CN114062506B - 一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法 - Google Patents

一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法。本发明所述系统包括：超声非线性测试系统、示波器、第一负载、第二负载、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一激励空耦换能器、第二激励空耦换能器、接收空耦换能器、放大器和计算机；本发明采用非接触式空耦超声检测技术，避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。本发明利用非共线混频技术，通过改变激励与接收空耦换能器角度与位置实现不同空间位置的微损伤检测成像，具有空间选择、波形转换、频率可选、方向可控等明显优势。

Description

一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其 成像方法
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，是一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法。
背景技术
工程材料在服役过程中，疲劳损伤断裂是一种主要的失效形式，由于断裂的发生比较突然，一般会产生比较严重的后果，造成很大的经济损失，且对人身产生很大的威胁。特别是化工、核电、火电和航空航天等领域服役的材料，由于长期在高温、高压、腐蚀等恶劣工况下运行，极易发生疲劳、蠕变、腐蚀等损伤，造成材料性能退化，严重威胁工业设备的安全运行和人民生命财产安全。因此，有效地表征或评估材料损伤对于确保工业设备的安全服役、减少灾难性事故发生至关重要。
传统的无损检测方法只能检测材料中的宏观缺陷、如裂纹、夹杂、气孔等，对于材料早期损伤阶段形成的微纳尺度缺陷并不敏感。研究表明。对于设计良好的工程构件，材料早期损伤占据了其寿命的绝大部分。因此，发展和完善材料早期损伤的无损检测评价方法对于实现材料服役损伤检测的全寿命覆盖，保证工业设备的安全运行和及时维护(或维修)，从而降低维护(或维修)成本、延长使用寿命，具有重要意义。传统的超声无损检测技术是利用超声波传播过程中遇到缺陷时声波的反射、散射等线性特征进行缺陷检测和评价，对材料中的裂纹、夹层、未焊透等类型的缺陷具有较高的检测能力。然而，当缺陷尺寸小于检测超声波波长的二分之一或缺陷与周围介质的声阻抗差别很小时，传统超声无损检测技术便很难对其实现有效地检测。与传统超声检测技术相比，非线性超声检测技术能够从本质上反映材料微小缺陷对超声波传播过程的影响，即使是非常小的损伤，当波在材料中传播时也会出现诸如波形畸变、高次谐波滋生、边频带形成等明显非线性现象。因此，非线性超声能够克服传统无损检测方法的不足，有效表征材料微观结构的变化，有望成为一种有效的材料损伤检测手段。
空气耦合超声作为一种新兴的无损检测技术，相比于其他检测方法具有非接触、非浸润以及无伤害的特性。除此之外，换能器的布置方式可以不受试件大小的限制，不受材料损伤深度限制，并且可以检测区域型缺陷，因此检测效率得到大幅度提升。随着高功率检测系统和高性能空气耦合超声换能器的研制，空气耦合超声逐渐在复合材料检测、材料特性评估等方面得到应用，发展潜力巨大。
目前，市场上对于待测件进行非线性超声微损伤检测往往是采用接触式超声换能器配合楔块进行超声波的激励与接收，并通过分析接收回波是否具有高次谐波或者边频带形成来判断待测件中有无损伤，利用基波幅值与二次谐波幅值来得到非线性系数来对损伤大小等信息进行表征。采用接触式探头和楔块必须使用耦合剂从而保证声波有效进入待测件，然而，耦合剂的存在会引入系统的非线性，产生不可避免的系统误差，导致微损伤检测结果的准确性。同时，对某些特殊要求的检测场合或者特殊材料的检测不允许接触或者使用耦合剂，传统非线性超声微缺陷检测方法将不再适用。同时，传统非线性超声微损伤检测方向单一、检测空间位置不易控，无法实现对待测件进行区域微损伤成像。本发明基于非共线混频技术，采用空气耦合超声换能器实现超声微损伤成像检测。本发明采用非接触式空耦超声检测技术，避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。相比于传统非线性超声检测方法，本发明利用非共线混频技术，通过改变激励空耦换能器角度、接收空耦换能器角度与中心位置实现不同空间位置的微损伤检测成像，具有空间选择、波形转换、频率可选、方向可控等明显优势。
发明内容
本发明相比于传统非线性超声检测方法中通过二次谐波获得的非线性系数表征微损伤的检测方向单一、检测空间位置不易控，本发明利用非共线混频技术，通过改变激励与接收空耦换能器角度与位置实现不同空间位置的微损伤检测成像，具有空间选择、波形转换、频率可选、方向可控等明显优势。
本发明提供了一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统，所述系统包括：超声非线性测试系统、示波器、第一负载、第二负载、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一激励空耦换能器1、第二激励空耦换能器2、接收空耦换能器3、放大器和计算机；
所述超声非线性测试系统连接计算机，所述示波器连接超声非线性测试系统，对波形进行显示，所述超声非线性测试系统设有第一激励端、第二激励端和接收端，所述超声非线性测试系统的第一激励端连接第一负载，所述第一负载连接第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接第一激励空耦换能器；
所述超声非线性测试系统的第二激励端连接第二负载，所述第二负载连接第二低通滤波器，所述第二低通滤波器连接第二激励空耦换能器；
所述第一激励空耦换能器和第二激励空耦换能器发出检测信号至待测件，接收空耦换能器接收检测信号，接收空耦换能器连接放大器，所述超声非线性测试系统的接收端连接放大器。
优选地，所述第一负载和第二负载采用50欧姆的电阻。
一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，包括以下步骤：
步骤1：对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器角度，以及中心位置；
步骤2：当激励换能器的角度确定后，确定入射声波的夹角，利用两列非共线声波入射进待测件中，通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置；
步骤3：控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇；第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
步骤4：通过对待测件不同位置进行非共线混频检测获得混频波，对混频波分析得到该位置的非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值；对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
优选地，所述步骤1具体为：
步骤1.1：通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，设成像点的坐标为(xp,zp)，两激励空耦换能器的中心位置固定，分别为(x1,z0)和(x2,z0)；
根据Snell定律确定两激励空耦换能器入射声波在待测件的入射点，分别为(xr1,d/2)和(xr2,d/2)：
Figure BDA0003321988240000041
Figure BDA0003321988240000042
其中，c1和c2分别为空气和待测件中的声速大小；
步骤1.2：确定两激励空耦换能器的角度分别为α1和α2，通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000051
Figure BDA0003321988240000052
两列横波相互作用时，产生混频波满足如下条件：
Figure BDA0003321988240000053
其中，
Figure BDA0003321988240000054
表示两列入射波k1和k2之间的夹角，γ表示入射波k1和混频波k3之间的夹角，α表示两列入射波的频率之比ω1/ω2，c表示横波与纵波的波速之比ct/cl；
步骤1.3：当两激励换能器的角度确定后，两列入射声波的夹角
Figure BDA0003321988240000055
也随之确定，根据得到混频波的传播方向φ；根据Snell定律确定混频波在待测件的出射点，(xr3,d/2)以及接收空耦换能器的中心位置，(x3,z0)，通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000056
确定接收空耦换能器的角度α3通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000057
优选地，所述步骤2具体为：
在非共线混频检测中，超声非线性系统产生两个相同周期，频率分别f1和f2的正弦激励信号，两激励信号分别经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，分别施加在两个激励空耦换能器上；
利用两列非共线声波入射进待测件中，当两列波满足谐振条件时，会产生第三列声波；
通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置，通过控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇。
优选地，所述步骤3具体为：
第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
利用系统的超外差接收功能，由差频分量及和频分量随激励信号频率的变化情况，筛选出最佳混频检测参数f1和f2；当每个频率信号的幅值是已知的，通过下式确定非共线混频非线性系数：
Figure BDA0003321988240000061
其中，usca为混频波幅值，A1、A2为基频波幅值。
优选地，所述步骤4具体为：
通过对待测件不同位置进行非共线混频检测获得混频波，对混频波分析得到该位置的非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值；对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用非接触式空耦超声检测技术，避免了传统接触式检测的一些限制因素，对复杂的几何构件也有良好的适应能力。相比于传统非线性超声检测方法中通过二次谐波获得的非线性系数表征微损伤的检测方向单一、检测空间位置不易控，本发明利用非共线混频技术，通过改变激励与接收空耦换能器角度与位置实现不同空间位置的微损伤检测成像，具有空间选择、波形转换、频率可选、方向可控等明显优势。
附图说明
图1是混频波相互作用示意图；
图2是空耦超声微损伤检测成像结构示意图；
图3是基于非共线混频技术的空耦超声微损伤检测成像原理图；
图4是基于非共线混频技术的空耦超声微损伤检测成像实验系统示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图4所示：当两列入射声波满足一定条件时，它们在非线性介质中相遇将会发生相互作用，产生第三列波，即混频波，该波携带着与材料早期损伤的有关信息。将三个空耦换能器放置于待测件的同一侧，两个用于激励纵波脉冲，一个用于接收超声波。通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，由于两激励空耦换能器的中心位置确定，根据成像点的位置确定两激励空耦换能器的角度，产生两列不同方向的入射声波，并通过控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇。利用系统的超外差接收功能，由差频分量及和频分量随激励信号频率的变化情况，优选出最佳混频检测参数。结合混频波传播方向与入射声波夹角与频率比等的关系，确定接收空耦换能器的角度与中心位置。通过对混频波接收信号进行频谱分析获得非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值。对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
本发明提供一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统，所述系统包括：超声非线性测试系统、示波器、第一负载、第二负载、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一激励空耦换能器、第二激励空耦换能器、接收空耦换能器、放大器和计算机；
所述超声非线性测试系统连接计算机，所述示波器连接超声非线性测试系统，对波形进行显示，所述超声非线性测试系统设有第一激励端、第二激励端和接收端，所述超声非线性测试系统的第一激励端连接第一负载，所述第一负载连接第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接第一激励空耦换能器；
所述超声非线性测试系统的第二激励端连接第二负载，所述第二负载连接第二低通滤波器，所述第二低通滤波器连接第二激励空耦换能器；
所述第一激励空耦换能器和第二激励空耦换能器发出检测信号至待测件，接收空耦换能器接收检测信号，接收空耦换能器连接放大器，所述超声非线性测试系统的接收端连接放大器。
所述第一负载和第二负载采用50欧姆的电阻。
本发明提供一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，包括以下步骤：
步骤1：对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器角度，以及中心位置；
所述步骤1具体为：
步骤1.1：通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，设成像点的坐标为(xp,zp)，两激励空耦换能器的中心位置固定，分别为(x1,z0)和(x2,z0)；
根据Snell定律确定两激励空耦换能器入射声波在待测件的入射点，分别为(xr1,d/2)和(xr2,d/2)：
Figure BDA0003321988240000091
Figure BDA0003321988240000092
其中，c1和c2分别为空气和待测件中的声速大小；
步骤1.2：确定两激励空耦换能器的角度分别为α1和α2，通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000093
Figure BDA0003321988240000094
两列横波相互作用时，产生混频波满足如下条件：
Figure BDA0003321988240000095
其中，
Figure BDA0003321988240000096
表示两列入射波k1和k2之间的夹角，γ表示入射波k1和混频波k3之间的夹角，α表示两列入射波的频率之比ω1/ω2，c表示横波与纵波的波速之比ct/cl；
步骤1.3：当两激励换能器的角度确定后，两列入射声波的夹角
Figure BDA0003321988240000101
也随之确定，根据得到混频波的传播方向φ；根据Snell定律确定混频波在待测件的出射点，(xr3,d/2)以及接收空耦换能器的中心位置，(x3,z0)，通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000102
确定接收空耦换能器的角度α3通过下式表示：
Figure BDA0003321988240000103
步骤2：当激励换能器的角度确定后，确定入射声波的夹角，利用两列非共线声波入射进待测件中，通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置；
所述步骤2具体为：
在非共线混频检测中，超声非线性系统产生两个相同周期，频率分别f1和f2的正弦激励信号，两激励信号分别经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，分别施加在两个激励空耦换能器上；
利用两列非共线声波入射进待测件中，当两列波满足谐振条件时，会产生第三列声波；
通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置，通过控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇。
步骤3：控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇；第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
所述步骤3具体为：
第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
利用系统的超外差接收功能，由差频分量及和频分量随激励信号频率的变化情况，筛选出最佳混频检测参数f1和f2；当每个频率信号的幅值是已知的，通过下式确定非共线混频非线性系数：
Figure BDA0003321988240000111
其中，usca为混频波幅值，A1、A2为基频波幅值。
步骤4：通过对待测件不同位置进行非共线混频检测获得混频波，对混频波分析得到该位置的非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值；对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
所述步骤4具体为：
通过对待测件不同位置进行非共线混频检测获得混频波，对混频波分析得到该位置的非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值；对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
以上所述仅是一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法的优选实施方式，一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统及其成像方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，所述方法基于一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像系统，所述系统包括：超声非线性测试系统、示波器、第一负载、第二负载、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一激励空耦换能器、第二激励空耦换能器、接收空耦换能器、放大器和计算机；
所述超声非线性测试系统连接计算机，所述示波器连接超声非线性测试系统，对波形进行显示，所述超声非线性测试系统设有第一激励端、第二激励端和接收端，所述超声非线性测试系统的第一激励端连接第一负载，所述第一负载连接第一低通滤波器，所述第一低通滤波器连接第一激励空耦换能器；
所述超声非线性测试系统的第二激励端连接第二负载，所述第二负载连接第二低通滤波器，所述第二低通滤波器连接第二激励空耦换能器；
所述第一激励空耦换能器和第二激励空耦换能器发出检测信号至待测件，接收空耦换能器接收检测信号，接收空耦换能器连接放大器，所述超声非线性测试系统的接收端连接放大器，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器角度，以及中心位置；
步骤2：当激励换能器的角度确定后，确定入射声波的夹角，利用两列非共线声波入射进待测件中，通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置；
所述步骤2具体为：
在非共线混频检测中，超声非线性系统产生两个相同周期，频率分别f1和f2的正弦激励信号，两激励信号分别经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，分别施加在两个激励空耦换能器上；
利用两列非共线声波入射进待测件中，当两列波满足谐振条件时，会产生第三列声波；
通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，确定激励与接收空耦换能器的角度和中心位置，通过控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇；
步骤3：控制基频脉冲波的发射时间，使两列入射声波在成像点处相遇；第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
步骤4：通过对待测件不同位置进行非共线混频检测获得混频波，对混频波分析得到该位置的非共线混频非线性系数，从而得到该成像点的灰度值；对待测件成像区域的每个成像点进行赋值从而实现待测件微损伤成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，其特征是：所述步骤1具体为：
步骤1.1：通过对待测件的成像区域进行网格划分，得到每个成像点的位置，设成像点的坐标为(xp,zp)，两激励空耦换能器的中心位置固定，分别为(x1,z0)和(x2,z0)；
根据Snell定律确定两激励空耦换能器入射声波在待测件的入射点，分别为(xr1,d/2)和(xr2,d/2)：
Figure FDA0003819461200000021
Figure FDA0003819461200000022
其中，c1和c2分别为空气和待测件中的声速大小；
步骤1.2：确定两激励空耦换能器的角度分别为α1和α2，通过下式表示：
Figure FDA0003819461200000031
Figure FDA0003819461200000032
两列横波相互作用时，产生混频波满足如下条件：
Figure FDA0003819461200000033
其中，
Figure FDA0003819461200000034
表示两列入射波k1和k2之间的夹角，γ表示入射波k1和混频波k3之间的夹角，α表示两列入射波的频率之比ω1/ω2，c表示横波与纵波的波速之比ct/cl；
步骤1.3：当两激励换能器的角度确定后，两列入射声波的夹角
Figure FDA0003819461200000035
也随之确定，根据混频波的传播方向φ；根据Snell定律确定混频波在待测件的出射点，(xr3,d/2)以及接收空耦换能器的中心位置，(x3,z0)，通过下式表示：
Figure FDA0003819461200000036
确定接收空耦换能器的角度α3通过下式表示：
Figure FDA0003819461200000037
3.根据权利要求1所述的一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，其特征是：所述步骤3具体为：
第三列声波由接收空耦换能器接收，经过放大器传输至超声非线性系统的接收通道；
利用系统的超外差接收功能，由差频分量及和频分量随激励信号频率的变化情况，筛选出最佳混频检测参数f1和f2；当每个频率信号的幅值是已知的，通过下式确定非共线混频非线性系数：
Figure FDA0003819461200000041
其中，usca为混频波幅值，A1、A2为基频波幅值。
4.根据权利要求1所述的一种基于非共线混频技术的空气耦合超声损伤成像方法，其特征是：其特征是：所述第一负载和第二负载采用50欧姆的电阻。
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