CN113295776A - 一种瑞利波信号的高效检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瑞利波信号的高效检测方法，采用双探头，倾斜、对向、反相位激励瑞利波，并在两个入射点连线的中点采集离面位移作为检测信号，适用于空气或水中的固体试件检测；通过控制入射倾角消除纵波的离面位移分量，通过控制入射相位消除横波的离面位移分量，从而获得仅具有瑞利波模态的纯净波场，在检测信号中仅保留瑞利波成分，实现瑞利波的高效检测，为材料性能表征、试件内部缺陷检测提供便利；通过沿试件表面移动激励器、接收器，可实现大范围快速检测。

Description

一种瑞利波信号的高效检测方法

技术领域

本发明涉及一种瑞利波信号的高效检测方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

瑞利波是一种沿固体表面传播的超声波，通过观测瑞利波的速度、衰减、频散，可以表征材料性能，在无损检测、实验力学、土木工程、机械工程、仪器仪表领域具有广阔的应用前景。

传统的瑞利波检测采用单探头激励、单探头接收的模式。然而，采用单探头激励，在产生瑞利波的同时，还可能产生横波和纵波。由于这三种波的性质不同，会形成三个独立传播的波包。如图6、7、8所示，当被测试件尺寸较小时，各波包的传播不充分，在时域上互相重叠，给瑞利波的提取带来困难，无法根据瑞利波的速度、衰减、频散表征材料性能。

发明内容

本发明提供一种瑞利波信号的高效检测方法，采用双探头倾斜对向入射的激励方法，通过控制入射倾角消除纵波波包，通过控制入射相位消除横波波包，从而形成一个仅包含瑞利波模态的检测波场，将传统激励方法形成的三个波包简化为一个波包，消除了纵波、横波的干扰，实现瑞利波的高效检测，为材料性能表征、试件内部缺陷检测提供便利；通过沿试件表面移动激励器、接收器，可实现大范围快速检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种瑞利波信号的高效检测方法，包括以下步骤：

第一步，布置探头，在试件表面倾斜布置两只激励器，分别编号为激励器1、激励器2，所述激励器1、激励器2呈对向布置，两只激励器与法线夹角均为θcr，设两只激励器的入射点分别为O1、O2，计O1、O2连线的中点为D点，在D点垂直位置设置接收器，采集D点的离面位移作为检测信号；

第二步，计算激励器倾角，采用空气或水耦合，计空气中纵波的波速C1＝340m/s，水中纵波的波速C1＝1497m/s，设被测试件为均匀、各向同性、线弹性固体，弹性模量为E，泊松比为μ，密度为ρ，根据下式计算试件中纵波的波速C2：

根据斯涅尔定律计算入射角θcr：

sinθcr＝C1/C2；

第三步，消除纵波，激励器1、激励器2以第二步中计算得出的入射角入射脉冲波，脉冲波由空气进入试件后，形成三种超声波：纵波、横波、瑞利波，其中，纵波速度最快，横波次之，瑞利波最慢，三种波引起的质点振动方向不同，其中试件中纵波的传播方向平行于试件表面，此时，由于纵波引起的质点振动方向与纵波传播方向相同，均平行于试件表面，因此，无法产生垂直于试件表面的振动分量，故D点的接收器无法采集到纵波引起的离面位移，此时的检测信号中不包含纵波波包，仅含有横波、瑞利波波包；

第四步，设置激励信号，设置正电压的脉冲信号作为激励信号1，设置负电压脉冲信号作为激励信号2，两条激励信号的波形相同，仅电压的正负值相反，向激励器1施加激励信号1，向激励器2施加激励信号2；

第五步，消除横波，记激励器1产生的横波、瑞利波为横波1、瑞利波1，记激励器2产生的横波、瑞利波分别为横波2、瑞利波2，当激励器1、激励器2分别施加激励信号1、激励信号2时，在D点处相遇的横波1、横波2引起的质点振动方向相反，相互抵消后为0，不引起离面位移；而瑞利波1、瑞利波2波呈椭圆形振动，由于入射方向相反、激励波幅值相反，瑞利波1、瑞利波2在D点相遇时，质点呈同向振动，相互加强并具有离面位移分量，故D点的接收器能采集到经加强放大的瑞利波，此时的检测信号中不包含纵波、横波波包，仅含有瑞利波波包；

第六步，移动检测，固定激励器1、激励器2、接收器的相对位置，通过沿试件表面移动激励器1、激励器2、接收器，可提取试件不同位置的瑞利波响应，作为材料性能表征、试件内部缺陷检测的依据；

作为本发明的进一步优选，当试件位于空气中时，所述激励器1、激励器2为UltranGRD50空气耦合探头，接收器为Polytech psv 500激光测振仪；

作为本发明的进一步优选，当试件位于水中时，所述激励器1、激励器2为AE204SW水耦合探头，接收器为AE204SW水耦合探头搭配钢钉；

作为本发明的进一步优选，当试件中瑞利波频散不明显时，激励的脉冲信号为Hann函数，当试件中瑞利波频散明显时，计算瑞利波的频散曲线，选取曲线斜率最小点对应的频率作为中心频率fc，绘制5周期频率为fc的正弦波，并用Hann函数调制，作为激励信号；

作为本发明的进一步优选，当采用步骤(2)计算的θcr作为入射角时，试件中纵波的传播方向平行于试件表面，横波的传播方向垂直于试件表面，瑞利波呈椭圆形振动。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种瑞利波信号的高效检测方法，采用双探头倾斜对向入射的激励方法，通过控制入射倾角消除纵波波包，通过控制入射相位消除横波波包，从而形成一个仅包含瑞利波模态的检测波场，将传统激励方法形成的三个波包简化为一个波包，消除了纵波、横波的干扰，实现瑞利波的高效检测，为材料性能表征、试件内部缺陷检测提供便利，适用于空气或水中的固体试件检测。通过沿试件表面移动激励器、接收器，可实现大范围快速检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明所述的激励器与接收器布置图；

图2为本发明所述的纵波消除原理图；

图3为不同超声波引起的质点振动图；

图4为本发明所述的反相位激励信号图；

图5为反相位激励引起的质点振动图；

图6为传统检测模式图；

图7为传统检测模式形成的检测信号图；

图8为传统检测信号形成的重叠的波包图；

图9为水下试件检测的接收器示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

实施例

本发明所述的一种瑞利波信号的高效检测方法，包括以下步骤：

(1)布置探头

在试件表面布置两只Ultran GRD 50空气耦合探头作为激励器，分别编号为激励器1、激励器2，所述激励器1、激励器2呈对向布置(关于法线轴对称)，两只激励器与法线夹角均为θcr。设两只激励器的入射点分别为O1、O2，计O1、O2连线的中点为D点，采用激光测振仪Polytech psv 500作为接收器，采集D点的离面(垂直于试件表面)位移作为检测信号。探头布置如图1所示。

(2)计算探头倾角

采用空气耦合，计空气中纵波的波速C1＝340m/s。设被测试件为均匀、各向同性、线弹性固体，弹性模量为E，泊松比为μ，密度为ρ，根据下式计算试件中纵波的波速C2：

根据斯涅尔定律计算入射角θcr：

sinθcr＝C1/C2

(3)消除P波

激励器1入射P波，由空气进入试件后，形成三种超声波：纵波(P波)、横波(S波)、瑞利波(R波)，如图2所示。其中，P波速度最快，S波次之，R波最慢。例如，在t时刻，R、S、P波分别到达A、B、C点。

三种波引起的质点振动方向如图3所示。

由于采用倾斜入射，试件内三种波的传播方向随入射角变化。当采用步骤(2)计算的θcr作为入射角时，试件中P波的传播方向平行于试件表面。此时，由于P波引起的质点振动方向于P波传播方向相同，均平行于试件表面，因此，无法产生垂直于试件表面的振动分量，故D点的接收器无法采集到P波引起的离面位移，此时的检测信号中不包含P波波包，仅含有S波、R波波包。

(4)设置激励信号

采用Hann函数作为脉冲信号，设置正电压的脉冲信号作为激励信号1，设置负电压脉冲信号作为激励信号2。两条激励信号的波形相同，仅电压的正负值相反，如图4所示。向激励器1施加激励信号1，向激励器2施加激励信号2。

(5)消除S波

由于激励器1、激励器2分别采用图1所示的临界入射角入射，依据步骤(3)可知，两只激励器均无法产生具有离面位移分量的P波，仅需要考虑S波、R波。记激励器1产生的S波、R波为S1、R1，记激励器2产生的S波、R波为S2、R2，试件中产生的超声波如图1所示。

当激励器1、激励器2分别施加激励信号1、激励信号2时，在D点处相遇的S1、R1、S2、R2引起的质点振动方向如图5所示。

由于激励信号的相位相反，S1、S2波在D点相遇时，引起的质点振动方向相反，相互抵消后为0，不引起离面位移；而R1、R2波呈椭圆形振动，由于入射方向相反、激励波幅值相反，R1、R2波在D点相遇时，质点呈同向振动，相互加强并具有离面位移分量，故D点的接收器能采集到经加强放大的瑞利波，而无法采集到S波引起的离面位移，此时的检测信号中不包含P波、S波波包，仅含有R波波包。

(6)移动检测

固定激励器1、激励器2、接收器的相对位置，通过沿试件表面移动激励器1、激励器2、接收器，可提取试件不同位置的瑞利波响应，作为材料性能表征、试件内部缺陷检测的依据。

本发明最终检测信号中仅含有R波，没有P波和S波，波形简单，便于分析。

通过上述实施例的具体阐述可以获知：

(1)本发明不仅可以消除由于传播距离(OD)短造成的多波包重叠，也可用于消除经边界反射、损伤散射造成的多波包重叠。

(2)本发明不仅可以用于消除纵波、横波，保留瑞利波，也可用于消除任意两种超声波，而仅保留剩余的一种超声波。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种瑞利波信号的高效检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，布置探头，在试件表面倾斜布置两只激励器，分别编号为激励器1、激励器2，所述激励器1、激励器2呈对向布置，两只激励器与法线夹角均为θcr，设两只激励器的入射点分别为O1、O2，计O1、O2连线的中点为D点，在D点垂直位置设置接收器，采集D点的离面位移作为检测信号；

第二步，计算激励器倾角，采用空气或水耦合，计空气中纵波的波速C1＝340m/s，水中纵波的波速C1＝1497m/s，设被测试件为均匀、各向同性、线弹性固体，弹性模量为E，泊松比为μ，密度为ρ，根据下式计算试件中纵波的波速C2：

根据斯涅尔定律计算入射角θcr：

sinθcr＝C1/C2；

第三步，消除纵波，激励器1、激励器2以第二步中计算得出的入射角入射脉冲波，脉冲波由空气进入试件后，形成三种超声波：纵波、横波、瑞利波，其中，纵波速度最快，横波次之，瑞利波最慢，三种波引起的质点振动方向不同，其中试件中纵波的传播方向平行于试件表面，此时，由于纵波引起的质点振动方向与纵波传播方向相同，均平行于试件表面，因此，无法产生垂直于试件表面的振动分量，故D点的接收器无法采集到纵波引起的离面位移，此时的检测信号中不包含纵波波包，仅含有横波、瑞利波波包；

第四步，设置激励信号，设置正电压的脉冲信号作为激励信号1，设置负电压脉冲信号作为激励信号2，两条激励信号的波形相同，仅电压的正负值相反，向激励器1施加激励信号1，向激励器2施加激励信号2；

第五步，消除横波，记激励器1产生的横波、瑞利波为横波1、瑞利波1，记激励器2产生的横波、瑞利波分别为横波2、瑞利波2，当激励器1、激励器2分别施加激励信号1、激励信号2时，在D点处相遇的横波1、横波2引起的质点振动方向相反，相互抵消后为0，不引起离面位移；而瑞利波1、瑞利波2波呈椭圆形振动，由于入射方向相反、激励波幅值相反，瑞利波1、瑞利波2在D点相遇时，质点呈同向振动，相互加强并具有离面位移分量，故D点的接收器能采集到经加强放大的瑞利波，此时的检测信号中不包含纵波、横波波包，仅含有瑞利波波包；

第六步，移动检测，固定激励器1、激励器2、接收器的相对位置，通过沿试件表面移动激励器1、激励器2、接收器，可提取试件不同位置的瑞利波响应，作为材料性能表征、试件内部缺陷检测的依据。

2.根据权利要求1所述的一种瑞利波信号的高效检测方法，其特征在于：当试件位于空气中时，所述激励器1、激励器2为Ultran GRD 50空气耦合探头，接收器为Polytech psv500激光测振仪。

3.根据权利要求1所述的一种瑞利波信号的高效检测方法，其特征在于：当试件位于水中时，所述激励器1、激励器2为AE204SW水耦合探头，接收器为AE204SW水耦合探头搭配钢钉。

4.根据权利要求1所述的一种瑞利波信号的高效检测方法，其特征在于：当试件中瑞利波频散不明显时，激励的脉冲信号为Hann函数，当试件中瑞利波频散明显时，计算瑞利波的频散曲线，选取曲线斜率最小点对应的频率作为中心频率fc，绘制5周期频率为fc的正弦波，并用Hann函数调制，作为激励信号。

5.根据权利要求1所述的一种瑞利波信号的高效检测方法，其特征在于：当采用步骤(2)计算的θcr作为入射角时，试件中纵波的传播方向平行于试件表面，横波的传播方向垂直于试件表面，瑞利波呈椭圆形振动。

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