CN104807888B - 一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据相应公式计算非线性系数；通过改变探头的相对位置控制两斜入射声束在试件中不同空间位置的汇聚点，测得构件中不同位置的非线性响应，并对非线性响应信号进行时频分析提取出非线性系数，最后依据非线性系数的空间分布实现微裂纹长度的测量。通过移动探头进行空间不同位置损伤检测，可实现裂纹长度测量；根据时频分析提取出的非线性系数对损伤进行评价，检测结果在信号信噪比较低时更加可靠。
Description
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，涉及一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法。
背景技术
裂纹是机械构件中常见的缺陷，也是导致机械结构失效的主要原因之一。研究表明，对于设计合格的机械构件，从产生微损伤到形成宏观裂纹的过程占其整个疲劳寿命的80％～90％。因此，发展针对结构中微裂纹的早期检测和诊断方法具有十分重要的意义。
传统的超声检测技术依据接收信号在时间和幅值上的改变判断结构的损伤情况，可以很好的实现结构中体积型缺陷及开口裂纹的检测，但对闭合裂纹等微缺陷不敏感。非线性超声检测技术依据超声波与缺陷相互作用产生的非线性效应对结构损伤情况做出评价，它对于结构中的微缺陷(疲劳损伤、微裂纹等)表现出很高的敏感性。
目前，已观察到的声学非线性效应主要包括高次谐波、混频、次谐波以及谐振频率漂移等，其中基于高次谐波的非线性超声检测方法最为常用，但其检测结果易受仪器非线性的影响。混频非线性检测方法利用两种不同频率超声信号与缺陷共同作用产生的新的频率成分(激励频率的和频、差频等)来表征结构的损伤，其检测结果不受仪器非线性的干扰。根据激励信号的传播方向是否平行，混频非线性超声检测可分为共线检测方法和非共线检测方法两类。
Countney等在同侧激励模式下利用共线混频技术对裂纹缺陷进行了检测，通过双谱分析实现了试件中裂纹缺陷的识别[Hillis A J,et al.Global crack detectionusing bispectral analysics[J].Proceedings of the Royal Society Society A,2006,462:1515-1530，下称文献1]。但在同侧激励模式下，测得的混频非线性是超声信号传播路径上各点非线性的累加，无法对缺陷进行定位。孙俊俊等在异侧激励模式下对钢制试块中闭合裂纹进行了共线混频检测，通过改变两探头的激励延迟控制两列波的相遇位置，实现了对闭合裂纹的定位。[焦敬品,孙俊俊等.结构微裂纹混频非线性超声检测方法研究[J].声学学报.2013,38(6):648-656，下称文献2]。
与共线检测方法相比，非共线检测方法对缺陷的检测具有更好的空间选择性。通过改变激励探头楔块的角度以及探头的相对位置，可以实现超声波声束在待测试件内部任意位置的空间扫查，在检测区域的选择上更加灵活。Croxford等利用斜探头在铝制试件两端激励斜入射剪切波，实现了试件中塑性变形及疲劳损伤的检测[Croxford A J,etal.The use of non-conlinear mixing for nonlinear ultrasonic detection ofplasticity and fatigue[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2009,126(5):117-123，下称文献3]。周正干等在文章[刘斯明等.SiCP颗粒增强铝基复合材料非共线非线性响应试验观察[J].机械工程学报.2012,48(22):21-26，下称文献4]及专利[一种非共线非线性超声无损检测方法.CN102721747A，下称文献5]中利用非共线激励方法对SiCp颗粒增强铝基复合材料的均匀性进行了检测。
在上述已公开的文献3、4、5中，仅进行了单一位置损伤有无的定性混频检测。在损伤的判定标准方面，仅依据检测信号滤波后时域波形幅值的大小判断。然而相对于线性响应，混频非线性响应较弱，实际测量中接收到的非线性响应信号的幅值较小且信噪比低，信号时域波形提取的难度较大。
综上所述，本发明提出一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法。该方法具有以下特点：1)通过移动探头进行空间不同位置损伤检测，可实现裂纹长度测量；2)根据时频分析提取出的非线性系数对损伤进行评价，检测结果在信号信噪比较低时更加可靠。
发明内容
本发明旨在提出一种结构中微裂纹长度测量方法，特别是基于非共线混频超声检测技术的结构中微裂纹长度无损检测方法。通过改变探头的相对位置控制两斜入射声束在试件中不同空间位置的汇聚点，测得构件中不同位置的非线性响应，并对非线性响应信号进行时频分析提取出非线性系数，最后依据非线性系数的空间分布实现微裂纹长度的测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，当结构中存在闭合裂纹时，应力σ与应变ε的非线性关系表示为：
σ＝KNε+βε2 (1)
其中KN为法向刚度，β为非线性系数。
图1所示为两列斜入射纵波在裂纹处相遇的示意图，其中θ1、θ2为入射角。定义两列纵波的振幅为a1、a2，其圆频率分别为ω1、ω2，传播的方向向量分别为：
两列波引起质点振动的方向向量为：
其中pij与dij为各向量的分量，在t时刻第一列波引起的位移在x1轴上分量为：
u1＝d11a1cos[k1(x1p11+x2p12-cLt)] (4)
第二列波引起的位移在x1轴上分量为
u2＝d21a2cos[k2(x1p21+x2p22-cLt)] (5)
其中波数k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL，cL为纵波声速。根据弹性力学中质点位移与应变的关系，两列波在裂纹处相遇时引起的应变为
代入式(1)可得：
将最后一项展开并忽略常数项得：
其中各幅值AH1、AH2和AN的表达式为：
AN＝βd11a1k1p11d21a2k2p21
将k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL带入式(8)，得(7)式的最后一项为：
可见两列激励信号与裂纹相互作用产生了原频率的二倍频(2ω1、2ω2)及和频(ω1+ω2)、差频(ω1-ω2)新的频率成分。
在实际检测中，只有当两列激励信号同时到达微损伤处与缺陷共同作用时才会产生混频非线性响应，接收到的混频信号是典型的瞬变信号，因此采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据下式计算非线性系数β：
为实现上述技术方案的分析，本方法采用的试验装置参见图2，包括计算机1、非线性声学测量系统2、示波器3、50Ω负载一4、50Ω负载二5、可调衰减器一6、可调衰减器二7、激励探头8、激励探头9、接收探头10和前置放大器11。具体而言，计算机1与SNAP系统2相连，控制产生激励信号，并采集接收信号。SNAP系统的输出通道I通过50Ω负载一4和可调衰减器一6与激励探头一8相连；SNAP系统的输出通道II通过50Ω负载二5和可调衰减器二7与激励探头二9相连。接收探头10通过前置放大器11与SNAP系统2的接收通道I相连。示波器3与SNAP系统2相连。
本文提出的基于非共线混频超声技术的微裂纹长度测量方法通过以下步骤实现：
1)测量两个激励探头的频率响应特性，将带宽较窄者定为激励探头一，并选取幅值响应最大处的频率作为激励探头一的激励频率f1。根据激励探头二的频率响应特性，在幅值衰减小于-3dB的频率范围内并综合接收直探头的频响特性，确定激励探头二的频率变化范围。
2)连接各实验仪器，将两激励探头布置于试件的同侧。根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头的水平距离及激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时到达裂纹处。
3)按照上一步骤中计算出的时延差依次激励两斜探头，采用SNAP系统追踪和频及差频信号。根据和频及差频信号的追踪结果，选取幅值最大的点作为激励探头二的频率f2。
4)按照上述选定的频率和时延差依次激励两斜探头，用示波器采集此时接收探头10接收到的信号，导入计算机作为接收信号a。
5)仅激励斜探头一，用示波器采集并保存接收探头的信号，而后仅激励斜探头二，再次采集接收信号，将两次采集到的信号导入计算机，叠加后作为接收信号b。
6)以和频或差频为中心频率构造带通滤波器，对接收信号a、b进行滤波处理，观察接收信号a的时域是否出现新的波形，初步判断缺陷是否存在。
7)对接收信号a、接收信号b进行时频分析，结合步骤7对比时频分析处理结果；若与接收信号b相比，接收信号a在时域出现新的波形，且在频域中的和频及差频处出现新的频率成分，可判定试件中存在裂纹缺陷，反之则表明试件中没有裂纹。
8)根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头激励信号的时延差，改变两激励探头的相对位置，使激励信号在沿裂纹延伸方向上的不同位置相遇。对来自不同位置的接收信号进行时频分析，提取基频(f1、f2)的幅值A1、A2以及和频或差频(f1+f2或f1-f2)的幅值A3，计算非线性系数。
9)根据步骤8)的结果，选取一个非线性系数阈值对各位置是否存在裂纹进行判断。实际检测时可取各位置非线性系数最大值的0.707倍为阈值，当某一位置的非线性系数大于该阈值时，认为此处存在裂纹；反之，则认为此处没有裂纹。在一系列连续的存在裂纹的位置中，相距最远的两个位置之间的距离即可认为是裂纹长度。
附图说明
图1为非共线激励模式示意图。
图2为本发明的试验系统框图。
图3.1为实验所用斜探头1的频率响应特性。
图3.2为实验所用斜探头2的频率响应特性。
图3.3为实验所用直探头的频率响应特性。
图4为激励探头二9的激励信号取不同频率时和频追踪结果图。
图5.1为2mm裂纹试件中的接收信号a、b滤波前的时域波形。
图5.2为2mm裂纹试件中的接收信号a、b的滤波结果。
图6.1为0mm裂纹试件中的接收信号a、b滤波前的时域波形。
图6.2为0mm裂纹试件中的接收信号a、b的及滤波结果。
图7.1为2mm裂纹试件中的接收信号a的时频分析整体结果
图7.2为2mm裂纹试件中的接收信号a的时频分析高频部分结果
图8.1为2mm裂纹试件中的接收信号b的时频分析整体结果
图8.2为2mm裂纹试件中的接收信号b的时频分析高频部分结果
图9.1为0mm裂纹试件中的接收信号a的时频分析整体结果
图9.2为0mm裂纹试件中的接收信号a的时频分析高频部分结果
图10.1为0mm裂纹试件中的接收信号b的时频分析整体结果
图10.2为0mm裂纹试件中的接收信号b的时频分析高频部分结果
图11为0mm裂纹试件沿深度方向扫描结果。
图12为各试件沿深度方向的扫描结果。
图13为各试件前五个位置非线性系数求和结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述，实施过程包括以下步骤：
1)根据图3.1-3.3所示实验所用各探头的频率响应特性，选取带宽较窄的斜探头1作为激励探头一，中心频率为2.34MHz；斜探头2作为激励探头二，中心频率为4.3MHz；直探头作为接收探头，中心频率为6MHz。
2)按照图2连接各实验仪器，布置探头。本实验所用钢质试件尺寸为240×48×24mm，中央开有长19mm的线切割缺口以预制疲劳裂纹。进行裂纹有无的判定实验时，为避免线切割缺口反射波的影响，令两列激励信号在深度22mm处相遇。首先利用标准试块测得激励探头一、激励探头二发射的超声信号在钢质试件中的折射角分别为68.6°、45.8°，再由几何关系计算出激励探头一左端距线切割缺口43mm，激励探头二右端距线切割缺口13.5mm，且激励探头一发射信号的时间比激励探头二滞后约10μs。
3)分别在2mm裂纹试件和无裂纹试件上进行实验，设置激励探头一的激励频率为2.34MHz。由步骤1)的分析，当激励探头二工作在中心频率附近时，预计产生的和频信号频率为4.5MHz～6.5MHz，恰好处于接收探头的带宽内。在0.2MHz～8MHz范围内改变激励探头二的激励信号频率，步进量0.005MHz同时用SNAP系统追踪和频信号的幅值。根据图4所示结果，选择激励探头二的激励频率为3.85MHz，该点处2mm裂纹试件和无裂纹试件的和频信号幅值相差较大。
4)按照上述选定的频率和时延差，在2mm裂纹试件上进行实验。依次激励两斜探头，用示波器采集此时接收探头接收到的信号，导入计算机作为接收信号a。
5)仅激励斜探头一，用示波器采集并保存接收探头的信号，而后仅激励斜探头二，再次采集接收信号，将两次采集到的信号导入计算机，叠加后作为接收信号b。
6)构造中心频率6.19MHz、带宽1MHz的带通滤波器，分别对2mm裂纹试件中接收信号a、b进行滤波，如图5.1-5.2所示。从滤波前后的波形可以看出，两探头同时激励时，接收信号中出现了新的波形。
7)对2mm裂纹试件中接收信号a、b进行时频分析，结果如图7.1-7.2、图8.1-8.2所示。从两图中可见，同时激励时接收信号中确实产生了新的频率成分。对比图7.1与图8.1，同时激励时接收信号中在6.19MHz处产生了明显的和频成分。
8)在无裂纹试件中重复上述步骤5)～步骤8)，并对所得的接收信号a、b进行滤波和时频分析。在图6.1-6.2所示的滤波结果中，两信号滤波后的波形并没有明显区别，这是因为试件中没有闭合裂纹，同时激励时的接收信号中没有产生新的频率成分。图9.1-9.2、图10.1-10.2中的时频分析结果也表明两种接收信号中都未产生新的频率成分。证明本发明所描述的非共线混频检测方法可对裂纹有无进行准确判断。
9)改变两激励探头的位置和激励延迟，使两列激励信号的交汇点沿裂纹延伸方向移动，测量各位置的非线性系数β。图11显示了对0mm裂纹试件在深度方向上的扫描结果。扫描深度从20mm至30mm，间隔为1mm，重复5次。从图中可以看出，不同位置处非线性系数的平均值随深度增加而迅速减小。
10)分别在2mm和4mm裂纹试件上进行相同的扫描实验。图12显示了三试件不同位置处非线性系数的平均值。而且由于裂纹的存在，2mm和4mm裂纹试件各位置的非线性系数均值的整体水平有非常明显的上升。
11)以每一试件上非线性系数的最大值的0.707倍为阈值判断两个有裂纹试件的裂纹长度。经计算，2mm裂纹试件的非线性系数阈值为0.0118，对应图12中虚线；4mm裂纹试件的非线性系数阈值为0.0145，对应图12中点划线。以线切割缺口为裂纹起点，阈值线与非线性系数曲线的交点为终点，2mm、4mm试件微裂纹长度的测量结果如图13所示。
从图13中可看出，对两试件裂纹长度的测量结果存在误差，这是由较宽的激励信号声束引起的平均效应所导致的。本实验使用的探头压电晶片尺寸为8mm×9mm，两列激励信号的交汇位置并非为一点，而是一个区域，测量结果为这一区域内各点非线性系数的平均值。若使用压电晶片尺寸较小的探头或声束聚焦探头，减小激励信号交汇区域内的平均效应，可获得更准确的裂纹长度判定结果。
Claims (1)
1.一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，其特征在于：当结构中存在闭合裂纹时，应力σ与应变ε的非线性关系表示为：
σ＝KNε+βε2 (1)
其中KN为法向刚度，β为非线性系数；
两列斜入射纵波在裂纹处相遇，其中θ1、θ2为入射角；定义两列纵波的振幅为a1、a2，其圆频率分别为ω1、ω2，传播的方向向量分别为：
两列波引起质点振动的方向向量为：
其中pij与dij为各向量的分量，在t时刻第一列波引起的位移在x1轴上分量为：
u1＝d11a1cos[k1(x1p11+x2p12-cLt)] (4)
第二列波引起的位移在x1轴上分量为
u2＝d21a2cos[k2(x1p21+x2p22-cLt)] (5)
其中波数k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL，cL为纵波声速；根据弹性力学中质点位移与应变的关系，两列波在裂纹处相遇时引起的应变为
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<mn>11</mn>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mn>1</mn>
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<mn>21</mn>
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<mo>+</mo>
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<mo>-</mo>
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<mn>1</mn>
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<mn>11</mn>
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<mn>1</mn>
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<mo>(</mo>
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<mn>1</mn>
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<mn>11</mn>
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<mo>+</mo>
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<mi>x</mi>
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<mi>p</mi>
<mn>12</mn>
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<mrow>
<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<mn>21</mn>
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<mn>21</mn>
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<mo>&rsqb;</mo>
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<mn>2</mn>
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</mtd>
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</mtable>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将最后一项展开并忽略常数项得：
<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
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<mn>2</mn>
</mfrac>
<msub>
<mi>A</mi>
<mrow>
<mi>H</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
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<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>1</mn>
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<mo>(</mo>
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<mn>11</mn>
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<mo>+</mo>
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<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>p</mi>
<mn>12</mn>
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<mo>-</mo>
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<mn>2</mn>
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<mi>c</mi>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mn>1</mn>
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<mn>21</mn>
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<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>p</mi>
<mn>22</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
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<mi>c</mi>
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<mn>11</mn>
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<mrow>
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<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中各幅值AH1、AH2和AN的表达式为：
AH1＝βd11 2a1 2k1 2p11 2
AH2＝βd21 2a2 2k2 2p21 2
AN＝βd11a1k1p11d21a2k2p21
将k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL带入式(8)，得(7)式的最后一项为：
<mrow>
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mo>-</mo>
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<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
可见两列激励信号与裂纹相互作用产生了原频率的二倍频2ω1、2ω2及和频ω1+ω2、差频ω1-ω2新的频率成分；
在实际检测中，只有当两列激励信号同时到达微损伤处与缺陷共同作用时才会产生混频非线性响应，接收到的混频信号是典型的瞬变信号，因此采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据下式计算非线性系数β：
<mrow>
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<mo>)</mo>
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本方法采用的试验装置包括计算机(1)、SNAP系统(2)、示波器(3)、50Ω负载一(4)、50Ω负载二(5)、可调衰减器一(6)、可调衰减器二(7)、激励探头(8)、激励探头(9)、接收探头(10)和前置放大器(11)；具体而言，计算机(1)与SNAP系统(2)相连，控制产生激励信号，并采集接收信号；SNAP系统的输出通道I通过50Ω负载一(4)和可调衰减器一(6)与激励探头一(8)相连；SNAP系统的输出通道II通过50Ω负载二(5)和可调衰减器二(7)与激励探头二(9)相连；接收探头(10)通过前置放大器(11)与SNAP系统(2)的接收通道I相连；示波器(3)与SNAP系统(2)相连；
该方法通过以下步骤实现，
1)测量两个激励探头的频率响应特性，将带宽较窄者定为激励探头一，并选取幅值响应最大处的频率作为激励探头一的激励频率f1；根据激励探头二的频率响应特性，在幅值衰减小于-3dB的频率范围内并综合接收直探头的频响特性，确定激励探头二的频率变化范围；
2)连接各实验仪器，将两激励探头布置于试件的同侧；根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头的水平距离及激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时到达裂纹处；
3)按照上一步骤中计算出的时延差依次激励两斜探头，采用SNAP系统追踪和频及差频信号；根据和频及差频信号的追踪结果，选取幅值最大的点作为激励探头二的频率f2；
4)按照上述选定的频率和时延差依次激励两斜探头，用示波器采集此时接收探头10接收到的信号，导入计算机作为接收信号a；
5)仅激励斜探头一，用示波器采集并保存接收探头的信号，而后仅激励斜探头二，再次采集接收信号，将两次采集到的信号导入计算机，叠加后作为接收信号b；
6)以和频或差频为中心频率构造带通滤波器，对接收信号a、b进行滤波处理，观察接收信号a的时域是否出现新的波形，初步判断缺陷是否存在；
7)对接收信号a、接收信号b进行时频分析，结合步骤7对比时频分析处理结果；若与接收信号b相比，接收信号a在时域出现新的波形，且在频域中的和频及差频处出现新的频率成分，判定试件中存在裂纹缺陷，反之则表明试件中没有裂纹；
8)根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头激励信号的时延差，改变两激励探头的相对位置，使激励信号在沿裂纹延伸方向上的不同位置相遇；对来自不同位置的接收信号进行时频分析，提取基频f1、f2的幅值A1、A2以及和频f1+f2或差频f1-f2的幅值A3，计算非线性系数；
9)根据步骤8)的结果，选取一个非线性系数阈值对各位置是否存在裂纹进行判断；实际检测时可取各位置非线性系数最大值的0.707倍为阈值，当某一位置的非线性系数大于该阈值时，认为此处存在裂纹；反之，则认为此处没有裂纹；在一系列连续的存在裂纹的位置中，相距最远的两个位置之间的距离即可认为是裂纹长度。
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