CN108872378B - 一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法 - Google Patents

一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，通过激励换能器在圆管中激励出单一的扭转模态超声导波，扭转模态导波在圆管中传播时，与圆管的微损伤相互作用产生具有累积效应的三次谐波，通过接收换能器，接收基频信号和由于管道微损伤而产生的三次谐波。获取基频信号的幅值A1和三次谐波幅值A3，计算等效三阶非线性声参量γ'，实现对圆管结构微损伤的非线性超声导波评价。本发明采用的非线性扭转模态导波在频散曲线上任一点都具有三次谐波累积效应，克服了非线性纵向模态导波只在频散曲线某些点上具有累积效应的限制。实现了对圆管构件/材料的损伤状态进行有效的检测和评价，且检测速度快、检测成本低、检测准确度高。

Description

一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波 方法
技术领域
本发明涉及一种金属圆管微损伤评价的方法，具体涉及一种对金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法。
背景技术
金属圆管结构在各行各业都有着广泛的应用，如石油管道、地埋水管等。这些圆管结构在实际使用过程中，容易受到多种外界因素的作用。圆管结构在这些外界因素长时间反复作用下，一般会出现材料性能退化、微裂纹产生、裂纹扩展和结构断裂阶段。研究表明，材料的性能退化和微裂纹的产生阶段占结构寿命周期的比重很大，如对于疲劳损伤，性能退化和微裂纹等微观损伤阶段将占到结构寿命的80％-90％。因此，为有效地预防结构失效，防止结构断裂造成重大事故，对金属圆管结构的微观损伤进行有效地检测和评价就显得尤为必要和紧迫。
传统超声检测方法通过检测材料或结构中的声速、声衰减和声阻抗等信息来评估材料的损伤状态，能够有效地评价材料或结构的诸如裂纹、孔洞、夹杂物等宏观缺陷，但对结构的早期力学性能退化却不敏感，不能检测结构微观损伤。
近年来，大量的理论和实验研究表明，非线性超声能够克服传统线性超声对微观不敏感的缺点，其对材料或结构的早期性能退化更具敏感性，能够有效地检测和评价结构的微观损伤。
超声导波可以对被检测结构进行大面积、快速、整体检测。这种检测方法既可以检测试样表面缺陷，也可以对试样内部损伤进行检测与评估。导波检测技术也是一种可以对结构件中不可达或隐蔽区域进行检测的有效方法。另外，导波因其灵活的激发和检测方式，且能携带大量检测所需信息，被作为一种有效检测手段被广泛应用。在管道中，导波的能量可以随管道结构长距离、快速传播而很少扩散。因此，圆管结构被认为最适合使用导波检测的结构之一。非线性超声导波结合了非线性超声对微观损伤敏感和超声导波快速、高效检测方式的优点，是一种非常有前景的检测方法。中国专利：CN 102866202 A提出了一种金属圆管结构微损伤检测的非线性周向模态导波方法。中国专利：CN 103969339 A公布了一种管道结构微损伤的非线性超声检测和评价方法，利用了非线性超声纵向模态导波的方法。这两个专利中，虽然用的都是非线性超声导波的方法，但是选用的超声模态是周向模态或者纵向模态。这两种模态要在结构中产生累积二次谐波，必须满足相速度匹配条件(基频和二谐波相速度相等)。由于满足相速度匹配条件的基频模态点数量有限并且离散地分布在频散曲线上，使得中国专利：CN 102866202 A和中国专利：CN 103969339 A中提出的方法有许多不足，在使用过程受到诸多限制。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提出了一种利用非线性超声扭转模态导波产生的三次谐波效应对圆管结构的微损伤进行检测和评价的方法，可快速地、有效地检测和评价金属圆管的早期损伤状态，为金属圆管的安全使用提供可靠依据。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，包括以下步骤：
S1、根据待测金属圆管试件的物理参数和几何参数，计算出扭转模态的相速度频散曲线；
S2、根据所得的相速度频散曲线，选择相应的基频扭转模态和激发频率；
S3、将激励超声换能器以及三次谐波接收换能器与金属圆管试件的外表面耦合，所述激励超声换能器选用磁滞伸缩超声换能器或压电超声换能器；
S4、由基频信号发生系统产生一个基频信号,采用该基频信号激励所述激励超声换能器在未损伤金属圆管试件中产生基频扭转模态导波,该导波在所述金属圆管试件中传播并在其内部产生扭转模态三次谐波,然后通过所述的三次谐波接收换能器接收在所述的基频扭转模态超声导波和扭转模态导波三次谐波信号，通过傅里叶变换得出基频扭转模态超声导波的幅值A1以及扭转超声导波三次谐波的幅值A3，计算未损伤金属圆管试件中该传播距离时的等效三阶非线性声参量γ'0，其计算公式为：γ'0＝A3/A1 3；
S5、移动三次谐波接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4，计算不同位置的等效三阶非线性声参量；
S6、在同一个被检测未损圆管道中检测不少于5次不同传播距离的等效三阶非线性声参量γ'0，并记下传播距的数值x；
S7、绘制被测未损圆管的等效三阶非线性声参量γ'0随传播距离x的线性变化曲线，并计算出该拟合直线的斜率k0,无损金属圆管的非线性参量γ0＝k0；
S8、进行γd和γ0的对比，如果圆管内部存在微观损伤，γd相对于γ0有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。对于不同的损伤程度，可以计算不同的γd，实现对圆管损伤状态的量化评估。
进一步地，利用扭转模态超声导波的三次谐波效应对圆管的微损伤进行检测和评价。
进一步地，基频扭转模态可以取任意模态(常用的是T(0,1)模态)，激励频率可以在整个频带范围取，其三次谐波都具有累积效应。
进一步地，步骤S3中的压电超声换能器采用铌酸锂、石英或压电陶瓷材料制成，步骤S3中磁滞伸缩换能器的磁滞伸缩材料可采用镍钴合金，基频≤5MHz，所述三次谐波换能器为宽带，用于接收基频信号及对应的三次谐波信号。
为了更有效的检测到三次谐波信号，有别于常规线性导波接收换能器的设计，在本发明中，步骤S3中的接收换能器选用磁滞伸缩换能器时，接收换能器感应线圈的动态绕组的间隔变为激励换能器感应线圈绕组间隔的1/3，这样可以更加突出的主要接收三次谐波信号；选用压电超声换能器时，要选用宽频的压电超声换能器，以便能够接收到三次谐波信号。
本发明中的信号激励和接收装置发射信号均经过滤波器，可以减少检测装置带的噪音，提高信噪比。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)采用非线性扭转模态超声导波的探测覆盖整个圆管构件,适用于检测圆管构件/材料的早期疲劳、蠕变等损伤状态，实现了对圆管构件/材料的损伤状态进行有效的检测和评价,为圆管构件/材料的安全使用提供可靠的依据；
(2)扭转模态频散曲线上所有点作为基频模态所产生的三次谐波都具有累积效应，激励信号的频率可在全频域范围内进行选择；
(3)采用磁致伸缩传感器，可容易地激发基频扭转模态导波，并且得到的信号简单，利于分析和处理；
(4)检测速度快、检测成本低、检测准确度高。
附图说明
图1为本发明提出的圆管结构微损伤非线性扭转模态超声导波检测方法的示意图。
图2为接收信号进行傅里叶变化示意图，显示接收信号中的三次谐波。
图3为本发明实例非线性扭转模态超声导波的归一化非线性声参量γ与疲劳寿命之间的关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的圆管微损伤的非线性扭转模态超声导波评价方法通过激励/接收单元激励一定频率的超声波信号，经过阻抗器减少噪音连接激励换能器经过耦合剂送入到被检测试件，在试件的另一端连接接收换能器检测传播的导波信号，经接收前置放大器后进行滤波送入到示波器中，在示波器中对信号进行200-2000次平均而提高信噪比、存储，然后将存储的信号在示波器或在其他计算机上进行进一步信号分析。如图1所示，包括基频激励信号1，通过激励换能器3，在圆管2中，产生扭转模态超声导波4，扭转模态超声导波4与圆管结构的微损伤相互作用后产生三次谐波，基频扭转模态导波和三次谐波被接收换能器5所接收，6和7本别显示了接收信号中的基频和三次谐波信号。具体的，包括如下步骤：
S1、根据待测金属圆管试件的物理参数和几何参数，计算出扭转模态的相速度频散曲线；
S2、根据所得的相速度频散曲线，选择相应的基频扭转模态和激发频率；
S3、将激励超声换能器以及三次谐波接收换能器与金属圆管试件的外表面耦合，所述激励超声换能器选用磁滞伸缩超声换能器或压电超声换能器；
S4、由基频信号发生系统产生一个基频信号,采用该基频信号激励所述激励超声换能器在未损伤金属圆管试件中产生基频扭转模态导波,该导波在所述金属圆管试件中传播并在其内部产生扭转模态三次谐波,然后通过所述的三次谐波接收换能器接收在所述的基频扭转模态超声导波和扭转模态导波三次谐波信号，通过傅里叶变换得出基频扭转模态超声导波的幅值A1以及扭转超声导波三次谐波的幅值A3，计算未损伤金属圆管试件中该传播距离时的等效三阶非线性声参量γ'0，其计算公式为：γ′0＝A3/A1 3；
S5、移动三次谐波接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4，计算不同位置的等效三阶非线性声参量；
S6、在同一个被检测未损圆管道中检测不少于5次不同传播距离的等效三阶非线性声参量γ'0，并记下传播距的数值x；
S7、绘制被测未损圆管的等效三阶非线性声参量γ'0随传播距离x的线性变化曲线，并计算出该拟合直线的斜率k0,无损金属圆管的非线性参量γ0＝k0；
S8、进行γd和γ0的对比，如果圆管内部存在微观损伤，γd相对于γ0有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。对于不同的损伤程度，可以计算不同的γd，实现对圆管损伤状态的量化评估。
本发明检测方法的原理及基础问题：一种典型的非线性响应现象就是扭转模态超声导波三阶谐波的产生，三阶谐波产生的机理是导波传播过程中波形的畸变导致的三阶谐波的出现，相对于完好的结构件，导波在有微观缺陷的结构件中三阶谐波产生的非线性响应成量级式的增长，根据这种非线性响应的变化可以有效检测和表征结构件中的微观缺陷。由于三次阶谐波信号相对于基频波信号非常微弱，考虑的导波传播衰减的因素，需要设计特殊的检测装置用于有效提取出三阶谐波信号。本发明利用磁滞伸缩传感器可以激励单个导波模态的激励换能器，接收换能器感应线圈的动态绕组的间隔变为激励换能器感应线圈绕组间隔的1/3。本发明利用非线性响应与传播距离的比值表征材料非线性的变化，有效减少仪器非线性的干扰，实现对管道材料非线性的超声导波评估，利用非线性超声的高灵敏性可用于检测管道微观缺陷的早期检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据待测金属圆管试件的物理参数和几何参数，计算出扭转模态的相速度频散曲线；
S2、根据所得的相速度频散曲线，选择相应的基频扭转模态和激发频率；
S3、将激励超声换能器以及三次谐波接收换能器与金属圆管试件的外表面耦合，所述激励超声换能器选用磁滞伸缩超声换能器或压电超声换能器；
S4、由基频信号发生系统产生一个基频信号,采用该基频信号激励所述激励超声换能器在未损伤金属圆管试件中产生基频扭转模态导波,该导波在所述金属圆管试件中传播并在其内部产生扭转模态三次谐波,然后通过所述的三次谐波接收换能器接收在所述的基频扭转模态超声导波和扭转模态导波三次谐波信号，通过傅里叶变换得出基频扭转模态超声导波的幅值A1以及扭转超声导波三次谐波的幅值A3，计算未损伤金属圆管试件中该传播距离时的等效三阶非线性声参量γ'0，其计算公式为：
Figure FDA0001654630860000011
S5、移动三次谐波接收换能器的位置，改变导波的传播距离，重复步骤S4，计算不同位置的等效三阶非线性声参量；
S6、在同一个被检测未损圆管道中检测不少于5次不同传播距离的等效三阶非线性声参量γ'0，并记下传播距的数值x；
S7、绘制被测未损圆管的等效三阶非线性声参量γ'0随传播距离x的线性变化曲线，并计算出该拟合直线的斜率k0,无损金属圆管的非线性参量γ0＝k0；
S8、进行γd和γ0的对比，如果圆管内部存在微观损伤，γd相对于γ0有非常明显的变化，根据这一变化表征材料内部的微损伤。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，其特征在于，利用扭转模态超声导波的三次谐波效应对圆管的微损伤进行检测和评价。
3.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，其特征在于，基频扭转模态可以取任意模态，激励频率可以在整个频带范围取，其三次谐波都具有累积效应。
4.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，其特征在于，步骤S3中的压电超声换能器采用铌酸锂、石英或压电陶瓷材料制成，步骤S3中磁滞伸缩换能器的磁滞伸缩材料可采用镍钴合金，基频≤5MHz，所述三次谐波换能器为宽带，用于接收基频信号及对应的三次谐波信号。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管微损伤评价的非线性扭转模态超声导波方法，其特征在于，步骤S3中选用磁滞伸缩换能器时，接收换能器感应线圈的动态绕组的间隔变为激励换能器感应线圈绕组间隔的1/3；选用压电超声换能器时，要选用宽频的压电超声换能器，以便能够接收到三次谐波信号。
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