CN110687213A - 一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法 - Google Patents

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王晢
芮小博
綦磊
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Abstract

本发明涉及一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1)搭建非线性超声混频最佳激励频率的实验系统；2)第一信号激励传感器信号激励；3)第二信号激励传感器信号处理；4)第二信号激励传感器信号激励；5)第一信号激励传感器信号处理；6)最佳激励频率获取。本发明设计科学合理，对混频信号进行频谱分析，确定了最佳频率，对于信号后续分析有着重要意义。

Description

一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，涉及一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法。
背景技术
金属板材广泛应用在军事、工业、医疗和航天等领域，材料在使用过程中不可避免地会受到重复施加的载荷、温度变化和腐蚀等外部因素的影响，进而产生疲劳，当疲劳累计到一定程度将会发展成宏观裂纹，引起安全事故和重大经济损失。
目前关于金属的无损检测比较成熟的方法有四大类：超声波探伤，该方法主要检测冶金缺陷，如夹渣、孔洞、裂纹等；X射线探伤，检测零件中的高密度夹杂，如夹钨等缺陷；荧光渗透探伤法，用来检测表面开口缺陷；涡流探伤法，检测表面及近表面的缺陷。这些传统的无损检测方法针对传统的开口裂纹是可行而有效的，但是对于由疲劳损伤引起的微裂纹却无能为力。随着lamb波理论与非线性超声混频理论的发展，为金属板材结构微裂纹的无损检测提供了新思路。
邓明晰团队在二阶摄动理论基础下，通过波导激励的模态分析方法研究了符合板材结构中的二次lamb波产生情况，结果表明二次谐波的产生效率和分界面的常数相关，该结果为lamb波的二次谐波在薄板结构的无损检测方面的应用奠定了基础。ChristophPruell通过实验证明了lamb波的非线性在与塑性材料的相互作用方面与纵波和横波有着相似的结果，由此表明lamb波的高次谐波可以用来评估塑性驱动的材料损伤。此后Christoph Pruell继续利用一对楔形传感器激发和接收lamb波与二次谐波，结果表明基于lamb波测得的声学非线性与疲劳损伤直接相关，由此开发了用lamb波的非线性表征金属薄板疲劳损伤的实验程序。H Xu等人就lamb的非线性效应表征结构损伤评价进行研究，提出了时频分析的算法对获取的非线性lamb信号进行处理。X Wan在利用有限元分析方法仿真时，发现lamb波在与薄板中的微小尺寸裂纹作用时，产生了二次谐波，进而提出了非线性lamb波应用于薄板材中的结构损伤检测方法。同年，Z Su通过提取金属板材的几乎不可见的疲劳裂纹中提取线性和非线性信号，证明了lamb波的非线性用于微损伤结构检测的可行性、准确性和实用性。2017年，焦敬品所在团队利用体波完成了闭合裂纹的混频超声检测，为结构中微裂纹的评价做出了积极的探索。
基于非线性混频理论进行金属疲劳损伤的检测可以有效避免系统带来的非线性干扰，这个过程中需要提取和分析的目标混频信号能量微弱，因此在实验过程中需要对激励频率进行选择，以便找到最佳频率显示明显的混频信号。
通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种激励频率选择的方法，对混频信号进行频谱分析，确定了最佳频率，对于信号后续分析有着重要意义。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)搭建非线性超声混频最佳激励频率的实验系统：该系统包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、实验件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述实验件两侧对称设置有第一、第二信号激励传感器，所述低通滤波器连接至第一信号激励传感器，所述双工器连接至第二信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器；
2)第一信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第一信号激励传感器激励其中心频率f1的正弦信号，使第二信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
3)第二信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第一信号激励传感器的基波频率f1的差作为第二信号激励传感器的基波频率f2；
4)第二信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第二信号激励传感器激励其中心频率f2的正弦信号，使第一信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
5)第一信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第二信号激励传感器的基波频率f2的差作为第一信号激励传感器的基波频率f3；
6)最佳激励频率获取：所得到的最佳频率组合为f2、f3的频率之和。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明设计科学合理，搭建了非线性超声异测激励实验平台，通过施加单频加扫频的方式，对混频信号进行频谱分析，确定了最佳频率，对于信号后续分析有着重要意义。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明非线性超声混频最佳激励频率实验系统的连接示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法，其创新之处在于：该方法的步骤为：
1)搭建非线性超声混频最佳激励频率的实验系统：该系统包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、实验件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述实验件两侧对称设置有第一、第二信号激励传感器，所述低通滤波器连接至第一信号激励传感器，所述双工器连接至第二信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器；
2)第一信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第一信号激励传感器激励其中心频率f1的正弦信号，使第二信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
3)第二信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第一信号激励传感器的基波频率f1的差作为第二信号激励传感器的基波频率f2；
4)第二信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第二信号激励传感器激励其中心频率f2的正弦信号，使第一信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
5)第一信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第二信号激励传感器的基波频率f2的差作为第一信号激励传感器的基波频率f3；
6)最佳激励频率获取：所得到的最佳频率组合为f2、f3的频率之和。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种非线性超声混频最佳激励频率的选取方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)搭建非线性超声混频最佳激励频率的实验系统：该系统包括计算机、非线性超声仪、衰减器、低通滤波器、信号激励传感器、实验件、双工器、高通滤波器及示波器，所述计算机连接至所述非线性超声仪，所述非线性超声仪设置有两路射频输出端及一路射频输入端，所述两路射频输出端分别连接有衰减器，所述衰减器分别连接至低通滤波器及双工器，所述实验件两侧对称设置有第一、第二信号激励传感器，所述低通滤波器连接至第一信号激励传感器，所述双工器连接至第二信号激励传感器，所述双工器另一端连接至所述高通滤波器，所述高通滤波器连接至所述非线性超声仪的射频输入端，所述非线性超声仪连接至示波器；
2)第一信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第一信号激励传感器激励其中心频率f1的正弦信号，使第二信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
3)第二信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第一信号激励传感器的基波频率f1的差作为第二信号激励传感器的基波频率f2；
4)第二信号激励传感器信号激励：通过非线性超声仪使第二信号激励传感器激励其中心频率f2的正弦信号，使第一信号激励传感器激励扫频信号，同时通过双工器使第二信号激励传感器接收信号；
5)第一信号激励传感器信号处理：对第二信号激励传感器接收到的信号进行快速傅里叶变换，在接收信号的频谱图中，将和频频段内幅值最大处的频率与第二信号激励传感器的基波频率f2的差作为第一信号激励传感器的基波频率f3；
6)最佳激励频率获取：所得到的最佳频率组合为f2、f3的频率之和。
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