CN107917958A - 利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非线性超声检测领域，尤其是利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法。利用两个表面波探头由试件两端同时沿着相对方向激励相位相差的表面波信号，在试件中间进行接收；接收到的信号中基波由于相位相反而抵消，二次谐波被完整的保留下来，进而可以直接利用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数来表征材料微损伤程度；该相对超声非线性系数随着材料表面微损伤长度和数目变化存在相对应的变化关系，利用该关系可以检测材料表面微损伤长度和数目变化情况，预测材料的使用寿命。

Description

利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法
技术领域
本发明属于非线性超声检测领域，尤其是利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法。
背景技术
一般来说，固体材料由于晶体、晶体缺陷或其他微损伤的存在而存在非线性的特征，其非线性一般通过材料高阶弹性常数来描述。由于固体材料的非线性，单一频率超声波在固体材料内部传播时会与材料内部微损伤产生非线性相互作用，从而产生二次谐波。为了有效反应这一特点，定义超声非线性系数表征材料内部微损伤程度。对于给定的波数和传播距离，通过对基波和二次谐波幅值的测量，就可以确定材料的超声非线性系数。
为研究方便，直接采用相对超声非线性系数来表征超声非线性系数的变化情况。
目前的非线性表面波检测结果中二次谐波幅值与基波幅值相比相对较小，提取二次谐波时误差较大。由相对超声非线性系数计算公式可知，要同时得出与幅值并且通过计算才能得出相对超声非线性系数，计算相对超声非线性系数较麻烦，过程较为繁琐。而且目前的非线性表面波检测方法中采用的是单一探头单向激励表面波，检测距离小，检测效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，利用两个表面波探头由试件两端同时沿着相对方向激励相位相差的表面波信号，在试件中间进行接收表面波信号；
接收到的表面波信号中基波由于相位相反而抵消，二次谐波被完整的保留下来且相互叠加，进而可以直接利用叠加的二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数来表征材料内部微损伤程度；
该相对超声非线性系数随着材料表面微损伤的长度和数目变化趋势，与材料表面微损伤的长度和数目存在对应关系，利用该变化关系可以检测材料表面微损伤长度和数目变化情况，预测材料的使用寿命；
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，该方法是按照如下步骤实现的：
利用两个表面波探头由试件两端沿相对方向同时激励相位相差的表面波信号；
在试件的中点处（信号采集点）用一个中心频率为激励频率二倍的纵波直探头进行信号采集；
对采集到的表面波信号进行快速傅里叶变换，并记录二次谐波幅值，用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数表征材料内部微损伤程度；
当材料内部没有损伤时，单一频率超声波在固体材料中传播时不会产生二次谐波，此时相对超声非线性系数为零；当材料内部有微损伤时，相对超声非线性系数会随微损伤的变化而变化；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤的长度的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的长度，长度取值在一定范围内，对每一微损伤长度测定唯一对应的超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加的变化趋势；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤数目的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的数目，数目取值在一定范围内，该微损伤沿试件的中点处对称设置，对每一微损伤数目测定唯一对应的超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加的变化趋势。
进一步，所述的表面波信号的激励角度θ通过snell定理计算得出，
（8）
式（8）中，为采用斜楔激发表面波时斜楔材料中的纵波波速，为试件中表面波波速。
进一步，所述的由试件两端沿相对方向同时激励输入相位相差的表面波信号分别为相位和、周期和频率都相同的正弦波信号。
进一步，所述的用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数采用下述方式得到：
表面波在固体材料中传播的波动方程为：
（1）
式（1）中，为基波幅值，为二次谐波幅值，其中：
（2）
式（2）中，为发射超声波的波数，为波的传播距离，为超声非线性系数。
由式（1），当激励相位为的正弦波信号时，
（3）
当激励相位为的正弦波信号时，
（4）
在保证传播距离和波数相同的情况下，同时激励相位为和两正弦波信号， =
= （5）
由式（5）可知，在同时激励相位相差正弦波信号时，奇次项幅值互相抵消，偶次项幅值则变为原来的二倍；因此，二次谐波被完整保留下来，且其幅值变为2，实际检测时，由于信号截取问题会出现一定误差；
由式（2）可得：
（6）
由式（6）可知，在波数和传播距离一定的情况下，超声非线性系数只与基波幅值和二次谐波幅值有关，可以直接用相对超声非线性系数来表示；在基波幅值完全抵消的情况下，相对超声非线性系数只与二次谐波幅值有关，因此可以直接用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数，可以直接由下式得出：
（7）
进一步，所述的微损伤为椭圆形，宽度取10，长度取值0-150，数目取值0-8个。
进一步，所述的得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加呈二次函数关系增大。
进一步，所述的得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加呈二次函数关系增加。
本发明相比现有技术的有益效果：
本发明提出了一种新的非线性表面波检测方法，利用该方法可以直接利用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数来表征材料内部微损伤程度；该相对超声非线性系数随着材料表面微损伤的长度和数目变化，与材料表面微损伤的长度和数目存在对应关系，利用该关系可以检测材料表面微损伤的长度和数目变化情况，预测材料的使用寿命。具体来说：
1、二次谐波幅值直接代替相对超声非线性系数来表征材料内部微损伤程度，简化了相对超声非线性系数的计算。
2、采用双探头，检测距离扩大为原来二倍，扩大了检测范围，提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明的检测示意图。
图2为无损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时采集点接收到信号的时域波形幅值谱。
图3为无损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时采集点接收到信号的频域波形幅值谱。
图4为有损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。
图5为有损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。
图6为有损伤时由右端激励相位为的表面波信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。
图7为有损伤时由右端激励相位为的表面波信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。
图8为有损伤时左右两端同时激励相位相差的两信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。
图9为有损伤时左右两端同时激励相位相差的两信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。
图10为相对超声非线性系数随微损伤（宽10nm）长度变化情况。
图11为相对超声非线性系数随微损伤数目的变化情况。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作出进一步描述。
根据附图中试件长度和材料，选取激励表面波信号为相位00和、10周期、频率为2.5MHz并加有汉宁窗的正弦波；附图1中两对称损伤为长150um、宽10um的椭圆形损伤。
利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，该方法是按照如下步骤实现的：
利用两个表面波探头由试件两端沿相对方向同时激励输入相位相差的表面波信号；
在试件的信号采集点用一个中心频率为激励频率二倍的纵波直探头进行信号采集；
对采集到的表面波信号进行快速傅里叶变换，并记录二次谐波幅值，用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数来表征材料内部微损伤程度；
当材料内部没有损伤时，单一频率超声波在固体材料中传播时不会产生二次谐波，此时相对超声非线性系数为零；当材料内部有微损伤时，相对超声非线性系数会随微损伤的变化而变化；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤的长度的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的长度，长度取值在一定范围内，对每一微损伤长度测定唯一对应的超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加的变化趋势；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤的数目的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的数目，数目取值在一定范围内，该微损伤沿试件的中点处对称设置，对每一微损伤数目测定唯一对应的相对超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加的变化趋势。
所述的表面波信号的激励角度θ通过snell定理计算得出，
（8）
式（8）中，为采用斜楔激发表面波时斜楔材料中的纵波波速，为试件中表面波波速。
所述的由试件两端沿相对方向同时激励输入相位相差的表面波信号分别为相位和、周期和频率都相同的正弦波信号。
所述的用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数采用下述方式得到：
表面波在固体材料中传播的波动方程为：
（1）
式（1）中，为基波幅值，为二次谐波幅值，其中：
（2）
式（2）中，为发射超声波的波数，为波的传播距离，为超声非线性系数；
由式（1），当激励相位为的正弦波信号时，
（3）
当激励相位为的正弦波信号时，
（4）
在保证传播距离和波数相同的情况下，同时激励相位为和的两正弦波信号， =
= （5）
由式（5）可知，在同时激励相位相差的正弦波信号时，奇次项幅值互相抵消，偶次项幅值则变为原来的二倍；因此，二次谐波被完整保留下来，且其幅值变为2，实际检测时，由于信号截取问题会出现一定误差；
由式（2）可得：
（6）
由式（6）可知，在波数和传播距离一定的情况下，超声非线性系数只与基波幅值和二次谐波幅值有关，可以直接用相对超声非线性系数来表示；在基波幅值完全抵消的情况下，相对超声非线性系数只与二次谐波幅值有关，因此可以直接用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数，可以直接由下式得出：
（7）
所述的微损伤为椭圆形，宽度取10，长度取值0-150，数目取值0-8个。
所述的得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加呈二次函数关系增大。
所述的得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加呈二次函数关系增加。
图1中表面波探头和两个椭圆形微损伤（10nm宽150um长）均关于信号采集点对称；利用两个表面波探头由试件两端同时沿着相对方向激励相位相差的表面波信号，在试件中间进行接收表面波信号的方式，用ABAQUS有限元分析软件对上述方式进行了数值仿真。
根据非线性表面波激发和接收原理，采用有限元平面单元建立本发明的检测示意图，如图1所示为本发明的检测示意图；为了减小计算量，采用有限元二维平面单元和轴对称模型；在二维平面里，表面波从两端点入射，沿试件表面向试件中点传播，入射角θ；在试件的上表面中间位置，预设对称的椭圆形微损伤，微损伤垂直于表面波信号传播方向，表面波与微损伤发生非线性相互作用，从而产生二次谐波；图1中左、右、下三边为预设高衰减区，可防止表面波信号在边界处发生反射；根据图1中试件的长度和材料，选取激励信号为10个周期的单一频率正弦脉冲串，频率2.5，相位00和并加有汉宁窗的正弦波信号。
图2为无损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时采集点接收到信号的时域波形幅值谱。图3为无损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时采集点接收到信号的频域波形幅值谱。图4为有损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。图5为有损伤时由左端激励相位为0的表面波信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。图6为有损伤时由右端激励相位为的表面波信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。图7为有损伤时由右端激励相位为的表面波信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。图8为有损伤时左右两端同时激励相位相差的两信号时信号采集点接收到信号的时域波形的幅值谱。图9为有损伤时左右两端同时激励相位相差的两信号时信号采集点接收到信号的频域波形的幅值谱。
由图3、5知，微损伤是二次谐波产生的主要原因。
由图4、5、6、7知，采用单一波激励时，基波幅值要比二次谐波幅值高出来一个数量级，因此在二次谐波的提取和计算相对超声非线性系数时都会造成很大的误差。
由图8、9可知，采用反相对表面波激励时，基波幅值被完全抵消，二次谐波被更加完整的保留下来；且图9中二次谐波9.2E-6与图5和图7中二次谐波之和9.12E-6相差不大，这与理论分析结果相符合。
为了验证反相对表面波法检测材料表面微损伤的可行性，分别改变微损伤的长度和数目，观察相对超声非线性系数的变化情况；图10为相对超声非线性系数随微损伤（宽10nm）长度变化情况；图11为相对超声非线性系数随微损伤数目的变化情况。
由图10可知，在一定范围内，相对超声非线性系数随微损伤长度增加而呈二次函数关系增大。
由图11可知，所有椭圆形微损伤尺寸都为10nm宽150um长，沿试件中心位置每隔0.5mm对称设置，相对超声非线性系数随微损伤数目的增加呈二次函数关系增加。
综上所述，利用反相对表面波法检测材料表面微损伤是完全可行的。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：该方法是按照如下步骤实现的：
利用两个表面波探头由试件两端沿相对方向同时激励输入相位相差的表面波信号；
在试件的中点处（信号采集点）用一个中心频率为激励频率二倍的纵波直探头进行信号采集；
对采集到的表面波信号进行快速傅里叶变换，并记录二次谐波幅值，用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数来表征材料内部微损伤程度；
当材料内部没有损伤时，单一频率超声波在固体材料中传播时不会产生二次谐波，此时相对超声非线性系数为零；当材料内部有微损伤时，相对超声非线性系数会随微损伤的变化而变化；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤的长度的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的长度，长度取值在一定范围内，对每一微损伤长度测定唯一对应的相对超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加的变化趋势；
相对超声非线性系数与材料表面微损伤的数目的关系测定：对上述同一试件，仅改变微损伤的数目，数目取值在一定范围内，该微损伤沿试件的中点处对称设置，对每一微损伤数目测定唯一对应的相对超声非线性系数，得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的表面波信号的激励角度θ通过snell定理计算得出，
式中，为采用斜楔激发表面波时斜楔材料中的纵波波速，为试件中表面波波速。
3.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的由试件两端沿相对方向同时激励输入相位相差的表面波信号分别为相位和、周期和频率都相同的正弦波信号，具体相位、周期和频率要根据被测对象的材料和尺寸来选取。
4.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的用二次谐波幅值来代替相对超声非线性系数采用下述方式得到：
表面波在固体材料中传播的波动方程为：
（1）
式（1）中，为基波幅值，为二次谐波幅值，其中：
（2）
式（2）中，为发射超声波的波数，为波的传播距离，为超声非线性系数；
由式（1），当激励相位为的正弦波信号时，
（3）
当激励相位为的正弦波信号时，
（4）
在保证传播距离和波数相同的情况下，同时激励相位为和两正弦波信号， =
= （5）
由式（5）可知，在同时激励相位相差的正弦波信号时，奇次项幅值互相抵消，偶次项幅值则变为原来的二倍；因此，二次谐波被完整保留下来，且其幅值变为2；
由式（2）可得：
（6）
由式（6）可知，在波数和传播距离一定的情况下，超声非线性系数只与基波幅值和二次谐波幅值有关，可以直接用相对超声非线性系数来表示；在基波幅值完全抵消的情况下，相对超声非线性系数只与二次谐波幅值有关，因此可以直接用二次谐波幅值来代替相对替超声非线性系数，可以直接由下式得出：
（7）。
5.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的微损伤为椭圆形，宽度取10，长度取值0-150，数目取值0-8个。
6.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的得到相对超声非线性系数随微损伤长度增加呈二次函数关系增大。
7.根据权利要求1所述的利用反相对表面波检测材料表面微损伤的方法，其特征在于：所述的得到相对超声非线性系数随微损伤数目增加呈二次函数关系增加。
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