CN110849977B - 一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，在待检材料的表面加工一条裂纹；利用高功率脉冲激光在待检材料表面激发超声波，获得激光超声时频域信号；采用声表面探头或光学干涉方式采集表面波信号，确定直达波和反射波关系；根据波形时间差计算激励点与裂纹之间的水平距离，同时以闭合效应为出发点，从获得的时域信号中提取包括反射波波形持续时间、反射波能量比值以及频域中频谱面积的损伤敏感特征参量，获得损伤敏感特征参量与裂纹尺寸之间的对应关系，进行裂纹型缺陷定位和定量表征。本发明考虑到闭合效应对裂纹尺寸的敏感性，以闭合效应为基础，提高激光超声的定量表征能力和检测精度。

Description

一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法
技术领域
本发明属于裂纹表征检测技术领域，具体涉及一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法。
背景技术
目前针对裂纹等缺陷的检测方法有多种，包括超声检测，磁粉检测，涡流检测等等，其中激光超声检测以其非接触，宽频带，实时性好，适用性广等优点而被广泛关注，常常用来对裂纹等缺陷进行定性、定位和定量表征，但定量表征一直是缺陷检测的难点。特别是由于一般采用的纳秒级激光器所激发的超声波长为毫米级，对于亚毫米级缺陷的定量表征更加困难。研究发现由于裂纹闭合效应，在激光超声波与裂纹发生相互作用时，会引起裂纹的闭合和张开，从而对激光超声的时频域信号产生影响。
反射系数因为只是在幅值层面的比较，而幅值的大小会受到多种情况的影响，包括激光能量，激光光斑直径，激光激励位置，接收点位置等等，而且反射系数只选择最大幅值，对于激光超声这种多频带波形，最大幅值之比仍存在不足之处，所以不适宜作为定量表征的损伤敏感特征参量。
反射波能量与无损直达波能量差值即能量损耗，虽然从能量角度进行了分析，但实际只能由裂纹尺寸求得能量损耗，却很难由能量损耗计算未知裂纹尺寸。原因为能量损耗采用的是有损样品和无损样品两种样品的对比计算，在更换材料时，激励点位置，激光光斑直径都会发生变化，则相应的能量也会发生变化，最终使得能量损耗计算不准确，即很难在未知裂纹尺寸下求得能量损耗，从而无法利用能量损耗定量表征裂纹尺寸。反射波频带能量虽然是从能量角度进行了分析，但是从频带角度进行的分析，操作复杂，而且大都是只是分析了各频率下的反射波能量分布，而激光超声属于宽频带超声，即虽然结果受到裂纹尺寸的影响，但是很难与裂纹尺寸建立对应关系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，从激光超声时频域信号中提取多种损伤敏感特征参量来定量表征裂纹型缺陷的尺寸。
本发明采用以下技术方案：
一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，包括以下步骤：
S1、对待检材料进行预处理，在待检材料的表面加工一条裂纹，并对深度和宽度进行不同的设置，用于定量表征；
S2、利用高功率脉冲激光在待检材料表面激发超声波，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号；
S3、采用声表面探头或光学干涉方式采集表面波信号，确定直达波和反射波关系；
S4、根据波形时间差计算激励点与裂纹之间的水平距离，同时以闭合效应为出发点，从获得的时域信号中提取包括反射波波形持续时间、反射波能量比值以及频域中频谱面积的损伤敏感特征参量，获得损伤敏感特征参量与裂纹尺寸之间的对应关系，进行裂纹型缺陷定位和定量表征。
具体的，步骤S1中，裂纹宽度和深度范围均为亚毫米，裂纹宽度为0.1mm，深度为0.1～0.9mm。
具体的，步骤S3中，直达波和反射波之间的时间差对应声表面波的传播时间Δt，传播距离对应激励点与裂纹水平距离x的两倍。
进一步的，激励点与裂纹水平距离x具体为：
Figure BDA0002279988810000031
其中，v为铝板中声表面波波速。
具体的，步骤S4中，损伤敏感特征参量包括反射波波形持续时间、反射波能量比值以及频域中的频谱面积。
进一步的，持续时间为反射波开始时刻至结束时刻的时间差，通过分析时域信号反射波开始时刻和结束时刻，提取出波形持续时间，实现对裂纹尺寸的定量表征。
进一步的，步骤S4中，反射波能量比为反射波能量与入射波能量的比值，采用前一阶段的持续时间进行计算截取。
更进一步的，反射波能量比M为：
Figure BDA0002279988810000032
其中，ER为反射波能量，ED为直达波能量，tR1、tR2分别代表反射波的开始时刻和结束时刻，tD1、tD2分别代表直达波的开始时刻和结束时刻。
进一步的，步骤S4中，频谱面积为对时域信号进行傅里叶变化后频域中所包含的面积。
更进一步的，频谱面积S计算如下：
Figure BDA0002279988810000033
其中，A(f)是频率的幅值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，从裂纹闭合效应作为定量表征的出发点，从激光超声时频域信号中提取多种损伤敏感特征参量，作为对裂纹等缺陷定量表征的依据，包括波形持续时间、反射波能量与入射波能量比值、频谱面积，除此之外，同样可以利用时域信号实现对裂纹的定位，针对闭合效应提出的损伤敏感特征参量，可有效用于激光超声定量表征，从能量角度进行了分析，充分考虑了激光超声这种多频带，多幅值的特点；多种损伤敏感特征参量为一系列，可有效提高检测精度，例如采用波形持续时间对反射波进行截取，极大地保证了反射波能量的计算精度；反射波能量比是针对同一种材料，即在计算每一种尺寸裂纹反射波能量比时，不需要更换材料，在同一个时域信号便可计算，避免了因材料的更换造成影响；对于每一种尺寸的裂纹，其反射波能量比值是确定的，从而极易与裂纹尺寸建立对应关系；从频域中提取的频谱面积作为损伤敏感特征参量，避免了时域信号的单一性，同时结合波形持续时间，频域面积，又可以延伸成能量谱密度和功率谱密度分析，又进一步提高对裂纹尺寸的定量表征；最重要的是这一系列充分应用了闭合效应对裂纹尺寸的敏感性，可准确有效地实现对裂纹的定量表征。
进一步的，考虑到激光超声所采用的大多是纳秒激光器，波长通常为毫米级，以及需要检测的缺陷尺寸，设置缺陷尺寸为亚毫米级来验证本发明的准确性。
进一步的，本发明提出的损伤敏感特征参量区别于现有的表征参量，包括反射系数(反射波最大幅值与直达波最大幅值比)、反射波能量与无损直达波能量差值、反射波频带能量。
进一步的，由于闭合效应对缺陷尺寸较为敏感，所以设置对应的损伤敏感特征参量。同时先设置波形持续时间，可以定量检测裂纹尺寸同时又可以对反射波进行截取，从而提高反射波能量比精度，加上频谱面积，实现了从时域到频域的双重检测，同时这些又可以衍生出能量谱密度和功率谱密度，又进一步提高检测能量和精度。
进一步的，声波与缺陷相互作用时，由于裂纹闭合效应，使声波携带有缺陷信息，最直观的就是反射波持续时间的变化，所以设置反射波持续时间为损伤敏感特征参量，同时又可以对反射波进行截取，为进一步的定量表征奠定基础。
进一步的，裂纹的闭合效应最终表现为声波能量的变化，而且能量的变化又不像幅值单一，同时考虑到前一参量反射波持续时间，采用反射波能量比作为损伤敏感特征参量较为精确，可进一步对缺陷进行定量表征。
进一步的，由于前面的特征参量均是从时域信号中提取，考虑到声波的时域和频域的区别，需要从频域中提取一餐量，但是考虑到激光超声为多频带超声，单一的频率较难实现对缺陷的定量检测，所以将频谱面积设置为损伤敏感特征参量。同时结合持续时间，又可以衍生出能量谱密度和功率谱密度，可进一步提高激光超声定量表征能力和检测精度。
综上所述，本发明从激光超声时频域信号中提取多种新型损伤敏感特征参量，进一步提高了激光超声的定量表征能力。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的操作示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，首先对待检材料进行预处理，在其表面加工出具有一定宽度深度的一条裂纹，利用脉冲激光激发出超声波，一部分声表面波在遇到裂纹时会发生反射，利用表面波探头对其进行采集，并根据波形时间差计算激励点与裂纹之间的水平距离，同时再从获得的时域信号中提取反射波波形持续时间，反射波能量比值，以及频域中的频谱面积，并获得损伤敏感特征参量与裂纹尺寸之间的对应关系；基于此便可以进行裂纹型缺陷的定位，利用多种损伤敏感特征参量实现了对裂纹的定量表征。
请参阅图1，本发明一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，将待检材料设置在精密运动平台上，待检材料上方设置有能够移动的激光器，待检材料的表面设置有探头，探头与示波器连接，能够将采集的声表面波信号发送至示波器。包括以下步骤：
S1、在待检材料表面加工一条具有一定深度和宽度的裂纹，并对深度和宽度进行不同的设置，用于定量表征；
考虑到激光器脉宽以及检测精度，裂纹宽度和深度范围均为亚毫米，具体的设置为：裂纹宽度为0.1mm，深度为0.1～0.9mm，具体的方法：由于尺度为亚毫米，普通的方式较难实现，采用线切割钼丝放电对材料进行加工。
S2、利用高功率脉冲激光在材料表面激发超声波，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号；
激光可以通过热弹效应或烧蚀效应在材料表面和内部产生超声波，根据不同的效应需要设置激光器能量，除此之外还需要扩束准直镜和聚焦透镜或柱面透镜对光束进行处理，必要时还需要衰减片，为验证本方法进行的实验中采用聚焦透镜，功率为50MJ。
S3、利用声表面探头或光学干涉方式进行声表面波信号的采集；
因为裂纹的存在，在采集到的信号中会存在直达波和反射波；根据分析直达波和反射波之间的时间差对应了声表面波的传播时间Δt，传播距离对应了激励点与裂纹水平距离x的两倍。即
Figure BDA0002279988810000071
其中，v为铝板中声表面波波速。
S4、在获得的激光超声时频域信号中，在激光超声与裂纹相互作用时，由于裂纹的闭合效应，会对信号产生影响，从时频域信号中提取出若干敏感特征参量，并建立起损伤敏感特征参量与裂纹尺寸之间的关系，实现对裂纹尺寸的定量表征；敏感特征参量
包括持续时间、反射能量比，频谱面积。
S401、持续时间为反射波持续时间，指的是反射波开始时刻至结束时刻的时间差，由于裂纹的闭合作用，使得反射波持续时间随着裂纹的尺寸的变化而变化。通过分析时域信号，特别是其中的反射波波形，分析反射波开始时刻和结束时刻，提取出波形持续时间，可实现对裂纹尺寸的定量表征。
由于不同裂纹尺寸的损伤敏感特征参量是不同的，则可以将裂纹尺寸和损伤敏感特征参量建立关系，对于未知尺寸的裂纹，只需要计算相应的损伤敏感特征参量便可计算出裂纹尺寸，从而实现对裂纹尺寸的定量表征。
S402、反射波能量比指的是反射波能量与入射波能量的比值，在实际计算中，因为时频域信号中直达波能量和入射波能量一样，所以反射波能量比为反射波能量与直达波能量比值，在计算时可以在同一次采集的信号中进行计算，避免了因材料更换带来的误差影响。同时为了进一步提高精度，采用前一阶段的持续时间进行计算截取。
能量用幅值的平方进行近似代替，具体为：
Figure BDA0002279988810000081
其中，ER为反射波能量，ED为直达波能量，tR1、tR2分别代表反射波的开始时刻和结束时刻，tD1、tD2分别代表直达波的开始时刻和结束时刻。
S403、频谱面积指的是对时域信号进行傅里叶变化，频域中所包含的面积，由于频域是离散的，在计算时采用求和方式计算频谱面积S如下：
Figure BDA0002279988810000082
其中，A(f)是频率的幅值，在计算过程中，对所有频率的幅值进行求和，便可得频谱面积。
从闭合效应中提取出其他损伤敏感特征参量，进行裂纹尺寸的定量表征。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以金属纯铝为实验样品，进行初步验证性实验，裂纹尺寸设置为宽度为0.1mm，深度为0.3mm，采用高功率脉冲激光器激发超声波，水平距离x分别为5mm、10mm、15mm，采用探头和示波器采集超声波信号，从获得的时域信号中提取出直达波和反射波之间的时间差作为Δt，利用式(1)进行计算，水平距离计算为5.104mm、10.191mm、15.028mm，误差小于3％，证明此定位方法真实有效。
选取纯铝板作为实验样品，尺寸为长200mm，宽50mm，厚10mm，设置裂纹尺寸宽度为0.1mm，深度分别为0.3mm，0.5mm，0.7mm，0.9mm，裂纹距材料左侧80mm，水平距离x为5mm，采用高功率脉冲激光器进行激发，探头加示波器进行接收，首先从获得的时域信号中判断反射波开始时刻和结束时刻，用作波形持续时间判定依据。随后利用反射波持续时间对反射波进行准确的截取，同时利用式(2)进行反射波能量比的计算。对采集到的时域信号进行傅里叶变换，获得激光超声频域信号，利用式(3)进行频谱面积的计算。
通过分析，建立了与裂纹尺寸之间的对应关系，其中持续时间随着裂纹深度的增加而减少。在裂纹深度为0.3mm～0.7m内，随着裂纹深度的增加，反射波能量比逐渐减少，当裂纹深度大于0.7mm，反射波能量比逐渐增大。波形面积随着裂纹深度的增加先增大后减少。证明本发明提出的新型损伤敏感特征参量定量表征裂纹尺寸的方法真实有效。
本发明提出的多种损伤敏感特征参量具有如下优点：
从能量角度进行了分析，充分考虑了激光超声这种多频带、多幅值的特点，且采用波形持续时间对反射波进行截取，极大地保证了反射波能量的计算精度。
反射波能量比是针对同一块材料，也即在计算每一种尺寸裂纹反射波能量比时，不需要更换材料，在同一个时域信号便可计算，避免了因材料的更换造成影响。
反射波能量比从同一个时域信号中提取，对于每一种尺寸的裂纹，其反射波能量比值是确定的，从而极易与裂纹尺寸建立对应关系。
从频域中提出频谱面积作为损伤敏感特征参量，避免了时域信号的单一性，同时结合波形尺寸时间，频谱面积，又可以延伸成能量谱密度和功率谱密度分析，又进一步提高对裂纹尺寸的定量表征。
最重要的是，本发明充分利用了裂纹闭合效应对时频域信号的影响，更加准确有效的实现对裂纹的定量表征。
综上所述，以往激光超声技术针对裂纹尺寸的定量表征一直较为困难，现有的损伤敏感特征参量有其局限性，并不太适合激光超声技术，本发明在分析激光超声的特点后，充分利用裂纹闭合效应对裂纹尺寸的敏感性以及对时频域信号的影响，结合现有的损伤敏感特征参量，从激光超声时频域信号中提取多种新型损伤敏感特征参量，进一步提高了激光超声的定量表征能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对待检材料进行预处理，在待检材料的表面加工一条裂纹，并对深度和宽度进行不同的设置，用于定量表征，裂纹宽度和深度范围均为亚毫米，裂纹宽度为0.1mm，深度为0.1～0.9mm；
S2、利用高功率脉冲激光在待检材料表面激发超声波，采用超声探头或光学干涉方式采集相应的信号，获得激光超声时频域信号；
S3、采用声表面探头或光学干涉方式采集表面波信号，确定直达波和反射波关系，直达波和反射波之间的时间差对应声表面波的传播时间Δt，传播距离对应激励点与裂纹水平距离x的两倍；
S4、根据波形时间差计算激励点与裂纹之间的水平距离，同时以闭合效应为出发点，从获得的时域信号中提取包括反射波波形持续时间、反射波能量比值以及频域中频谱面积的损伤敏感特征参量，获得损伤敏感特征参量与裂纹尺寸之间的对应关系，进行裂纹型缺陷定位和定量表征，损伤敏感特征参量包括反射波波形持续时间、反射波能量比值以及频域中的频谱面积，持续时间为反射波开始时刻至结束时刻的时间差，通过分析时域信号反射波开始时刻和结束时刻，提取出波形持续时间，实现对裂纹尺寸的定量表征，反射波能量比为反射波能量与直达波能量的比值，采用前一阶段的持续时间进行计算截取，频谱面积为对时域信号进行傅里叶变换后频域中所包含的面积。
2.根据权利要求1所述的基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，其特征在于，步骤S3中，激励点与裂纹水平距离x具体为：
Figure FDA0002978391260000011
其中，v为铝板中声表面波波速。
3.根据权利要求1所述的基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，其特征在于，步骤S4中，反射波能量比M为：
Figure FDA0002978391260000021
其中，ER为反射波能量，ED为直达波能量，tR1、tR2分别代表反射波的开始时刻和结束时刻，tD1、tD2分别代表直达波的开始时刻和结束时刻。
4.根据权利要求1所述的基于闭合效应的激光超声定量表征裂纹尺寸的方法，其特征在于，步骤S4中，频谱面积S计算如下：
Figure FDA0002978391260000022
其中，A(f)是频率的幅值。
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