CN112666252A - 一种非线性超声的非共线混频测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非线性超声的非共线混频测试系统和方法，系统包括信号发生器，放大器，示波器，第一发射换能器，第二发射换能器，第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块，接收换能器，示波器；信号发生器与放大器连接；放大器分别与第一发射换能器，第二发射换能器连接；第一发射换能器与第一有机玻璃楔块连接；第二发射换能器与第二有机玻璃楔块连接；第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块分别与混凝土试件连接；接收换能器与混凝土试件连接；示波器与接收换能器连接。本发明的有益效果是，提供了可用于混凝土等固体材料非线性超声的非共线混频测试系统，这种方法比现有的非线性超声方法如高次谐波法对损伤更敏感，对非线性源抗干扰的能力更强。
Description
技术领域
本发明属于混凝土无损检测领域，具体涉及一种基于两列基频横波谐振生成混频纵波的混凝土非线性超声测试系统和方法。
背景技术
传统线性超声检测方法主要是考虑波速以及声波的衰减，有一定的局限性，如对尺寸小于超声波波长的微损伤等微损伤不敏感。但是非线性超声波就能够对微损伤有更敏感的反映。非线性超声技术主要研究超声波对材料的非线性反映，根据探测超声波信号中的波形畸变或者频率变化，体现材料内部的损伤情况。根据声学非线性效应的不同，非线性超声可分为高次谐波法，混频法，谐振频率偏移法等。其中，根据两列入射声波入射方向是否平行，混频法可分为共线混频法和非共线混频法。又由于非线性超声非共线混频法有着可通过超声换能器调整可实现空间上选择特定位置定位，可沿着特定方向检测，调整频率比，可选择适当的频率等优点，有着广大的发展前景。现今非共线混频技术大多数是用于检测金属诸如闭合裂纹损伤检测，但此技术在混凝土损伤检测中的研究还处于初步阶段，关于混凝土的非共线混频法解释还不够完整，混凝土中两列基频波夹角以及频率等参数确定还有待说明。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，传统线性超声检测方法对尺寸小于超声波波长的微损伤等微损伤不敏感。
本发明提供一种非线性超声的非共线混频测试系统，包括信号发生器，放大器，示波器，第一发射换能器，第二发射换能器，第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块，接收换能器，示波器；
信号发生器与放大器连接；
放大器分别与第一发射换能器，第二发射换能器连接；
第一发射换能器与第一有机玻璃楔块连接；
第二发射换能器与第二有机玻璃楔块连接；
第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块分别与混凝土试件连接；
接收换能器与混凝土试件连接；
示波器与接收换能器连接。
进一步的，
第一有机玻璃楔块和第二有机玻璃楔块中，入射声波从有机玻璃入射到混凝土的入射角分别采用以下公式计算得到
其中，vPP是纵波在有机玻璃中传播速度，vSC为横波在混凝土中传播速度，vPC为纵波在混凝土中传播速度，d是频率比ω2/ω1。
进一步的，
接收换能器，第一发射换能器，第二发射换能器与混凝土试件分别通过凡士林耦合剂粘结。
本发明还提供一种应用于上述非线性超声的非共线混频测试系统的非共线混频测试方法，包括以下步骤，
设置测试系统的参数，第一发射换能器设置第一发射换能器中心频率为ω1的正弦波，第二发射换能器设置按照频率比d计算得到的ω2正弦波；
信号发生器生成第一发射换能器中心频率为ω1的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第一信号；
信号发生器生成按照频率比d计算得到的ω2正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第二信号,
信号发生器生成频率为ω1的正弦波和频率为ω2的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第三信号；
信号处理步骤包括，第一信号和第二信号叠加后与第三信号相减，得到第四信号。对第四信号做快速傅里叶变换，得到混频信号的频谱图，从频谱图中就可观察到基频波和混频波，同时代入混频非线性系数表达式，得到混频非线性系数：
其中A-是混频波为差频时的幅值
A+是混频波为和频时的幅值，
A1，A2分别为两列入射基频波的幅值。
本发明的有益效果是，
1、本发明通过调节两发射换能器的位置可选择定位到特定的检测位置，使检测信号沿着特定的方向，进一步实现试件扫查以及缺陷定位。只要满足频率比和入射角度要求，就可对频率进行选择。
2、本发明提供的方法比现有的非线性超声方法如高次谐波法对损伤更敏感，对非线性源抗干扰的能力更强。
附图说明
图1是非共线混频测试系统示意图。
图2是混凝土中混频波与基频波关系图。
图3是理论计算值αT和实际计算值αR关系。
图4是θP1和θP2关系图。
图5是接收换能器接收的超声信号(a)只激发通道1；(b)只激发通道2；(c)前两者叠加；(d)同时激发通道1和2。
图6是相减处理后的混频信号时域图。
图7是相减处理后的混频信号频域图。
具体实施方式
本发明的发明构思是，通过分析两列入射基频波的夹角以及入射角与频率比的关系，确定了非共线混频测试系统，在混凝土试件中得到混频信号之后即可验证非共线混频方法用于混凝土检测是可行的。
本发明采用的技术方案如下：
非共线混频测试系统的组成和搭建：信号发生器DG1022U，放大器ATA-2042，示波器TBS1072B，发射换能器PXR04、PXR07，以及接受换能器PXR50，其中信号发生器发射的超声波在此方法中设置为双通道正弦波。此外还需要一对有机玻璃楔块，用于构建发射换能器超声波发射角度，以及连接发射换能器和混凝土试件。
计算得到非共线混频测试系统中有机玻璃楔块的角度，与换能器和混凝土试件各个物件之间用凡士林耦合剂粘结。
非共线混频方法测试混凝土，有如下步骤：
激励信号发生器通道1的发射换能器中心频率附近的ω1正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收。放大器，第一发射换能器，混凝土试件，接收换能器构成通道1。
激励信号发生器通道2的发射换能器按照频率比计算得到的ω2正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收。放大器，第二发射换能器，混凝土试件，接收换能器构成通道2。
同时激励信号发生器通道1和2的发射换能器与之前单独激励时对应频率的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收。
信号处理：将双通道各自激励的超声信号叠加后与双通道同时激励得到的超声信号相减，得到排除非线性源干扰的强化混频超声信号。利用MATLAB软件做快速傅里叶变换，得到混频信号的频谱图，从频谱图中就可观察到基频波和混频波，同时代入混频非线性系数表达式，得到混频非线性系数：
其中A-，A+是混频波分别为差频及和频时的幅值，A1，A2分别为两列入射基频波的幅值。
接下来结合附图和实施例子，对本发明进行进一步详细阐述。
实施例1
搭建的非共线混频测试系统中关键零件有机玻璃楔块，需要对其角度进行计算，这个角度同时也是两列入射超声波的入射角，如附图1所示。
有机玻璃楔块角度计算：预计是使用两列横波谐振混频成纵波形式对混凝土试件进行检测。两个发射换能器属于纵波发射换能器，经过有机玻璃折射，可生成横波，全发射到纵波，留下横波，就需使纵波的折射角为90度，从而可得到入射波的入射角度，同时也是有机玻璃楔块的角度。同时，在混凝土介质中，两列入射波散射出混频波，这三列波之间存在着一定的几何关系，如附图2。采用以下公式算出两列入射声波从有机玻璃入射到混凝土的入射角，同时也是两块有机玻璃楔块角度：
其中，vPP是纵波在有机玻璃中传播速度，vSC和vPC分别为横波和纵波在混凝土中传播速度，d是频率比ω2/ω1。由公式可知，基频波夹角以及入射角度都是频率比的函数。
根据谐振条件计算的两列入射横波夹角的理论计算值αT与实际计算值αR相互对比印证，可初步得到频率比d范围，其中理论值需与实际值相重合，才能满足混频发生条件，如附图3所示，涉及到的谐振条件公式为：
其中c是横波与纵波的波速比，a是频率比ω2/ω1，等于前面的d。
根据得到的θP1，θP2公式，就可得到角度与频率比的关系曲线如附图4所示，又由于入射角不能为90度，所以频率比d进一步的取值范围是[0.72,1.39]。为了方便验证，取频率比d等于0.83的情况，d＝0.83时，θP1＝52°，θP2＝71°，这也是有机玻璃楔块的角度。
测试系统操作方法如下：
首先设置测试系统的参数：基频波频率比d为0.83，PXR04发射换能器设置接近最优激励参数40kHz，PXR07发射换能器设置激励参数为48kHz，激励幅值皆为150V，示波器采样率设为5MSa/s。波形采用的是双通道正弦波。
激励信号发生器通道1的发射换能器中心频率附近的ω1正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收。
激励信号发生器通道2的发射换能器按照频率比计算得到的ω2正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收,其中ω2是按频率比d换算的。
同时激励信号发生器通道1和2的发射换能器与之前单独激励时对应频率的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收。
最后得到的超声波信号时域图如附图5所示，将单独激励的信号叠加与同时激励的信号做差得到的加强版混频信号的时域图如附图6所示，频域图如附图7所示。从频率图中就可读取到频率为40kHz，48kHz基频信号A1，A2，同时看到频率为88kHz的混频波和频信号A3，即可证明非共线混频方法的有效性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例子，并非对本发明做任何专利范围的限制，凡是利用上诉的实施例的试验原理，进行各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围并不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (4)
1.一种非线性超声的非共线混频测试系统，其特征在于，包括信号发生器，放大器，示波器，第一发射换能器，第二发射换能器，第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块，接收换能器，示波器；
信号发生器与放大器连接；
放大器分别与第一发射换能器，第二发射换能器连接；
第一发射换能器与第一有机玻璃楔块连接；
第二发射换能器与第二有机玻璃楔块连接；
第一有机玻璃楔块，第二有机玻璃楔块分别与混凝土试件连接；
接收换能器与混凝土试件连接；
示波器与接收换能器连接。
2.如权利要求1所述的一种非线性超声的非共线混频测试系统，其特征在于，
第一有机玻璃楔块和第二有机玻璃楔块中，入射声波从有机玻璃入射到混凝土的入射角分别采用以下公式计算得到,
其中，vPP是纵波在有机玻璃中传播速度，vSC为横波在混凝土中传播速度，vPC为纵波在混凝土中传播速度，d是频率比ω2/ω1。
3.如权利要求1所述的一种非线性超声的非共线混频测试系统，其特征在于，
接收换能器，第一发射换能器，第二发射换能器与混凝土试件分别通过凡士林耦合剂粘结。
4.一种应用于权利要求1所述非线性超声的非共线混频测试系统的非共线混频测试方法，其特征在于，包括以下步骤，
设置测试系统的参数，第一发射换能器设置第一发射换能器中心频率为ω1的正弦波，第二发射换能器设置按照频率比d计算得到的ω2正弦波；
信号发生器生成第一发射换能器中心频率为ω1的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第一信号；
信号发生器生成按照频率比d计算得到的ω2正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第二信号；
信号发生器生成频率为ω1的正弦波和频率为ω2的正弦波，途经混凝土试件另一端接收换能器，由示波器接收生成第三信号；
信号处理步骤包括，第一信号和第二信号叠加后与第三信号相减，得到第四信号，对第四信号做快速傅里叶变换，得到混频信号的频谱图，从频谱图中就可观察到基频波和混频波，同时代入混频非线性系数表达式，得到混频非线性系数：
其中A-是混频波为差频时的幅值，
A+是混频波为和频时的幅值，
A1，A2分别为两列入射基频波的幅值。
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