CN106018553A - 非线性超声评估优化热处理工艺的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置，包括信号激励/接收器、衰减器、激励探头、接收探头、前置放大器、示波器和计算机，通过获取试件中传播的超声波基频信号A₁和二次谐波的波幅A₂，计算出试件的非线性声学参数β′，其中基于得到的相对非线性声学参数的值β′，比较未处理材料和经过不同热处理过程的非线性声学参数的不同。本发明基于热处理可以改变材料的微观结构，而超声传播的非线性响应和材料的微观结构有直接的关系，本发明可以非破坏、快速、有效地评估热处理工艺效果，进行优化、完善热处理工艺相关参数。

Description

非线性超声评估优化热处理工艺的装置

本申请是在“申请号2014102052439”母案基础上提出的分案申请。

技术领域

本发明公开一种非线性超声评估优化热处理工艺的方法和装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于材料测试技术领域，具体是涉及利用对材料性能进行非破坏评估和表征的技术。

背景技术

关键工程结构件所用材料，在正式投入应用前，通常需要经过热处理工艺提高其机械性能，满足工程结构承载的需求。热处理之所以能提高材料性能主要是因为它改变了材料的微观结构(即平行于界面的均质化滑移和局部塑性变形限制)。热处理工艺参数直接影响热处理工艺的效果，进而对材料性能有关键性的影响。通常评估热处理工艺效果的方法的是破坏性的测试材料热处理后的性能变化，这种方法不仅耗时较长，且浪费严重，过程复杂。而热处理工艺参数也是在实践中不断改进和完善的。如何非破坏、快速、有效地评估热处理工艺效果，优化、完善热处理参数非常重要。

材料显微组织和力学性能直接影响着声音在材料中传播的特性，超声评估和表征材料组织结构及力学性能的变化是一种被广泛应用的方法。常用的超声评估与检测方法是通过利用超声线性物理参数(如声速、幅度、衰减系数)表征材料组织结构和力学性能，但目前广泛使用的线性超声评估方法对材料的微观结构变化不敏感，因此在应用于热处理工艺参数优化评估时达不到理想的效果，比如当几种热处理参数差别较小时线性超声方法无法将它们的优劣明确的区分。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种非线性超声评估优化热处理工艺的方法，该方法是基于传播介质中微小的组织结构变化能导致明显的声波非线性响应不同，是一种基于非线性超声方法的热处理工艺效果评估和优化技术。

本发明的另一目的是提供一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种非线性超声评估优化热处理工艺的方法，将经过热处理工艺的试件固定并导入与适合频率的超声波，分别获取上述超声波的基频信号A₁和二次谐波的波幅A₂，计算出试件的相对非线性声学参数β′，其中β′＝A₂/A₁ ²；基于得到的相对非线性声学参数的值β′，比较未处理材料和经过不同热处理过程的非线性声学参数的不同，选择非线性声学参数最低的一组试件，该组试件采用的处理工艺作为最优化的热处理工艺。

一种非线性超声评估优化热处理工艺的方法，其检测步骤如下：

1)将经过不同热处理工艺的试件固定；

2)根据试件的材质选择适合的超声波频率，由信号激励器产生超声信号；

3)由激励探头将信号导入试料，再由接收探头接收并返回至接收单元；

4)接收单元将接收的信号滤波，并将信号在示波器上经过100～2000次平均后存储；

5)将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行时-频变换，有效获得基频导波的幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算A₂/A₁ ²数值；

6)计算相对非线性声学参数：

非线性声学参数β的值与基频波和二阶谐波的波幅相关，其计算公式为

$\mathrm{\β}=\frac{8A_2}{A_1^2{k}^{2}x}$

其中A₁和A₂分别是基频波波和二阶谐波的振幅，k是波数，x是波传播的距离；试验中只需要得到相对的非线性声学系数β′即可，表达式如下：

${\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{A_2}{A_1^2}\∝\mathrm{\β};$

7)基于得到的相对非线性声学参数的值，比较未处理材料和经过不同热处理过程的非线性物理参数的不同，选择非线性参数最低的一组作为最优化的热处理工艺。

步骤1)中，将试件固定在夹具中进行超声信号导入及接收。

步骤2)中信号激励器产生超声信号通过衰减器以提高信噪比，然后由激励探头导入试件。

步骤3)中，为保证统一的耦合状态，在激励探头和接收探头上固定装置以保证换能器与试件接触耦合状态稳定，其中接收探头接收超声信号经前置放大器放大后回到接收器中。

步骤4)中，接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，利用示波器获取接收到的信号波形，将其输入计算机中；由信号接收器获得的数据也一并输入计算机。

一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置，包括信号激励/接收器、衰减器、激励探头、接收探头、前置放大器、示波器和计算机，信号激励/接收器激励适合试件的一定频率超声波信号，经过衰减器以提高信噪比并连接激励探头，超声波信号被导入到试件中，在试件的另一端连接接收探头检测传播的声波信号，经前置放大器后进行滤波送入到示波器中，示波器获取接收到的信号波形将其输入计算机中；由信号激励/接收器获得的数据也一并输入计算机进行信号分析。

进一步，所述激励探头和接收探头之间设有固定夹具以夹持经过不同热处理工艺的试件。

本发明提供一种用于评估热处理效果，优化热处理参数的非线性超声方法和装置，利用一定装置获取基频信号A₁和二次谐波A₂的波幅，即可计算出试料的相对非线性声学参数β′，用β′来有效地表征材料性能发生的相对变化。试料或试件经过热处理工艺后，材料内部微观组织结构变得均匀，材料性能提高，在其中传播的超声波的非线性响应明显下降，根据非线性响应的强弱，评估热处理工艺的优劣，进而非破坏评估、优化热处理工艺参数。

附图说明

图1是本发明检测装置示意图。

图2是热处理工艺后的试件中二阶谐波与基频波的对比关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：请参阅图1及图2，一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置，包括信号激励/接收器1、衰减器2、激励探头3、接收探头4、前置放大器5、示波器6和计算机7，信号激励/接收器1激励适合试件的一定频率超声波信号，经过衰减器2以提高信噪比并连接激励探头3，超声波信号被导入到试件M中，在试件M的另一端连接接收探头4检测传播的声波信号，经前置放大器5后进行滤波送入到示波器6中，示波器获取接收到的信号波形将其输入计算机7中；由信号激励/接收器获得的数据也一并输入计算机7进行信号分析。

一种非线性超声评估优化热处理工艺的方法，其检测步骤：

1)将经过不同热处理工艺的试件固定在夹具中；

2)根据试件的材质选择适合的超声波频率，由信号激励器产生超声信号；

3)将产生的超声信号通过衰减器，以提高信噪比；

4)经过衰减之后的信号，由激励探头导入试料，再由接收探头接收，经前置放大器放大后回到接收器中；

5)为保证统一的耦合状态，在激励换能器和接收换能器上固定装置以保证换能器与试件接触耦合状态稳定；

6)利用示波器获取接收到的信号波形，将其输入计算机中；由信号接收器获得的数据也一并输入计算机；

7)接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100～2000次平均后存储；

8)将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行时-频变换，有效获得基频导波的幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算A₂/A₁ ²数值.

9)计算相对非线性声学参数；

非线性声学参数β的值与基频波和二阶谐波的波幅相关，其计算公式为

$\mathrm{\β}=\frac{8A_2}{A_1^2{k}^{2}x}$

其中A₁和A₂分别是基频波波和二阶谐波的振幅，k是波数，x是波传播的

距离。试验中我们只需要得到相对的非线性声学系数β′即可，表达式如下：

${\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{A_2}{A_1^2}\∝\mathrm{\β}$

10)基于得到的相对非线性声学参数的值，比较未处理材料和经过不同热处理过程的非线性物理参数的不同，选择非线性参数最低的一组作为最优化的热处理工艺。

本发明原理：

超声在微观组织结构不均匀的介质材料中传播，会导致波形畸变，产生双倍频二阶谐波。微观组织结构越不均匀(微观缺陷增多)，双倍频二阶谐波的幅度越高。材料经过热处理工艺后，内部微观组织结构会变得相对均匀，相对应的在其内传播的超声波二阶谐波幅度会减小。根据测量超声波在经过不同热处理工艺后的试件中二阶谐波与基频波的对比关系，可以定性的评估材料微观组织结构的均匀度，进而评价材料性能的变化，如图2中，基频信号幅度A₁，双倍频二阶谐波信号幅度A₂。

本发明是一种利用非线性超声方法评估、优化热处理工艺的新技术，其利用非破坏的方式精确评估不同的热处理工艺之后的材料性能的变化，进而优化热处理工艺。本发明基于热处理可以改变材料的微观结构，而超声传播的非线性响应和材料的微观结构有直接的关系。热处理的工艺越好，经过热处理后的材料内部结构越均匀，性能提高的越到，而超声传播的声学非线性响应则越小。通过一套有效测试经过热处理后的试件的超声非线性响应的变化，对材料热处理效果进行无损评估。

本发明基于传播介质中微小的组织结构变化也能导致明显的声波非线性响应不同，开发出一种基于非线性超声方法的热处理工艺效果评估和优化技术。这项技术对材料经过不同热处理工艺后微观结构的变化非常敏感，可以快速、有效的评估出热处理工艺的优劣，进而优化热处理工艺参数。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (2)

1.一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置，其特征在于：包括信号激励/接收器、衰减器、激励探头、接收探头、前置放大器、示波器和计算机，信号激励/接收器激励适合试件的一定频率超声波信号，经过衰减器以提高信噪比并连接激励探头，超声波信号被导入到试件中，在试件的另一端连接接收探头检测传播的声波信号，经前置放大器后进行滤波并依次送入到信号接收器、示波器中，示波器获取接收到的信号波形将其输入计算机中；由信号激励/接收器获得的数据也一并输入计算机进行信号分析；

上述非线性超声评估优化热处理工艺的装置的检测步骤如下：

1)将经过不同热处理工艺的试件固定在夹具中；

2)根据试件的材质选择适合的超声波频率，由信号激励器产生超声信号；

3)将产生的超声信号通过衰减器，以提高信噪比；

4)经过衰减之后的信号，由激励探头导入试件，再由接收探头接收，经前置放大器放大后回到接收器中；

5)为保证统一的耦合状态，在信号激励/接收器上设有固定装置以保证换能器与试件接触耦合状态稳定；

6)利用示波器获取接收到的信号波形，将其输入计算机中；由信号接收器获得的数据也一并输入计算机；

7)接收单元将接收的信号通过功率放大器后滤波，并将信号在示波器上经过100～2000次平均后存储；

8)将存储的信号经过Hanning窗户处理，选择其中稳定的部分进行时-频变换，有效获得基频导波的幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算数值.

9)计算相对非线性声学参数；

非线性声学参数β的值与基频波和二阶谐波的波幅相关，其计算公式为

$\mathrm{\β}=\frac{8A_2}{A_1^2{k}^{2}x}$

其中A₁和A₂分别是基频波和二阶谐波的振幅，k是波数，x是波传播的距离。试验中我们只需要得到相对的非线性声学系数β′即可，表达式如下：

${\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{A_2}{A_1^2}\∝\mathrm{\β}$

10)基于得到的相对非线性声学参数的值，比较未处理材料和经过不同热处理过程的非线性物理参数的不同，选择非线性参数最低的一组作为最优化的热处理工艺。

2.根据权利要求1所述的一种非线性超声评估优化热处理工艺的装置，其特征在于：所述激励探头和接收探头之间设有固定夹具以夹持经过不同热处理工艺的试件。