诊断出内部的微裂纹缺陷对于及时预测结构材料损伤、保障结构健康服役具有极其重要的意义。
目前的结构损伤检测方法中，超声检测作为一种无损检测技术，展现出明显的优势和广泛的应用前景。传统线性超声技术通过超声波在固体中线性散射、反射和传播对检测总体损伤或开口裂纹很敏感。但是，该类技术对检测闭合裂纹、纹理接触、分层等均匀分布或接触性微裂纹不敏感。接触裂纹会导致不规则的高水平非线性，而且在内部传播的超声波因接触声非线性会产生非线性声响应(如弹性波畸变)。这些非线性响应包括高次谐波、次谐波、振动声调制效应等。近些年来利用非线性超声现象发展了一批新的非线性超声检测技术。
振动声调制效应是非线性超声检测中目前最具实用性的一种现象。其典型表现是高频超声信号被低频振动信号调制的现象。如果结构中无缺陷存在，高频(fc)超声波和低频(fm)振动信号在材料中传播时，响应信号为两个激励信号的线性叠加；若材料中存在非线性区域时，将出现高频超声波受低频振动信号调制的现象。在频域中可以观察到高频超声信号的频谱中出现包含低频振动分量(fc±n·fm，n＝l，2，…)的边频带(旁瓣现象)。因此，可以根据响应信号频谱中是否存在调制边频来判断结构中是否存在微裂纹。
根据施加低频振动的类型不同，目前的振动声调制技术可以分为两类：振动调制和冲击调制。前者施加的振动频率一般为结构的低阶共振频率，后者一般通过力锤敲击以激发结构的共振。当低频振动和超声波均为结构的共振频率时，很微弱的裂纹也能产生较强的振动声调制效果。但是，这两类途径存在一个很明显的问题，即低频共振频率依赖于结构的固有振动模态而不能够自由选择。为了保证好的振动声调制效果，低频振动激励需要准确在一个窄带范围内激励出结构的固有模态，反之，如果低频振动激励不理想将会影响最终的检测效果。
发明内容
本发明目的在于提供一种新的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法，将带有微裂纹的结构作为悬臂梁构成一个非线性振子系统，该系统能够在非线性振动的机制下扩展传统振动声调制的低频振动激励频率到非共振区，实现一种宽频的振动声调制效应。
本发明采用的技术方案为：一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，该系统组成包括：信号发生器，低频振源，第一压电陶瓷片，第二压电陶瓷片，带裂纹结构，永磁铁，磁铁系统，信号记录分析仪和功率放大器；信号发生器的输出通道与功率放大器的输入接口相连，功率放大器的输出接口与第一压电陶瓷片相连；带裂纹结构通过螺栓连接固定在低频振源上，构成悬臂梁；第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片通过环氧树脂胶分别粘贴在带裂纹结构的固定端和自由端，永磁铁固定在带裂纹结构自由端末端，磁铁系统与永磁铁相对放置，第二压电陶瓷片通过线路连接到信号记录分析仪的输入端。
其中，所述低频振源可以为环境中实际存在的振动源，振动频率不要求和结构的共振频率相同。
其中，所述带裂纹结构可以是铝、铜或者钛合金等金属板状结构；
其中，所述磁铁系统为一个或数个永磁铁的组合系统；
其中，所述永磁铁和磁铁系统在水平方向上的间距可以调整，组成磁铁可为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁等，磁铁形状可为矩形或圆柱形。
基于所述系统，本发明提供一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测方法，该检测技术包括以下四个实施步骤：
步骤一，将带裂纹结构安装在低频振源上作为一个悬臂梁，利用磁铁作用构造非线性振子系统；
步骤二，由信号发生器产生高频超声信号，将超声信号输入功率放大器，将放大后的信号输入带裂纹结构上的固定端压电陶瓷片；
步骤三，带裂纹结构悬臂梁在磁铁系统作用下产生非线性振动，和输入的高频超声波发生振动声调制响应；
步骤四，通过带裂纹结构上的自由端压电陶瓷片采集、记录、并分析振动声调制响应信号。
其中，所述步骤三中，非线性振动的特征在于和线性振动相比能够在一个较宽频带内产生较大振幅的振动响应。
其中，所述步骤四中，响应信号分析的主要特征在于分析响应信号频谱，计算一个调制指数，作为判断微裂纹存在与否的依据。
本发明的技术效果为：
与现有技术相比，本发明公开了一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法，能够利用非线性振子克服线性振子的局限，在一个较宽的频带范围内实现明显的振动声调制效应。该技术的优势是能够在非共振频率处进行微裂纹的振动声调制检测，因而能够利用宽松的环境振动激励进行高效检测。此外，该技术还具有原理简单、抗干扰性强、普适性强等优点。
附图说明
图1为基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统图。图中标号名称：1-1为信号发生器，1-2为低频振源，1-3和1-4为压电陶瓷片，1-5为带裂纹结构，1-6为永磁铁，1-7为磁铁系统，1-8为信号记录分析仪，1-9为功率放大器。
图2为实施例一中非线性振子物理结构图。图中标号名称：2-1为低频振源，2-2和2-4为压电陶瓷片，2-3为带裂纹结构，2-5和2-6为永磁铁，2-7为基座。
图3为实施例一检测系统的频率响应曲线及其对比图。
图4为实施例二中非线性振子物理结构图。图中标号名称：3-1为低频振源，3-2和3-4为压电陶瓷片，3-3为带裂纹结构，3-5、3-6和3-8为永磁铁，3-7为基座。
图5为实施例二检测系统的频率响应曲线及其对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
由技术背景可知，现有的结构微裂纹振动声调制检测技术存在一个很明显的问题，即低频共振频率依赖于结构的固有振动模态而不能够自由选择。为了保证好的振动声调制效果，低频振动激励需要准确在一个窄带范围内激励出结构的固有模态，如果低频振动激励不理想将会影响最终的检测效果。
因此本发明公开了一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统及方法，将带有微裂纹的结构作为悬臂梁构成一个非线性振子系统，该系统能够在非线性振动的机制下扩展传统振动声调制的低频振动激励频率到非共振区，实现一种宽频的振动声调制效应，具有原理简单、抗干扰性强、普适性强等优点。
根据上述发明内容和附图1的基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统结构图，该系统具体包括信号发生器1-1，低频振源1-2，压电陶瓷片1-3和1-4，带裂纹结构1-5，永磁铁1-6，磁铁系统1-7，信号记录分析仪1-8，功率放大器1-9。信号发生器1-1的输出通道与功率放大器1-9的输入接口相连，功率放大器1-9的输出接口与压电陶瓷1-3相连。带裂纹结构1-5通过螺栓连接固定在低频振源1-2上，构成悬臂梁；压电陶瓷1-3和1-4通过环氧树脂胶分别粘贴在带裂纹结构1-5的固定端和自由端，永磁铁1-6固定在带裂纹结构1-5自由端末端，磁铁系统1-7与永磁铁1-6相对放置，压电陶瓷1-4通过线路连接到信号记录分析仪1-8的输入端。
所述低频振源可以为环境中实际存在的振动源，振动频率不要求和结构的共振频率相同。
所述带裂纹结构可以是铝、铜或者钛合金等金属板状结构；
所述磁铁系统为一个或数个永磁铁的组合系统；
所述永磁铁和磁铁系统在水平方向上的间距d可以调整，以形成一个非线性悬臂梁振子系统，其中磁铁单元可为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁等，磁铁形状可为矩形或圆柱形。
基于所述装置，所述一种基于非线性振子的微裂纹振动声调制检测方法具体执行过程包括以下步骤：
步骤一，将带裂纹结构安装在低频振源上作为一个悬臂梁，利用磁铁作用构造非线性振子系统；
步骤二，由信号发生器产生高频超声信号，将超声信号输入功率放大器，将放大后的信号输入带裂纹结构上的固定端压电陶瓷片；
步骤三，带裂纹结构悬臂梁在磁铁系统作用下产生非线性振动，和输入的高频超声波发生振动声调制响应；
步骤四，通过带裂纹结构上的自由端压电陶瓷片采集、记录、并分析振动声调制响应信号。
所述步骤三中，非线性振动的特征在于和线性振动相比能够在一个较宽频带内产生较大振幅的振动响应。
所述步骤四中，响应信号分析的主要特征在于分析响应信号频谱，计算一个调制指数，作为判断微裂纹存在与否的依据。优选地，可以计算旁瓣fc±fm和主瓣fc幅值的比值M，即频谱中频率fc±fm处的平均幅值和频率fc处的幅值之间的比值。M值越大，代表振动声调制现象越明显。
为了更加清楚地了解本发明的技术方案及其效果，下面结合两个具体的实施例进行详细说明所述磁铁系统的组成及所述检测技术的频率响应效果。以下实施例根据图1搭建实验平台，用于实施例测试的低频振源用一个振动台模拟，其低频振动信号由信号发生器产生并经过一个功率放大器放大后输入。
实施例一
本实施例所述非线性振子系统如图2所示，包括低频振源2-1，压电陶瓷片2-2和2-4，带裂纹结构2-3，永磁铁2-5和2-6，基座2-7。其中，
所述低频振源为振动台模拟的低频简谐振动。
所述带裂纹结构材料是磷铜，尺寸分别为148mm×40mm×0.6mm(长×宽×厚)，通过疲劳测试方法产生5.8mm长度疲劳裂纹。
所述磁铁系统由一块永磁铁2-6构成；
所述永磁铁采用钕铁硼永磁铁，磁铁形状为矩形，尺寸为5mm×5mm×2mm，磁铁强度为0.35特斯拉。
所述永磁铁2-5和2-6在y方向上极性相反，通过调整基座2-7，可以调整永磁铁2-5的右表面到永磁铁2-6的左表面在y方向上的距离d，本实施例中取d＝3.5mm，由于磁铁间作用力，此悬臂梁振子具有双稳态特征。
根据所述检测技术步骤，本实施例测试了所述检测系统的频响特性。
首先，根据所述步骤一，将带裂纹结构安装在低频振源上作为一个悬臂梁，利用磁铁作用构造非线性振子系统，此步骤完成非线性振子系统的搭建。
随后，根据所述步骤二，由信号发生器产生高频超声信号，频率为25kHz，将超声信号输入功率放大器，输出幅值为80Vpp，将放大后的信号输入带裂纹结构上的固定端压电陶瓷片。
接着，根据所述步骤三，用振动台模拟5Hz到17Hz的低频简谐振动作为低频振源，带裂纹结构悬臂梁在磁铁系统作用下产生非线性振动，和输入的高频超声波发生振动声调制响应；
最后，根据所述步骤四，通过带裂纹结构上的自由端压电陶瓷片采集、记录、并分析振动声调制响应信号，响应信号经过分析后，结果如图3所示。
从图3可见，非线性振子系统在从7Hz到15Hz的一个8Hz带宽范围内展现出了明显的振动声调制现象。而没有加入磁铁系统的单稳线性振子系统则显示出不到2Hz的有效带宽。因此，基于非线性振子的微裂纹振动声调制检测技术显示了更宽的频响范围，可以在非共振频率处进行有效的检测。
实施例二
本实施例所述非线性振子系统如图4所示，包括低频振源3-1，压电陶瓷片3-2和3-4，带裂纹结构3-3，永磁铁3-5、3-6和3-8，基座3-7。其中，
所述低频振源为振动台模拟的低频简谐振动。
所述带裂纹结构材料是磷铜，尺寸分别为153mm×40mm×0.6mm(长×宽×厚)，通过疲劳测试方法产生6mm长度疲劳裂纹。
所述磁铁系统由两块相同的永磁铁3-6和3-8构成，两块磁铁沿x方向平行放置，磁铁中心间距为p，在本实施例中设为6.2mm；
所述永磁铁采用钕铁硼永磁铁，磁铁形状为矩形，尺寸为5mm×5mm×2mm，磁铁强度为0.35特斯拉。
所述永磁铁3-6和3-8在y方向上极性相同，并且和永磁铁3-5在y方向上极性相反，通过调整基座2-7，可以调整永磁2-5的右表面到永磁铁2-6的左表面在y方向上的距离d，本实施例中取d＝2.5mm，由于磁铁间作用力，此悬臂梁振子具有三稳态特征。
根据所述检测技术步骤，本实施例测试了所述检测系统的频响特性。
首先，根据所述步骤一，将带裂纹结构安装在低频振源上作为一个悬臂梁，利用磁铁作用构造非线性振子系统，此步骤完成非线性振子系统的搭建。
随后，根据所述步骤二，由信号发生器产生高频超声信号，频率为83kHz，将超声信号输入功率放大器，输出幅值为80Vpp，将放大后的信号输入带裂纹结构上的固定端压电陶瓷片。
接着，根据所述步骤三，用振动台模拟5Hz到16Hz的低频简谐振动作为低频振源，带裂纹结构悬臂梁在磁铁系统作用下产生非线性振动，和输入的高频超声波发生振动声调制响应；
最后，根据所述步骤四，通过带裂纹结构上的自由端压电陶瓷片采集、记录、并分析振动声调制响应信号，响应信号经过分析后，结果如图5所示。
图5也显示出基于非线性振子的检测系统的有效检测带宽为线性振子系统带宽的4倍左右，因而基于非线性振子的微裂纹振动声调制检测技术可以适应更宽频的低频振源激励。
综上所述，本发明公开了一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测技术，能够利用非线性振子克服线性振子的局限，在一个较宽的频带范围内实现明显的振动声调制效应，因而能够利用宽松的环境振动激励进行高效检测，具有原理简单、抗干扰性强、普适性强等优点。本发明在超声无损检测领域具有一定的应有前景。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，其特征在于：该系统组成包括：信号发生器(1-1)，低频振源(1-2)，第一压电陶瓷片(1-3)，第二压电陶瓷片(1-4)，带裂纹结构(1-5)，永磁铁(1-6)，磁铁系统(1-7)，信号记录分析仪(1-8)和功率放大器(1-9)；信号发生器(1-1)的输出通道与功率放大器(1-9)的输入接口相连，功率放大器(1-9)的输出接口与第一压电陶瓷片(1-3)相连；带裂纹结构(1-5)通过螺栓连接固定在低频振源(1-2)上，构成悬臂梁；第一压电陶瓷片(1-3)和第二压电陶瓷片(1-4)通过环氧树脂胶分别粘贴在带裂纹结构(1-5)的固定端和自由端，永磁铁(1-6)固定在带裂纹结构(1-5)自由端末端，磁铁系统(1-7)与永磁铁(1-6)相对放置，第二压电陶瓷片(1-4)通过线路连接到信号记录分析仪(1-8)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，其特征在于：所述低频振源(1-2)可以为环境中实际存在的振动源，振动频率不要求和结构的共振频率相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，其特征在于：所述带裂纹结构(1-5)可以是铝、铜或者钛合金等金属板状结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，其特征在于：所述磁铁系统(1-7)为一个或数个永磁铁的组合系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测系统，其特征在于：所述永磁铁(1-6)和磁铁系统(1-7)在水平方向上的间距可以调整，组成磁铁可为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁等，磁铁形状可为矩形或圆柱形。
6.一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测方法，基于权利要求1所述系统，其特征在于：该检测方法包括以下四个实施步骤：
步骤一，将带裂纹结构安装在低频振源上作为一个悬臂梁，利用磁铁作用构造非线性振子系统；
步骤二，由信号发生器产生高频超声信号，将超声信号输入功率放大器，将放大后的信号输入带裂纹结构上的固定端压电陶瓷片；
步骤三，带裂纹结构悬臂梁在磁铁系统作用下产生非线性振动，和输入的高频超声波发生振动声调制响应；
步骤四，通过带裂纹结构上的自由端压电陶瓷片采集、记录、并分析振动声调制响应信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测方法，其特征在于：所述步骤三中，非线性振动的特征在于和线性振动相比能够在一个较宽频带内产生较大振幅的振动响应。
8.根据权利要求6所述的一种基于非线性振子的结构微裂纹振动声调制检测方法，其特征在于：所述步骤四中，响应信号分析的主要特征在于分析响应信号频谱，计算一个调制指数，作为判断微裂纹存在与否的依据。
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