CN106949861A - 一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，属于金属材料疲劳损伤分析技术领域。在待测试件的中间放置探头，将待测试件的两端固定，待测试件的中间悬挂一个重物，通过重物的重力对待测试件产生拉伸进行产生疲劳。在待测试件上制作在线监测应变的支撑架，支撑架内放置超声换能器。非线性声学检测设备的高能脉冲信号输出端通过50欧姆阻抗匹配、双工器后，与超声波换能器进行交互，经待测试件反射后接收反射的超声波信号。本发明能够实现金属材料的在线监测可以评价外界载荷长期作用下在役工件的力学状况，降低了由于金属工件断裂失效造成的工程项目风险，解决了现有设备成本高、操作复杂的缺点，具有商业应用推广价值。

Description

一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法

技术领域

本发明涉及一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，属于金属材料疲劳损伤分析技术领域。

背景技术

在工业生产和日常生活中起到重要支撑和保护作用的金属材料构件，外界长期的载荷作用和恶劣环境导致了力学性能的不断退化，其中材料应变变化尤为明显，因此可以通过对服役过程中金属材料应变的监测实现金属力学性能的评价。

无损检测技术在金属材料疲劳度检测上的应用也很普遍，常用的检测方法有红外检测、涡流检测、微波检测、电磁声发射检测等方法。超声无损检测技术是根据超声波在固体材料中传播过程中遇到不连续界面和不均匀介质造成声波的衰减、反射以及散射现象，进而实现非金属材料、金属材料多种材料性能评价，具有方向性好、穿透力强等优点，是实现材料结构安全性重要检测手段，但是该方法检测缺陷往往是材料的宏观缺陷，而对材料性能退化出现应变变化不敏感。

随着力学、声学和材料学领域的一些研究进展，发现材料内部疲劳损伤和微裂纹引起的非线性力学行为通过非线性超声检测方法能够得到很好的反映，在评估材料性能方面，非线性超声方法明显优于其他几种检测方法。所以采用非线性超声技术来实现金属材料应变变化的检测。

非线性超声方法是基于弹性波理论，采用有限振幅声波在固体材料中传播产生的非线性声学现象，提取非线性参数，可以实现金属材料应变变化的测量。非线性超声的理论进展有位错弦相关超声非线性理论、位错偶超声非线性相关理论、塑性相关的超声非线性理论等。非线性超声波检测方法主要有有限幅度法、混合频率响应法、次谐波技术。其中,有限振幅法相对简便、技术较为成熟且应用也最多。基于有限振幅法,研究者发展出了不同波型的非线性超声检测技术,如纵波、瑞利表面波、Lamb波等。按照损伤类型,非线性超声检测相关研究工作可以分为以下几类：疲劳损伤、热损伤、蠕变损伤、界面黏接情况等的损伤。其中，工程材料在循环载荷的作用下,往往会产生疲劳损伤，引起位错微观结构变化、裂纹萌生,从而导致材料性能退化；热损伤主要是指材料在无应力或较低应力状态下,由于温度作用导致的材料性能变化；蠕变是指材料在应力不变的情况下,应变随时间延长而增加的现象。非线性超声检测方法是近几十年来无损检测技术研究的热点，本发明采用该方法测量金属材料应变变化既具有可靠性，又具有可行性。

应变测量是指对材料在变形过程中的应力(包括大小和方向)进行分析。应力不能直接进行测量，但可以间接地通过对变形或应变的测量而获得，故测量技术成为影响应力测量准确性的一个重要因素。常见的测量技术有：(1)二维的光学测量软件：该软件通过测量板材上印制的圆形网格几何量的变化，计算应变值并绘制出成形极限曲线。(2)三维的光学测量软件：三维光学测量系统是相对于二维光学测量系统来说的，它又分为三维离线光学应变测量系统和三维在线光学应变测量系统。它们都是通过分析材料表面所印制网格在加载前后的变形来测量加载后材料内部应力的分布情况的，只不过离线测量只关心加载后的结果，而在线测量更关心材料的变形过程。(3)光学杠杆应变测量法：光学杠杆法测量系统将测量杠杆作为接触测量工具，利用激光杠杆将微位移量放大，并用CCD摄像机作为视觉测量手段，实现了接触式与非接触式测量的结合。通过改变加载在被测材料上的电场强度,得到材料不同的变形量，然后利用光学杠杆测量系统进行测量，从而可得到材料的应变随加载电场强度的变化规律。(4)光纤传感器应变测试系统：光纤应变测量的基本原理是:把光纤粘贴在物体表面或预埋在物体内部，当物体受载荷或因其它因素作用发生变形时，光纤随之产生量级相等的变形，引起光纤内传输光的光程和纤芯的折射率发生变化，从而使传输光的相位发生改变。通过测量光纤中波导光的相位变化，进而推导出物体所发生的变形，即可计算出物体的应变值。(5)光纤Bragg光栅应变测量系统。(6)应变测量传感器。可见，现有应变变化测量技术主要集中于光学领域，检测方法复杂且设备造价高。

综上所述，本发明采用非线性超声检测技术实现金属材料应变变化的在线监测，降低了金属材料应变检测的成本，同时推进了非线性超声检测技术在工业应用方面的发展，极具商业价值。

发明内容

非线性超声检测是根据超声波在固体介质中传播时材料损伤积累与其相互作用，波形会发生非线性失真、畸变以及高次谐波产生等现象的非线性响应信号进行材料性能的评估和微小损伤的检测，本质上是对材料属性和损伤的反映。

为实现上述目的，本方法采用的技术方案为一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，首先根据固体材料内的一维非线性超声波动方程：

其中K₂为固体材料的二阶弹性常数弹性常数，K₃为固体材料的三阶弹性常数，ρ是固体材料的密度，u是声波在固体材料传播过程中引起质点振动的位移，u是关于(x,t)的函数，x表示位于x坐标轴的位置，t是声波传播的时间。

假设入射声波形式为：u(0,t)＝Asin(ωt)，u是入射声波引起的质点位移，ω是入射声波的角频率，t是声波传播时间，A是入射声波振动幅值。代入式(1)中进行求解得到：

其中A₁是基波幅值，k是声波波数，k＝ω/c，x是声波传播距离。β是非线性参数，β与K₂、K₃有关，为：

定义式(2)中二次谐波幅值A₂：

将式(4)表达式进行整理，得到非线性参数另一种表达形式：

由式(5)看出非线性参数与声波的波数、传播距离，基波和二次谐波幅值有关。检测过程中，声波的波数k和传播距离x是固定值，将非线性参数进一步化简，使用相对超声非线性参数β′：

β′表示超声非线性参数数β的变化情况。

材料的早期力学性能退化会导致材料的弹性常数发生变化，因此非线性参数可以表征材料力学性能的变化。但是由于材料的高阶弹性常数很难实现测量，根据非线性波动方程求解得到非线性参数的谐波幅值表达公式，即式(6)实现非线性参数的测量。由式(6)可知，通过测量非线性声波的基波幅值与二次谐波幅值就实现非线性参数的计算。该参数的变化反映了此时材料力学性能状况，从而实现待测样品应变变化的实时监测。

非线性声波的谐波幅值微弱，容易收到测量仪器及噪声的干扰，造成测量结果的不准确性。假设进行了n次非线性声波测量，可以得到基波幅值、二次谐波幅值为A₁(i)，A₂(i)，i取值范围为1，2，3...n，n取正整数。本方法采用矫正后的非线性参数具体如下：

其中

矫正后非线性参数满足取得最小值，降低测量过程的误差。

基于一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法搭建的一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置，如图2所示。该装置包括非线性超声检测设备1、控制主机2、滤波器3、双工器4、50欧姆阻抗匹配5、支撑架6、超声换能器7、重物8和待测试件；超声换能器7设置在待测试件上并安装支撑架6内，待测试件与和重物8连接；非线性超声检测设备1通过50欧姆阻抗匹配5和双工器4连接，超声换能器7与双工器4进行交互；双工器4通过滤波器3与非线性超声检测设备1连接；非线性超声检测设备1由控制主机2控制；双工器4用来将激励信号与发射信号分别通过不同线路传送；滤波器3用来提取非线性超声高频信号；50欧姆阻抗匹配5用以激励电信号的发送；控制主机2实现激励信号参数的设置以及信号采集显示和存储。

整个装置分为金属材料在线应变检测部分、声波发射和接收部分以及接收非线性超声参数的处理。

步骤一：制作铝合金板材，铝合金板材作为待测试件，待测试件的中间放置探头。

步骤二：将待测试件的两端固定，待测试件的中间悬挂一个重物8，通过重物8的重力对待测试件产生拉伸进行产生疲劳。在待测试件上制作在线监测应变的支撑架6，支撑架6内放置超声换能器7。

步骤三：搭建一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置。控制主机2与非线性声学检测设备1之间通过信号线相连，控制主机2内设有非线性声学测量软件，采用软件设定的各种参数控制非线性声学测量系统的硬件激励和接收超声波信号，信号采集完成后对信号进行处理；非线性声学检测设备1的高能脉冲信号输出端通过50欧姆阻抗匹配5、双工器4后，与超声波换能器7进行交互，经待测试件反射后接收反射的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量系统通道1，通过非线性声学测量系统的射频信号监控端与信号选择器相连，将接收信号送入数字示波器，采集到基波。由于二次谐波的幅值要比基波的弱的多，很难采集到二次谐波，所以需连接滤波器3将基波成分滤掉来采集二次谐波。实验装置如图2所示。

步骤四：非线性声学信号的处理。使用非线性超声检测装置采集非线性声学信号，测量载荷加载下待测试件的非线性参数变化，并将非线性参数正则化，绘制参数-时间变化曲线，进而实现待测试件的金属材料应变变化在线测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

本发明能够实现金属材料的在线监测可以评价外界载荷长期作用下在役工件的力学状况，降低了由于金属工件断裂失效造成的工程项目风险。

本发明采用非线性超声检测手段，很好地解决了现有设备成本高、操作复杂的缺点，该技术极具有商业应用的推广价值。

附图说明

图1样品型号及尺寸。

图2装置结构图。

图3信号采集及处理流程图。

图4正则化的流程图。

图中：1、非线性超声检测设备，2、控制主机，3、滤波器，4、双工器，5、50欧姆阻抗匹配，6、支撑架，7、超声换能器，8、重物。

具体实施方式

本发明提供一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置，分为金属材料在线应变检测部分、声波发射和接收部分以及接收非线性超声参数的处理。

步骤一：为了验证本方法，制作一块长*宽*高尺寸为20*4*1(单位：cm)LY12铝合金板材，如图1所示，试件中间的圆圈为放置探头的地方。如图示1。

表1LY12铝合金试件的参数

	长(cm)	宽(cm)	高(cm)	纵波速度(m/s)	横波速度(m/s)
						试件	20	4	1	6345.85	2365.82

步骤二：将制作的板材两端固定，中间悬挂一个重物以产生一定的疲劳。在板材上制作在线监测应变的支撑架，放置超声换能器。

步骤三：搭建一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置。步骤四：非线性声学信号的处理。使用非线性超声检测装置每隔2小时采集一组非线性声波的基波幅值和二次谐波幅值，采用矫正公式计算非线性参数，并将连续跟踪采集168小时(7天)的参数正则化，得到参数-时间曲线，进而实现金属材料力学状况监测。

步骤三中，计算机与非线性声学测量系统之间通过信号线相连，采用软件设定各种参数控制非线性声学测量系统硬件激励和接收超声波信号、并对信号进行处理；非线性声学测量系统的高能脉冲信号输出端通过50Ω负载、衰减器，然后与超声波换能器相连，经试件反射后接收反射的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量系统通道1，通过非线性声学测量系统的射频信号监控端与信号选择器相连，将接收信号送入数字示波器，这样就采集到基波了。由于二次谐波的幅值要比基波的弱的多，很难采集到二次谐波，所以需连接高通滤波器将基波成分滤掉来采集二次谐波。信号采集及处理流程图，如图3所示。

步骤四中，为了保证实验结果的准确性和减少偶然因素的不良影响，实验中每次测量都保证探头放置在试件的同一位置(本方法将探头放在了试件的中间)，并且检测时重复进行10次测量，如图1所示为测试点的位置。本实验采集的时域信号为离散信号，需要加窗截取其中的一段信号进行分析。对截取的信号进行快速傅里叶变换，得到基波幅值；对截取的信号先用高通滤波器滤波再进行时频域分析得到二次谐波幅值。之后就可以将基波幅值和二次谐波幅值带入本发明提出的校正公式(7)来进行计算非线性参数大小。

加窗函数会对信号的提取有两方面的影响：第一，所选窗函数频谱的主瓣会导致信号的频谱在理想的截止频率位置出现过渡带；第二，所选窗函数的频谱旁瓣会造成的吉布斯效应。表现为频谱中信号的主瓣宽度、幅值和旁瓣的相对幅度发生改变。综合考虑窗函数本身的频谱特性和待处理信号的特点，应采取旁瓣高度随频率尽快衰减，或者采取增加主瓣宽度以换取对旁瓣的抑制，采用各参数适中的汉宁窗。

最后，还需要绘制非线性声学参数随加载负载时间增长的变化曲线。在连续监测168小时内，非线性检测设备会受到外界环境和人为操作失误影响。为了降低监测结果的不准确性，采用正则化处理连续监控获得大量数据。

正则化的流程图如图4所示。

通过正则化实现限制非线性参数巨大波动的目的，建立线性方程组Ax＝β，其中A是设计矩阵，β是非线性参数。判断该方程组是否存在唯一解，若存在唯一解则不需要进行正则化处理。否则，需要对线性方程组根据吉洪诺夫准则进行处理后在求解。使用||Ax-β||²+||Γx||²的方法来求解方程组，其中Γ是吉洪诺夫矩阵为单位矩阵，||·||表示欧氏2范数。所得x＝(A^TA+Γ^TΓ)^-1A^Tβ，即为正则化非线性参数。

Claims (3)

1.一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法，其特征在于：首先根据固体材料内的一维非线性超声波动方程：

$\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}=K_2\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}+(3K_2+K_3)\frac{\∂u}{\∂x}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}---\left(1\right)$

其中K₂为固体材料的二阶弹性常数弹性常数，K₃为固体材料的三阶弹性常数，ρ是固体材料的密度，u是声波在固体材料传播过程中引起质点振动的位移，u是关于(x,t)的函数，x表示位于x坐标轴的位置，t是声波传播的时间；

假设入射声波形式为：u(0,t)＝Asin(ωt)，u是入射声波引起的质点位移，ω是入射声波的角频率，t是声波传播时间，A是入射声波振动幅值；代入式(1)中进行求解得到：

$u(x,t)=A_{1}sin(kx-\mathrm{\ω}t)+\frac{1}{8}\left({A_1}^2{k}^2\mathrm{\β}x\right)cos2(kx-\mathrm{\ω}t)---\left(2\right)$

其中A₁是基波幅值，k是声波波数，k＝ω/c，x是声波传播距离；β是非线性参数，β与K₂、K₃有关，为：

$\mathrm{\β}=-\frac{3K_2+K_3}{K_2}---\left(3\right)$

定义式(2)中二次谐波幅值A₂：

$A_2=\frac{A_1^2{k}^2\mathrm{\β}x}{8}---\left(4\right)$

将式(4)表达式进行整理，得到非线性参数另一种表达形式：

$\mathrm{\β}=\frac{8}{k^{2}x}\frac{A_2}{{A_1}^2}---\left(5\right)$

由式(5)看出非线性参数与声波的波数、传播距离，基波和二次谐波幅值有关；检测过程中，声波的波数k和传播距离x是固定值，将非线性参数进一步化简，使用相对超声非线性参数β′：

${\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{A_2}{{A_1}^2}---\left(6\right)$

β′表示超声非线性参数数β的变化情况；

材料的早期力学性能退化会导致材料的弹性常数发生变化，因此非线性参数表征材料力学性能的变化；但是由于材料的高阶弹性常数很难实现测量，根据非线性波动方程求解得到非线性参数的谐波幅值表达公式，即式(6)实现非线性参数的测量；由式(6)可知，通过测量非线性声波的基波幅值与二次谐波幅值就实现非线性参数的计算；该参数的变化反映了此时材料力学性能状况，从而实现待测样品应变变化的实时监测；

非线性声波的谐波幅值微弱，容易收到测量仪器及噪声的干扰，造成测量结果的不准确性；假设进行了n次非线性声波测量，可以得到基波幅值、二次谐波幅值为A₁(i)，A₂(i)，i取值范围为1，2，3...n，n取正整数；本方法采用矫正后的非线性参数具体如下：

$\widehat{\mathrm{\β}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_1\left(i\right)A_2^2\left(i\right)-n{\stackrel{\‾}{A}}_1{\stackrel{\‾}{A}}_2^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_2^2\left(i\right)-n{\stackrel{\‾}{A}}_2^2}---\left(7\right)$

其中

矫正后非线性参数满足取得最小值，降低测量过程的误差。

2.利用权利要求1所述一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的方法搭建的一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置，其特征在于：该装置包括非线性超声检测设备(1)、控制主机(2)、滤波器(3)、双工器(4)、50欧姆阻抗匹配(5)、支撑架(6)、超声换能器(7)、重物(8)和待测试件；超声换能器(7)设置在待测试件上并安装支撑架(6)内，待测试件与和重物(8)连接；非线性超声检测设备(1)通过50欧姆阻抗匹配(5)和双工器(4)连接，超声换能器(7)与双工器(4)进行交互；双工器(4)通过滤波器(3)与非线性超声检测设备(1)连接；非线性超声检测设备(1)由控制主机(2)控制；双工器(4)用来将激励信号与发射信号分别通过不同线路传送；滤波器(3)用来提取非线性超声高频信号；50欧姆阻抗匹配(5)用以激励电信号的发送；控制主机(2)实现激励信号参数的设置以及信号采集显示和存储。

3.根据权利要求2所述的一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置，其特征在于：整个装置分为金属材料在线应变检测部分、声波发射和接收部分以及接收非线性超声参数的处理；

步骤一：制作铝合金板材，铝合金板材作为待测试件，待测试件的中间放置探头；

步骤二：将待测试件的两端固定，待测试件的中间悬挂一个重物(8)，通过重物(8)的重力对待测试件产生拉伸进行产生疲劳；在待测试件上制作在线监测应变的支撑架(6)，支撑架(6)内放置超声换能器(7)；

步骤三：搭建一种非线性超声在线监测金属材料应变变化的装置；控制主机(2)与非线性声学检测设备(1)之间通过信号线相连，控制主机(2)内设有非线性声学测量软件，采用软件设定的各种参数控制非线性声学测量系统的硬件激励和接收超声波信号，信号采集完成后对信号进行处理；非线性声学检测设备(1)的高能脉冲信号输出端通过50欧姆阻抗匹配(5)、双工器(4)后，与超声波换能器(7)进行交互，经待测试件反射后接收反射的超声波信号，一路信号直接送入非线性声学测量系统通道1，通过非线性声学测量系统的射频信号监控端与信号选择器相连，将接收信号送入数字示波器，采集到基波；由于二次谐波的幅值要比基波的弱的多，很难采集到二次谐波，所以需连接滤波器(3)将基波成分滤掉来采集二次谐波；

步骤四：非线性声学信号的处理；使用非线性超声检测装置采集非线性声学信号，测量载荷加载下待测试件的非线性参数变化，并将非线性参数正则化，绘制参数-时间变化曲线，进而实现待测试件的金属材料应变变化在线测量。