CN114910565B - 一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法 - Google Patents

一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，对同一材质不同厚度的若干试件分别进行相同实验条件下的非线性超声检测，通过测得的不同厚度试件下相对非线性系数与试件厚度进行线性拟合，拟合直线的截距即为系统非线性引入的相对非线性系数部分，之后在实际检测中将该部分减去。本发明基于测量得到的相对非线性系数由材料固有非线性部分和系统非线性部分组成，而相对非线性系数与试件厚度呈线性关系。该方法可用于非线性超声检测中系统非线性的去除，使测量数据具有更高对比度，基于非线性超声技术的材料损伤程度判定、微观组织演化评定等工作可更为高效展开。

Description

一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法
技术领域
本发明涉及一种非线性超声检测领域，尤其是一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法。
背景技术
目前诸如超声、射线等的传统无损检测方法均适用于检测结构部件的宏观裂纹，而对更小尺度的微损伤、微裂纹的检测存在一定的局限性。利用非线性超声技术对设备部件进行无损检测是近年来的研究热点，是对材料微观缺陷评价方法的有效补充。同时，非线性超声技术可用于评定材料的晶粒度、位错密度、析出相沉淀物浓度等微观属性，在不破坏试样的条件下对材料的诸多性能实现检出。非线性效应来自材料本身，与早期塑性变形、疲劳损伤、蠕变损伤等微观组织结构改变密切相关，大量研究表明通过激励一定幅度的超声信号，可以激发出相应的超声非线性效应，并且随着损伤的累积或是微组织的改变超声非线性效应显著变化。
在非线性超声检测法中，通常采用双换能器形式，一个作为声波发射源，另一个作 为声波接收源。发射换能器通常为窄带换能器，而接收换能器由于需要同时接收基波和二 次谐波一般选用宽带换能器，并用测量得到的基波幅值
Figure 201552DEST_PATH_IMAGE001
与二次谐波幅值
Figure 410554DEST_PATH_IMAGE002
组成的非线 性系数刻画损伤情况，一般该模式被称作二次谐波法。将非线性超声技术应用于实际检测 当中，始终存在着一个技术难题——测量仪器设备本身、传感器与被检材料之间的耦合等 均会引入一定的非线性，即非物理效应的非线性，通常称之为系统非线性。系统非线性的存 在会在一定程度上干扰测试结果，降低该技术对于试件不同损伤程度的分辨力、不同微观 组织结构的感知力，严重时甚至淹没物理非线性。所以系统非线性的讨论始终是非线性超 声检测技术领域的一个重点。
由于在检测结果上，系统非线性与物理非线性并无特征相区别，故很难通过一定的数学方法将其去除。目前在该问题的处理上，一般通过以下两种方式解决：
1.通过在入射换能器之前加入低通滤波器以尽可能滤去仪器设备的高次谐波继而去除系统非线性，典型文献有：
（1）《一种采用非线性超声技术测量Q345低合金钢屈服强度的方法》（CN103713052A）：该方法公开了采用非线性超声二次谐波法测量Q345低合金钢屈服强度的方法，在设备系统中发射换能器前端加入20MHz低通滤波器，以去除设备系统引入的非线性。将得到的非线性系数与破坏性试验得到的不同试件屈服强度进行拟合标定，以达到屈服强度无损测量的目的。
（2）税国双，黄蓬，汪越胜. 列车外圆弹簧疲劳损伤的非线性超声测试[J]. 声学学报，2013，38(5)：570-575.该文章报道了基于二次谐波法对列车外圆弹簧疲劳损伤程度的检测，同样通过在入射超声换能器前加入10MHz低通滤波器的方式降低了仪器设备引入的系统非线性。
该种方式对于系统非线性的降低在其它文献或专利中也常有提及，并且操作方便，只是在原有测量系统上增加滤波模块，在一定程度上降低了系统非线性的大小。但由于探头与被测试件的耦合同样存在非物理效应的非线性，使得该方式不能对系统非线性完全去除。
2.改变传统的二次谐波法检测模式以避开系统非线性谐波干扰，典型文献有：
（1）王浩坤，何军榜，王召巴. 材料塑性损伤的共轴异向波束混频定位及表征方法[J]. 测试技术学报，2019，33（5）：381-385.该文章报道了，通过双传感器模式下，不以倍频谐波作为评价材料损伤的特征量，便可回避系统非线性的干扰（系统非线性的形式多为倍频谐波），而材料的损伤由混频非线性参量表征。
（2）《一种金属材料疲劳闭合裂纹的非线性成像方法》（CN110333292B）：该方法公开了基于采用全部阵元相控阵和分组阵元相控阵数据采集和数据处理的方式。在完全一致的实验系统采集条件下，两种数据处理方式产生的系统非线性大小一致，以二者差作为表征微损伤的特征量，可在作差过程中将系统非线性完全消除。
在改变传统的二次谐波法检测模式下，通过某些手段可以使系统非线性彻底“消除”，但这些方法普遍需要更复杂的检测方式，不如传统的二次谐波法实现方便，限制了其应用。
由于非线性超声二次谐波法在实际检测中最易实现，故其应用最为广泛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，即仍在二次谐波检测法框架下，通过一定流程确定该非线性超声检测系统的系统非线性大小，继而在实际检测中将该部分减去，可明显提高非线性超声技术对于材料损伤、微观组织演化的分辨能力，对于实际检测、监测的应用意义重大。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，包括以下步骤：
（1）系统性非线性系数的测定：依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相 同、厚度不同的标定试件，对不同厚度的标定试件进行非线性超声检测，从接收时域信号分 别提取不同厚度试件的基波、二次谐波幅值，并计算相应的相对非线性系数
Figure 420098DEST_PATH_IMAGE003
Figure 532411DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 601998DEST_PATH_IMAGE005
为基波幅值，
Figure 799761DEST_PATH_IMAGE002
为二次谐波幅值；
拟合相对非线性系数
Figure 612996DEST_PATH_IMAGE006
与试件厚度X的线性关系，并获取拟合直线的截距
Figure 845395DEST_PATH_IMAGE007
，截 距
Figure 85883DEST_PATH_IMAGE007
为系统性非线性系数，表示系统非线性引入的相对非线性系数部分；
（2）实际检测中以测量得到的相对非线性系数
Figure 770942DEST_PATH_IMAGE008
减去系统性非线性系数
Figure 387868DEST_PATH_IMAGE007
作 为修正后的相对非线性系数，用于后续的实际非线性超声检测工作。
所述非线性超声检测包括材料的损伤程度检测和微观属性检测。
所述材料的损伤程度包括塑性损伤和疲劳损伤；微观属性包括晶粒度、位错密度和析出相沉淀物浓度。
所述依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相同、厚度不同的标定试件，包括以下步骤：
①根据被检测对象材质的声波衰减特性确定超声发射频率f并选择相应换能器， 根据被检测对象材料的声速
Figure 474773DEST_PATH_IMAGE009
、厚度H，确定声波周期数N，使声波脉冲串对应的空间长度 不大于被检测对象厚度：
Figure 384698DEST_PATH_IMAGE010
同时为了使声波脉冲串能量最大化，N选取最大值
Figure 557053DEST_PATH_IMAGE011
；
②标定试件的制备中，标定试件材质选择与被检测对象相同或是声波衰减特性差异相近，标定试件的厚度X的加工满足：
Figure 712091DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为标定试件的声速。
本发明的有益效果是：本发明通过材料相同厚度不同的若干试件进行相同条件下的非线性超声检测。利用声波经过不同厚度试件激发的非线性大小与试件厚度的线性关系进行系统非线性的获取，并在接下来的应用环节减去系统非线性部分，以提高非线性超声技术对于材料损伤程度、微观组织演化的分辨能力。相较于现有的检测方式，能进一步保障检测效力，提升检测能力。
附图说明
图1是本发明非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法的流程图。
图2是本发明方法的不同厚度试件示意图。
图3是本发明方法的非线性超声检测系统搭建示意图。
图4是本发明方法的系统稳定性验证图。
图5是本发明方法的分路提取的基波、二次谐波时域信号图。
图6是本发明方法的通过相敏检波获得的基波、二次谐波幅值图。
图7是本发明方法的非线性系数与试件厚度线性拟合关系图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，包括以下步骤：
（1）系统性非线性系数的测定：依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相 同、厚度不同的标定试件，对不同厚度的标定试件进行非线性超声检测，从接收时域信号分 别提取不同厚度试件的基波、二次谐波幅值，并计算相应的相对非线性系数
Figure 387923DEST_PATH_IMAGE003
Figure 235793DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 895445DEST_PATH_IMAGE005
为基波幅值，
Figure 588594DEST_PATH_IMAGE002
为二次谐波幅值；
拟合相对非线性系数
Figure 384512DEST_PATH_IMAGE006
与试件厚度X的线性关系，并获取拟合直线的截距
Figure 137704DEST_PATH_IMAGE007
，截 距
Figure 19073DEST_PATH_IMAGE007
为系统性非线性系数，表示系统非线性引入的相对非线性系数部分；
（2）实际检测中以测量得到的相对非线性系数
Figure 781492DEST_PATH_IMAGE008
减去系统性非线性系数
Figure 196031DEST_PATH_IMAGE007
作 为修正后的相对非线性系数，用于后续的实际非线性超声检测工作。
所述非线性超声检测包括材料的损伤程度检测和微观属性检测。
所述材料的损伤程度包括塑性损伤和疲劳损伤；微观属性包括晶粒度、位错密度和析出相沉淀物浓度。
所述依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相同、厚度不同的标定试件，包括以下步骤：
①根据被检测对象材质的声波衰减特性确定超声发射频率f并选择相应换能器， 根据被检测对象材料的声速
Figure 854545DEST_PATH_IMAGE009
、厚度H，确定声波周期数N，使声波脉冲串对应的空间长度 不大于被检测对象厚度：
Figure 488789DEST_PATH_IMAGE010
同时为了使声波脉冲串能量最大化，N选取最大值
Figure 789320DEST_PATH_IMAGE014
；
②标定试件的制备中，标定试件材质选择与被检测对象相同或是声波衰减特性差异相近，标定试件的厚度X的加工满足：
Figure 559830DEST_PATH_IMAGE015
Figure 654825DEST_PATH_IMAGE013
为标定试件的声速。
本发明的技术原理如下：
材料非线性系数可表达为：
Figure 776365DEST_PATH_IMAGE016
。
其中
Figure 615008DEST_PATH_IMAGE001
为基波幅值，
Figure 240025DEST_PATH_IMAGE002
为二次谐波幅值，k为波数，X为声波传输距离，在一般的检 测工作中，由于发射频率固定，试件的传播距离固定（等于试件厚度），故通常由相对非线性 系数
Figure 771500DEST_PATH_IMAGE004
刻画被检对象的损伤程度。考虑系统非线性的影响，测量得到的相对非线性 系数
Figure 114757DEST_PATH_IMAGE006
可表达为材料非线性部分
Figure 757091DEST_PATH_IMAGE017
引入的以及系统非线性
Figure 24165DEST_PATH_IMAGE018
引入的函数之和的形式， 即：
Figure 726542DEST_PATH_IMAGE019
。
其中系统非线性
Figure 291516DEST_PATH_IMAGE018
引入的相对非线性系数部分
Figure 737540DEST_PATH_IMAGE020
，在非线性超声检测方 式、参数固定的情况下不变，故相对非线性系数
Figure 337149DEST_PATH_IMAGE006
与声波的传播距离X呈线性关系，且该直 线的截距即为系统非线性引起的相对非线性系数部分（材料引入的部分为0），记为
Figure 944848DEST_PATH_IMAGE021
。在 实际检测中，将测得的相对非线性系数
Figure 262697DEST_PATH_IMAGE022
减去该部分即可得到真实的只包含材料引起的 相对非线性系数。
下面结合具体实施例作进一步详细说明：
本发明按图1所示的具体实施例，步骤如下：
（1）本实施例中，希望对一批18mm长45号钢轴类零件的疲劳损伤程度进行检测，通 过测得的相对非线性系数评价不同零件的损伤程度。本实施例中，采用二次谐波法非线性 超声检测系统，发射、接收换能器位于试件两侧，并通过夹持工装满足两换能器共线，以甘 油作为耦合剂。根据被检对象为非高衰减材料选用激励声波的频率f为5MHz，之后根据被检 测对象45号钢的声速
Figure 246833DEST_PATH_IMAGE009
为5900m/s及零件厚度H为18mm，在满足声波脉冲串在试件传播路 径上空间长度不超过试件厚度的原则上使脉冲串数量尽可能多，利用
Figure 700948DEST_PATH_IMAGE023
，确定脉冲 周期数
Figure 745128DEST_PATH_IMAGE024
为15个。
（2）同样满足声波脉冲串在试件传播路径上空间长度不超过试件厚度的原则上使 脉冲串数量尽可能多，利用
Figure 284694DEST_PATH_IMAGE025
，本实施例中加工了4个不同厚度的长方体铝合金 6061-T6标定试件，正方形截面边长30mm。由上一步确定的频率f为5MHz，脉冲周期数
Figure 72521DEST_PATH_IMAGE024
为 15个，以及铝合金声速6300m/s，确定标定试件厚度应不小于18.9mm，本实施例中分别加工 了厚度为20mm、25mm、30mm、35mm的标定试件，如图2所示。
（3）如图3所示，对非线性超声测试系统进行搭建，通过任意函数发生器1产生正弦脉冲串信号，信号经功率放大器2进行放大后，经匹配电阻3，衰减器4后，加载到中心频率为5MHz的发射超声换能器5，发射超声换能器5产生超声波经薄层耦合剂后传入试件6，声波与试件6的组织相互作用后由接收超声换能器7接收并转化为电信号，电信号经电三通8后分两路传入信号接收器11，其中一路为基波信号，另一路经高通滤波器9，放大器10后传入信号接收器11，为二次谐波信号。
（4）对4个试件进行非线性超声实验检测，验证系统稳定性，其方法为改变放大器 输出，查看测量相对非线性系数
Figure 145257DEST_PATH_IMAGE026
（
Figure 94758DEST_PATH_IMAGE006
）是否稳定，结果如图4所示。
（5）对如图5所示的基波、谐波时域信号（经过了256次平均处理）进行相敏检波处 理得到幅值在频域上的分布如图6所示，经统计得到各试件的相对非线性系数
Figure 121620DEST_PATH_IMAGE006
。
（6）将相对非线性系数
Figure 713139DEST_PATH_IMAGE006
与试件厚度X进行线性拟合，其结果如图7所示，可以看 出二者呈严格线性关系：
Figure 876267DEST_PATH_IMAGE027
截距0.07496即为系统非线性引起的相对非线性系数部分
Figure 262249DEST_PATH_IMAGE021
。
（7）在后续的实际非线性超声检测工作中，以该系统测得不同疲劳损伤程度的45 号钢的相对非线性系数
Figure 41986DEST_PATH_IMAGE008
，并通过
Figure 906037DEST_PATH_IMAGE028
刻画材料疲劳损伤程度，相较于一般工作 中的直接采用
Figure 189250DEST_PATH_IMAGE008
评价材料疲劳损伤程度可大幅提高非线性超声技术的分辨能力。
值得指出的是，本发明的实施例给出的是一种通过铝合金试块标定的结果，而系统非线性的大小和材质无关。本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，如改变标定试件材料、实验参数等。同时，本实施例的被检测对象为45号钢，通过非线性超声技术对其疲劳损伤情况进行检测。本发明的保护范围并不局限于该情况，如改变被检测对象材质，被检测对象其它可利用非线性超声技术检测的属性。根据本发明的基本技术构思，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）系统性非线性系数的测定：依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相同、厚 度不同的标定试件，对不同厚度的标定试件进行非线性超声检测，从接收时域信号分别提 取不同厚度试件的基波、二次谐波幅值，并计算相应的相对非线性系数
Figure 858944DEST_PATH_IMAGE001
Figure 244926DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 493505DEST_PATH_IMAGE003
为基波幅值，
Figure 623135DEST_PATH_IMAGE004
为二次谐波幅值；
拟合相对非线性系数
Figure 906349DEST_PATH_IMAGE005
与试件厚度X的线性关系，并获取拟合直线的截距
Figure 197653DEST_PATH_IMAGE006
，截距
Figure 697642DEST_PATH_IMAGE006
为系统性非线性系数，表示系统非线性引入的相对非线性系数部分；
（2）实际检测中以测量得到的相对非线性系数
Figure 365384DEST_PATH_IMAGE007
减去系统性非线性系数
Figure 768683DEST_PATH_IMAGE006
作为修 正后的相对非线性系数，用于后续的实际非线性超声检测工作。
2.根据权利要求1所述非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，其特征在于，所述非线性超声检测包括材料的损伤程度检测和微观属性检测。
3.根据权利要求2所述非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，其特征在于，所述材料的损伤程度包括塑性损伤和疲劳损伤；微观属性包括晶粒度、位错密度和析出相沉淀物浓度。
4.根据权利要求1所述非线性超声检测中相对非线性系数的修正方法，其特征在于，所述依据被检测对象，加工若干材质相同、表面状况相同、厚度不同的标定试件，包括以下步骤：
①根据被检测对象材质的声波衰减特性确定超声发射频率f并选择相应换能器，根据 被检测对象材料的声速
Figure 230888DEST_PATH_IMAGE008
、厚度H，确定声波周期数N，使声波脉冲串对应的空间长度不大 于被检测对象厚度：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
同时为了使声波脉冲串能量最大化，N选取最大值
Figure 188480DEST_PATH_IMAGE010
；
②标定试件的制备中，标定试件材质选择与被检测对象相同或是声波衰减特性差异相近，标定试件的厚度X的加工满足：
Figure 659913DEST_PATH_IMAGE011
Figure 917719DEST_PATH_IMAGE012
为标定试件的声速。
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