CN108802180B - 一种通过非线性混频声波来评估微裂纹宽度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过非线性混频声波来评估微裂纹宽度的方法，首先激发两列频率不同的声波，分别作为激励信号和调制信号；然后接收经过材料的混合声波，进行快速傅里叶变换，得到混合声波的频谱图；接着分析混合声波频谱图，确定是否存在旁瓣缺级，若存在，计算微裂纹宽度，否则调节调制信号幅值，并重新探测。本发明在现有技术确定是微纹的情况下，能够根据裂纹宽度对非线性旁瓣的影响确定微裂纹的宽度，为缺陷检测、裂纹生长以及材料寿命评估提供理论依据。

Description

一种通过非线性混频声波来评估微裂纹宽度的方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术，具体涉及一种通过非线性混频声波评估微裂纹宽度的方法。
背景技术
无损检测是在不对材料形状、材料使用性能造成破坏的情况下对材料进行检测的方法。声波在材料中的传播会受到材料结构的影响，当材料结构不连续或者不均匀时，声波的传播会有反射、折射、散射以及延时等现象，通过对材料中这些声波参数进行检测，就可以得到材料中杂质、裂纹等信息。
传统的裂纹检测方法根据传播过程中声波线性特征的变化确定裂纹的定位和尺寸，但是只能对较大的裂纹进行检测。由于材料中的裂纹会引起非线性现象，即使裂纹很小，也会产生很强的非线性现象。基于这一特性，非线性混频声学方法通过外加调制信号改变裂纹状态来对激励信号进行调制，可以根据产生的非线性旁瓣确定是否有微缝，但是还不能有效评估裂纹的参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过非线性混频声波评估微裂纹宽度的方法，不仅能对微裂纹进行检测，还可以评估裂纹参数。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种通过非线性混频声波评估微裂纹宽度的方法，包括如下步骤：
步骤1、激发两列频率不同的声波，分别作为激励信号和调制信号；
步骤2、接收经过材料的混合声波，进行快速傅里叶变换，得到混合声波的频谱图；
步骤3、分析混合声波频谱图，确定是否存在旁瓣缺级，若存在，则转至步骤4计算微裂纹宽度，否则调节调制信号幅值，并转至步骤2重新探测；
步骤4、根据旁瓣缺级，计算微裂纹宽度：
Figure GDA0001810699490000011
式中，a为微裂纹宽度，AL为调制信号幅值，FL为调制信号频率，Tc为裂纹壁接触时间， n为旁瓣缺级。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明在现有技术确定是微纹的情况下，能够根据裂纹宽度对非线性旁瓣的影响确定微裂纹的宽度，为缺陷检测、裂纹生长以及材料寿命评估提供理论依据。
附图说明
图1为本发明评估微裂纹宽度的方法流程图；
图2为非线性混频声学法的检测原理图；
图3为不同调制信号大小时的两个频谱图，3(a)中T1＝3.51，3(b)中T1＝3；
图4为构建裂纹宽度和旁瓣缺级关系的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，同过非线性混频声波评估微裂纹宽度的方法，包括如下步骤：
步骤1、激发两列频率不同的声波，分别作为激励信号(检测信号)和调制信号。
一般要求调制信号为低频声波，频率取结构的固有频率，其大小随结构而变化，一般为几十到几千赫兹，本说明书所使用的频率为1kHz；检测信号为高频声波，频率远大于调制频率，在数值分析一般取20～50倍为宜(太小时调制信号倍频可能与差频重合，太大时计算量巨大)，实验中一般为调制频率的200～500倍，本说明书进行数值计算时所采用的的频率为20kHz。混合声波通过材料中的裂纹区域后，会出现新的频率成分。假设输入信号分别为：
FL＝ALsin(2πfLt) (1)
FH＝AHsin(2πfHt) (2)
式中，FL为低频调制信号频率，AL为低频调制信号幅值，FH为高频激励信号的频率，AH为高频激励信号的幅值。当材料中有裂纹时，材料刚度是应变的函数，此时求解应力将会有和频、差频以及倍频等频率成分，通过这些新频率成分可以对裂纹进行探测。实验中非线性混频声学法裂纹检测就是利用这一原理，但这无法用于评估微裂纹参数。
步骤2、接收经过材料的混合声波，进行快速傅里叶变换，得到混合声波的频谱图；
步骤3、分析混合声波频谱图，确定是否存在旁瓣缺级，若存在，则转至步骤4计算微裂纹宽度，否则调节调制信号幅值，并转至步骤2重新探测。
研究发现由于调制信号的影响，裂纹壁的运动会对非线性频率(旁瓣)幅值产生影响。裂纹壁运动会使裂纹壁接触，调制信号周期与裂纹壁接触时间的比值与某一级旁瓣幅值直接相关，存在以 下关系：
Figure GDA0001810699490000031
式中，An是第n级旁瓣幅值，T1是调制信号周期与裂纹壁接触时间的比。
因此，可以通过分析调制信号周期与裂纹壁接触时间的比值，确定是否存在旁瓣缺级，若比值为整数，说明对应旁瓣缺级，若比值不是整数，说明不存在旁瓣缺级。以图 3频谱图为例，3(a)中T1＝3.51，3(b)中T1＝3，分析频谱内容可知此时3(b) 中第3n级旁瓣缺级。
裂纹壁闭合是由于裂纹壁质点振动引起的，而这一振动与调制信号相关。如图4所示，当裂纹宽度为14μm时，若调制信号幅值为20μm，则裂纹壁接触时间是
Figure GDA0001810699490000032
由前面的分析可知，当T1是整数时，对应旁瓣将会缺级，当T1不是整数时，会影响附近两个旁瓣的幅值。假设此时
Figure GDA0001810699490000033
则第4、5级旁瓣幅值会受到影响。此时增大调制信号，使得裂纹壁接触时间增大为
Figure GDA0001810699490000034
使
Figure GDA0001810699490000035
则第4m(m为整数，m≠0)级旁瓣将会缺级，可以由第4级缺级来判断裂纹宽度。
如果裂纹宽度发生变化，裂纹宽度由14μm变为4μm。若低调制信号幅值为40μm，则接触时间为
Figure GDA0001810699490000036
假设此时T1＝2.5，则第2、3级旁瓣幅值会受到影响，且第5级旁瓣会缺级；但此时我们无法准确说明第5级缺级是否是由T1＝5引起所以，这种情况下若通过第5级旁瓣缺级来判断裂纹宽度不准确。此时改变调制信号大小，使得其接触时间变为
Figure GDA0001810699490000037
使得
Figure GDA0001810699490000038
则可以由第3级缺级来判断裂纹宽度。
步骤4、根据旁瓣缺级，计算微裂纹宽度，分析调制信号、裂纹壁接触时间与裂纹宽度之间的关系，确定微裂纹宽度计算公式为：
Figure GDA0001810699490000039
式中，a为微裂纹宽度，Tc为裂纹壁接触时间。
理论上T1≥2，要达到第2级旁瓣缺级，裂纹壁接触时间要求占振动周期的一半，这基本上不可能达到。而调制信号减小对接触时间变化的影响会加快，所以，作为一种优选实施方式，利用第3级旁瓣缺级确定微裂纹宽度是最好的选择。

Claims (3)

1.一种通过非线性混频声波来评估微裂纹宽度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、激发两列频率不同的声波，分别作为激励信号和调制信号；
步骤2、接收经过材料的混合声波，进行快速傅里叶变换，得到混合声波的频谱图；
步骤3、分析混合声波频谱图，确定是否存在第3级旁瓣缺级，若存在，则转至步骤4计算微裂纹宽度，否则调节调制信号幅值，并转至步骤2重新探测；
步骤4、根据旁瓣缺级，计算微裂纹宽度：
Figure FDA0002716277630000011
式中，a为微裂纹宽度，AL为调制信号幅值，FL为调制信号频率，Tc为裂纹壁接触时间，n为旁瓣缺级。
2.根据权利要求1所述的评估微裂纹宽度的方法，其特征在于，步骤1中调制信号的频率为材料的固有频率，激励信号的频率为调制信号的200～500倍。
3.根据权利要求1所述的评估微裂纹宽度的方法，其特征在于，步骤3通过分析调制信号周期与裂纹壁接触时间的比值，确定是否存在旁瓣缺级，若比值为整数，说明对应旁瓣缺级，若比值不是整数，说明不存在旁瓣缺级。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2573990A1 (en) * 2011-09-26 2013-03-27 Alcatel Lucent Apparatus and method for transmitting a multicarrier signal
CN103941090B (zh) * 2014-04-22 2016-11-23 国家电网公司 基于谱线能量插值的谐波测量方法
CN104807888B (zh) * 2015-04-13 2017-09-22 北京工业大学 一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法
CN104777224A (zh) * 2015-04-28 2015-07-15 华南理工大学 一种金属合金结合面缺陷检测方法
CN105044216A (zh) * 2015-08-21 2015-11-11 华南理工大学 一种非金属管道损伤穿透式导波检测新方法

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