CN116448295B - 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 - Google Patents
一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116448295B CN116448295B CN202310431847.4A CN202310431847A CN116448295B CN 116448295 B CN116448295 B CN 116448295B CN 202310431847 A CN202310431847 A CN 202310431847A CN 116448295 B CN116448295 B CN 116448295B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stress
- sigma
- air
- coupled ultrasonic
- ultrasonic transducer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 235000019687 Lamb Nutrition 0.000 title claims abstract description 36
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 33
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 102100037651 AP-2 complex subunit sigma Human genes 0.000 claims description 10
- 101000806914 Homo sapiens AP-2 complex subunit sigma Proteins 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 claims description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 5
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 7
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 abstract description 6
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 103
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 241000270708 Testudinidae Species 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 239000000825 pharmaceutical preparation Substances 0.000 description 1
- 229940127557 pharmaceutical product Drugs 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
- G01L1/255—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons using acoustic waves, or acoustic emission
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/0047—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to residual stresses
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/28—Details, e.g. general constructional or apparatus details providing acoustic coupling, e.g. water
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/042—Wave modes
- G01N2291/0426—Bulk waves, e.g. quartz crystal microbalance, torsional waves
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明提出一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法。本发明利用Lamb波的双频差分声时比作为应力表征的新参量，消去了现有技术中应力系数表达式引入的复合材料板中超声波传播距离L，且无需通过无应力下的参考信号获得声时差，从而避免了空耦超声应力检测时由于复合材料板中超声波传播距离L无法准确获得以及实验条件不一致等因素而引入的误差，提高了应力定量表征的准确度。
Description
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，主要涉及一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料与普通的金属材料亦或是传统的碳纤维单体材料相比，其在刚度、耐腐蚀性、耐老化等方面往往具有更显著的优势，可广泛应用于航空航天、新能源汽车等领域的轻量化结构中。复合材料中纤维和树脂的模量、热膨胀系数不一致，制作和使用过程中收到温度、压力的影响会产生一定的残余应力，导致结构变形、断裂等问题，严重影响构件的尺寸精度与使用效果。残余应力往往超过基体的屈服强度，能使界面附近的微观结构以及性能发生明显变化，导致纤维与基体之间的界面脱黏与开裂；长期存在的残余应力达到某一量级时会引起龟裂纹扩展，甚至形成宏观裂纹，导致复合材料损伤，严重影响复合材料的整体性能。因此，对复合材料进行有效的应力检测及时发现并处理残余应力集中的区域有着重大的安全意义。
在无损检测领域内，超声波技术有着至关重要的地位，被广泛应用在各种各样的领域。然而在超声波检测技术中耦合剂的使用大大限制了该技术的应用范围，例如木制材料、日常的食品药品或对相关耦合剂敏感的材料。随着科技的不断进步，非接触式的空耦超声检测，无需耦合剂，检测过程简单、方便，检测结果可避免人为耦合因素的影响，是快速无损检测技术的主要发展方向之一。此外，对于特殊的复合材料，使用接触式超声检测时水或者其他耦合剂会使材料受到污染，并且渗透到材料内部，对其结构和性能造成破坏，故空耦超声适合应用于碳纤维复合材料实现非接触式应力检测。
Lamb波是在固体板中传播的一种弹性波，其粒子运动方向位于包含波传播方向和平面法线的平面内。Lamb波在传播过程中能量衰减小且传播距离远，能够大范围、高效率地实现碳纤维复合材料板的应力检测。由声弹性理论可知，当超声波在各向异性材料中传播时，会受到材料各向异性和内部应力的双重影响而发生声速的细微变化。当材料的各向异性情况已知的情况下，可以利用声速的变化来实现应力的表征。
现有的超声应力检测技术大多采用声时差反映存在应力状态下声速的变化进而实现应力的表征。无论是本发明还是现有技术，要对未知应力进行表征，首先要通过拉伸试验对应力系数进行标定以及需要无应力下的参考信号作为基准获得声时差。但是，现有技术的应力系数与复合材料板中超声波传播距离L有关。然而，在采用空耦超声实现非接触式检测时，实际的复合材料板中超声波传播距离L会受到空耦超声换能器本身尺寸的影响无法准确获得。后续对复合材料板进行应力检测时，无法保证实验时的传播距离与标定时的传播距离完全一致，从而引入误差使应力检测结果不准确。同时，空耦超声的超声波总的传播时间是空气中的传播时间与复合材料板中的传播时间之和。然而，实际检测的实验条件与无应力参考信号获得的实验条件无法保证完全一致。比如环境条件不同直接影响空气中声波的传播速度不同，造成在空气中的传播时间本身就产生一定的声时差。因此采用无应力下的参考信号作为基准获得声时差便会存在较大的误差，直接影响测量结果。本发明利用Lamb波的双频差分声时比作为应力表征的新参量，消去了现有技术中应力系数表达式引入的复合材料板中超声波传播距离L，且无需通过无应力下的参考信号获得声时差，从而避免了空耦超声应力检测时由于复合材料板中超声波传播距离L无法准确获得以及实验条件不一致等因素而引入的误差，提高了应力定量表征的准确度。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法，选取A0模态作为Lamb波的检测模态，根据Lamb波频散曲线与Snell定律确定空耦超声换能器的中心频率为f和倾角为α；根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个合适激励频率f1和f2；在复合材料板的一侧，按照要求放置空耦超声换能器，并设置激励与接收超声空耦超声换能器之间的声波传播距离为一合适值；为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期为N，并采用信号发生器连接功率放大器分别产生频率为f1和f2的激励信号，经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，施加在激励空耦超声换能器上；在接收位置用接收空耦超声换能器接收回波，并通过前置放大器以及抗混叠滤波器对回波进行放大与滤波处理，由高速采集板卡采集并上传至上位机；
所述方法具体为：
步骤1、设置检测方向与纤维坐标系方向的夹角为ω，通过拉伸试验，在0-100MPa范围内以10MPa为间隔施加拉力，获得11组接收回波信号，为消除偶然误差，同一应力下重复10次实验；分别获得激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L)和T(f2,σ,L)；
步骤2、随后，移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL；再次获得此时激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L’)和T(f2,σ,L’)，获得双频差分声时比R(f1,f2)＝[(T(f1,σ,L’)-T(f1,σ,L)]/[(T(f2,σ,L’)-T(f2,σ,L)]；取同一应力下的10次结果的平均值作为该应力下的双频差分声时比R，通过最小二乘法获得双频差分声时比R和应力σ的曲线线性拟合关系式R(f1,f2)＝Kσ+B；
步骤3、实现未知应力检测时，按照上述步骤获得分别激励频率为f1和f2的双频差分声时比R(f1,f2)，代入标定获得的关系式R(ω)＝K(ω)σ+B(ω)实现碳纤维复合材料板的高准确度应力检测；
步骤4、重复步骤1-步骤3，测得0°方向、45°方向以及90°方向的三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)；
步骤5、结合莫尔圆应力理论，获得检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ。
进一步地，根据各向异性介质的声弹性效应可知，Lamb波的相速度变化与应力存在近似线性关系，故假设Lamb波的相速度公式为：
Cp(f,σ)＝k(f)σ+Cp0(f) (1)
式中，Cp(f,σ)为频率为f的Lamb波在应力为σ的各向异性介质中的相速度，k(f)为激励信号频率为f的相速度相对于应力变化的灵敏度，Cp0(f)为频率为f的Lamb波在无应力的各向异性介质中的相速度。
进一步地，声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL后，声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
从公式(3)和(2)作差，获得步进距离段的传播时间：
从公式(4)可以看出，通过步进差分处理消除了空气部分传播时间的引入，从而避免了由于实验条件不一致引起空气中传播速度的变化造成的误差。
进一步地，根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个激励频率f1和f2；分别获得两个频率下的步进距离传播时间：
公式(5)和公式(6)作比，获得双频差分声时比R：
由于K(f1)和Cp(f1,0)的数量级相差109以上，故等式(7)可以进一步简化为：
R(f1,f2)＝[(a-b)c]σ+b＝Kσ+B (8)
式中，
进一步地，根据莫尔圆应力理论可知，任意方向的应力σ与主应力σ1和σ2满足：
式中，ω为检测方向与纤维坐标系的夹角，θ为主应力方向与纤维坐标系的夹角；
分别选取ω为0°、45°以及90°，以应力检测点为中心，获得三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)，代入公式(10)得到：
联立即可获得应力检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ：
式中，
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用A0模态Lamb波下双频差分声时比来代替现有技术中的声时差来实现应力的表征，消除了应力系数表达式中的复合材料板中超声波传播距离L值，且无需通过无应力下的参考信号获得声时差，避免了复合材料板中超声波传播距离L无法准确获得以及实验条件不一致等因素而引入的误差，可以大大提高复合材料板空耦超声应力表征的准确度。
附图说明
图1是双频差分声时比复合材料空耦超声应力检测系统示意图。
图2是双频差分声时比复合材料空耦超声应力检测方法流程图。
图中件号：1—激励空耦超声换能器，2—接收空耦超声换能器，3—复合材料板。
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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法，选取A0模态作为Lamb波的检测模态，根据Lamb波频散曲线与Snell定律确定空耦超声换能器的中心频率为f和倾角为α；根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个合适激励频率f1和f2；在复合材料板的一侧，按照要求放置空耦超声换能器，并设置激励与接收超声空耦超声换能器之间的声波传播距离为一合适值(消除直达波的干扰)；为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期为N，并采用信号发生器连接功率放大器分别产生频率为f1和f2的激励信号，经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，施加在激励空耦超声换能器上；在接收位置用接收空耦超声换能器接收回波，并通过前置放大器以及抗混叠滤波器对回波进行放大与滤波处理，由高速采集板卡采集并上传至上位机；
所述方法具体为：
步骤1、设置检测方向与纤维坐标系方向的夹角为ω，通过拉伸试验，在0-100MPa范围内以10MPa为间隔施加拉力，获得11组接收回波信号，为消除偶然误差，同一应力下重复10次实验；分别获得激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L)和T(f2,σ,L)；
步骤2、随后，移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL；再次获得此时激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L’)和T(f2,σ,L’)，获得双频差分声时比R(f1,f2)＝[(T(f1,σ,L’)-T(f1,σ,L)]/[(T(f2,σ,L’)-T(f2,σ,L)]；取同一应力下的10次结果的平均值作为该应力下的双频差分声时比R，通过最小二乘法获得双频差分声时比R和应力σ的曲线线性拟合关系式R(f1,f2)＝Kσ+B；
步骤3、实现未知应力检测时，按照上述步骤获得分别激励频率为f1和f2的双频差分声时比R(f1,f2)，代入标定获得的关系式R(ω)＝K(ω)σ+B(ω)实现碳纤维复合材料板的高准确度应力检测；
步骤4、重复步骤1-步骤3，测得0°方向、45°方向以及90°方向的三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)；
步骤5、结合莫尔圆应力理论，获得检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ。
根据各向异性介质的声弹性效应可知，Lamb波的相速度变化与应力存在近似线性关系，故假设Lamb波的相速度公式为：
Cp(f,σ)＝k(f)σ+Cp0(f) (1)
式中，Cp(f,σ)为频率为f的Lamb波在应力为σ的各向异性介质中的相速度，k(f)为激励信号频率为f的相速度相对于应力变化的灵敏度，Cp0(f)为频率为f的Lamb波在无应力的各向异性介质中的相速度。
声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL后，声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
从公式(3)和(2)作差，获得步进距离段的传播时间：
从公式(4)可以看出，通过步进差分处理消除了空气部分传播时间的引入，从而避免了由于实验条件不一致引起空气中传播速度的变化造成的误差。
根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个激励频率f1和f2；分别获得两个频率下的步进距离传播时间：
公式(5)和公式(6)作比，获得双频差分声时比R：
由于K(f1)和Cp(f1,0)的数量级相差109以上，故等式(7)可以进一步简化为：
R(f1,f2)＝[(a-b)c]σ+b＝Kσ+B (8)
式中，
因此，在实际检测中，双频差分声时比R(f1,f2)与应力的关系曲线可以直接使用一次函数关系式进行拟合。通过拉伸试验确定关系式的相关系数K和B后，便可以通过检测单模态双频声时差比R(f1,f2)来实现任意方向应力的高准确度检测。
根据莫尔圆应力理论可知，任意方向的应力σ与主应力σ1和σ2满足：
式中，ω为检测方向与纤维坐标系的夹角，θ为主应力方向与纤维坐标系的夹角；
分别选取ω为0°、45°以及90°，以应力检测点为中心，获得三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)，代入公式(10)得到：
联立即可获得应力检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ：
式中，
结合附图2具体说明Lamb波单模双频差分声时比的复合材料空耦超声平面应力检测实施过程。
Lamb波具有对称模态和反对称模态以及频散特性，在相同的激励频率下可能激励出多阶对称模态(S0，S1，…，Si)与反对称模态(A0，A1，…，Ai)。为了让空耦超声换能器在复合材料板中激励出较为纯净的模态，根据Lamb波的频散曲线结合待检测件的厚度确定激励频率f。由于A0模态Lamb波的面外位移远大于S0模态Lamb波，为了实现复合材料板单侧原位检测，空耦超声换能器需要采用斜入射方式激励和接收A0模态Lamb波。当频厚积(频率×复合材料板厚度)确定之后，反对称模态A0的相速度也可知，继而根据Snell定律的第一临界折射角结合空气中的传播速度确定激励与接收空耦超声换能器的倾角α。在复合材料板试样的一侧，以倾角α放置空耦超声换能器，并设置好接收空耦超声换能器与激励空耦超声换能器之间的距离，避免直达波的干扰。采用单向应力进行拉伸试验，在0-100MPa范围内以10MPa为间隔施加拉力。为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期为N，并根据上述确定的空耦超声换能器中心频率f及其带宽，采用信号发生器连接功率放大器产生在空耦超声换能器带宽范围内的两个激励信号频率f1和f2，经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，施加在激励空耦超声换能器上，在接收位置用接收空耦超声换能器接收回波，并通过前置放大器和抗混叠滤波器进行放大和滤波，最后由高速数据采集板卡采集并上传至上位机。通过拉伸试验获得11组接收回波信号，为消除偶然误差，同一应力下重复10次实验。分别获得激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L)和T(f2,σ,L)。随后，移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL。再次获得此时激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L’)和T(f2,σ,L’)。根据公式(5)和(6)获得两个激励频率下的差分声时ΔΤ(f1,σ)和ΔΤ(f2,σ)。根据公式(7)得到10个双频差分声时比，取平均值作为该应力下的双频差分声时比R。采用最小二乘拟合法，获得双频差分声时比R和应力σ的曲线线性拟合关系式R(f1,f2)＝Kσ+B。实现ΔL段未知应力检测时，按照上述步骤获得分别激励频率为f1和f2的双频差分声时比R(f1,f2)，代入标定获得的关系式实现碳纤维复合材料板的高准确度应力检测。随后重复上述步骤，以ΔL段中点为圆心，测得ΔL段0°方向、45°方向以及90°方向的三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)。结合莫尔圆应力理论，获得ΔL段的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法，其特征在于：选取A0模态作为Lamb波的检测模态，根据Lamb波频散曲线与Snell定律确定空耦超声换能器的中心频率为f和倾角为α；根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个合适激励频率f1和f2；在复合材料板的一侧，按照要求放置空耦超声换能器，并设置激励与接收超声空耦超声换能器之间的声波传播距离为一合适值；为了保证声束具有足够能量，确定激励信号周期为N，并采用信号发生器连接功率放大器分别产生频率为f1和f2的激励信号，经过50欧姆负载进行阻抗匹配，并经过低通滤波器后，施加在激励空耦超声换能器上；在接收位置用接收空耦超声换能器接收回波，并通过前置放大器以及抗混叠滤波器对回波进行放大与滤波处理，由高速采集板卡采集并上传至上位机；
所述方法具体为：
步骤1、设置检测方向与纤维坐标系方向的夹角为ω，通过拉伸试验，在0-100MPa范围内以10MPa为间隔施加拉力，获得11组接收回波信号，为消除偶然误差，同一应力下重复10次实验；分别获得激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L)和T(f2,σ,L)；
步骤2、随后，移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL；再次获得此时激励频率为f1和f2的传播声时T(f1,σ,L’)和T(f2,σ,L’)，获得双频差分声时比R(f1,f2)＝[(T(f1,σ,L’)-T(f1,σ,L)]/[(T(f2,σ,L’)-T(f2,σ,L)]；取同一应力下的10次结果的平均值作为该应力下的双频差分声时比R，通过最小二乘法获得双频差分声时比R和应力σ的曲线线性拟合关系式R(f1,f2)＝Kσ+B；
步骤3、实现未知应力检测时，按照上述步骤获得分别激励频率为f1和f2的双频差分声时比R(f1,f2)，代入标定获得的关系式R(ω)＝K(ω)σ+B(ω)实现碳纤维复合材料板的高准确度应力检测；
步骤4、重复步骤1-步骤3，测得0°方向、45°方向以及90°方向的三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)；
步骤5、结合莫尔圆应力理论，获得检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据各向异性介质的声弹性效应可知，Lamb波的相速度变化与应力存在近似线性关系，故假设Lamb波的相速度公式为：
Cp(f,σ)＝k(f)σ+Cp0(f) (1)
式中，Cp(f,σ)为频率为f的Lamb波在应力为σ的各向异性介质中的相速度，k(f)为激励信号频率为f的相速度相对于应力变化的灵敏度，Cp0(f)为频率为f的Lamb波在无应力的各向异性介质中的相速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
移动接收空耦超声换能器使两空耦超声换能器之间的距离增加ΔL后，声波从激励空耦超声换能器激励到复合材料板最后由接收空耦超声换能器接收的整个传播时间为：
从公式(3)和(2)作差，获得步进距离段的传播时间：
从公式(4)可以看出，通过步进差分处理消除了空气部分传播时间的引入，从而避免了由于实验条件不一致引起空气中传播速度的变化造成的误差。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：根据空耦超声换能器的带宽，在带宽内确定两个激励频率f1和f2；分别获得两个频率下的步进距离传播时间：
公式(5)和公式(6)作比，获得双频差分声时比R：
由于K(f1)和Cp(f1,0)的数量级相差109以上，故等式(7)可以进一步简化为：
R(f1,f2)＝[(a-b)c]σ+b＝Kσ+B (8)
式中，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根据莫尔圆应力理论可知，任意方向的应力σ与主应力σ1和σ2满足：
式中，ω为检测方向与纤维坐标系的夹角，θ为主应力方向与纤维坐标系的夹角；
分别选取ω为0°、45°以及90°，以应力检测点为中心，获得三个不同方向的应力值σ(0°)、σ(45°)以及σ(90°)，代入公式(10)得到：
联立即可获得应力检测点的平面应力信息，主应力σ1、σ2以及主应力方向与纤维坐标系的夹角θ：
式中，
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310431847.4A CN116448295B (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310431847.4A CN116448295B (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116448295A CN116448295A (zh) | 2023-07-18 |
| CN116448295B true CN116448295B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=87128436
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310431847.4A Active CN116448295B (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116448295B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110108402A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-09 | 北京工业大学 | 一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法 |
| CN111537604A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-08-14 | 北京工业大学 | 基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法 |
| CN114061805A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-02-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法、系统及装置 |
| CN114459649A (zh) * | 2022-01-19 | 2022-05-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于压电换能器阵列的无基线数据平面应力场在线监测方法、系统、设备和介质 |
| CN114964580A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-08-30 | 国营芜湖机械厂 | 一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质 |
| CN114994175A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-02 | 国营芜湖机械厂 | 模态分解双谱分析的空耦超声应力检测装置及方法 |
| CN115144112A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-10-04 | 武汉中科创新技术股份有限公司 | 一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质 |
| CN115683369A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-02-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法 |
-
2023
- 2023-04-21 CN CN202310431847.4A patent/CN116448295B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110108402A (zh) * | 2019-05-20 | 2019-08-09 | 北京工业大学 | 一种用于金属薄板中应力分布测量的非线性Lamb波混频方法 |
| CN111537604A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-08-14 | 北京工业大学 | 基于水膜耦合导波检测的复合材料板自动化检测成像方法 |
| CN114061805A (zh) * | 2021-10-27 | 2022-02-18 | 哈尔滨工业大学 | 一种用于纤维增强复合材料的空气耦合Lamb波非线性超声应力检测方法、系统及装置 |
| CN114459649A (zh) * | 2022-01-19 | 2022-05-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于压电换能器阵列的无基线数据平面应力场在线监测方法、系统、设备和介质 |
| CN114964580A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-08-30 | 国营芜湖机械厂 | 一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质 |
| CN114994175A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-09-02 | 国营芜湖机械厂 | 模态分解双谱分析的空耦超声应力检测装置及方法 |
| CN115144112A (zh) * | 2022-06-23 | 2022-10-04 | 武汉中科创新技术股份有限公司 | 一种残余应力检测方法、装置、电子设备及存储介质 |
| CN115683369A (zh) * | 2022-10-12 | 2023-02-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于超声法的基桩检测与信号处理研究;戴松仁;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20220515;全文 * |
| 复合材料板的空耦超声Lamb波原位应力测量方法;王丙泉等;《仪器仪表学报》;20230831;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116448295A (zh) | 2023-07-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112903820B (zh) | 基于单角度楔块的临界折射纵波多材料检测系统及其声速测量方法 | |
| Degertakin et al. | Lamb wave excitation by Hertzian contacts with applications in NDE | |
| CN114235241B (zh) | 基于莫尔圆应力原理的非线性超声应力检测方法及装置、复合材料平面应力检测方法 | |
| CN111442869A (zh) | 一种螺栓轴向应力的非线性超声检测方法 | |
| CN105424810A (zh) | 纤维增韧陶瓷基复合材料均匀性评价方法 | |
| CN115683369A (zh) | 一种基于Lamb波双模态声时比的复合材料空耦超声平面应力检测方法 | |
| CN114459649B (zh) | 一种基于压电换能器阵列的无基线数据平面应力场在线监测方法、系统、设备和介质 | |
| CN109084917B (zh) | 一种超声检测结构永存应力的方法 | |
| US20230228718A1 (en) | Non-baseline On-line Stress Monitoring System and Monitoring Method Based on Multi-mode Lamb Wave Data Fusion | |
| CN114994175A (zh) | 模态分解双谱分析的空耦超声应力检测装置及方法 | |
| CN114964580A (zh) | 一种基于空气耦合Lamb波的正交各向异性复合材料平面应力检测方法及可读存储介质 | |
| Papadakis | Absolute measurements of ultrasonic attenuation using damped nondestructive testing transducers | |
| CN116448295B (zh) | 一种基于Lamb波单模双频差分声时比的无基线空耦超声平面应力检测方法 | |
| CN106680375B (zh) | 用于确定材料的弹性模量的空气耦合超声检测方法 | |
| CN115753991B (zh) | 一种空耦超声高空间分辨率应力场测量装置的使用方法 | |
| CN115615591B (zh) | 基于多晶元空气耦合换能器的平面应力超声测量方法 | |
| Lobkis et al. | In-plane elastic property characterization in composite plates | |
| CN115494160B (zh) | 一种相控阵空气耦合换能器及其平面应力超声测量方法和装置 | |
| CN208902317U (zh) | 一种轴类零件表面残余应力检测装置 | |
| CN108918668B (zh) | 基于公共外切圆的复合材料椭圆损伤定位检测方法 | |
| KR100844173B1 (ko) | 과실의 물성 측정을 위한 초음파 탐촉자 | |
| CN111504586B (zh) | 一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法 | |
| CN111189914B (zh) | 一种用于复合材料超声检测的渐变厚度系数的确定方法 | |
| CN114061804A (zh) | 一种基于共线混频技术的空气耦合超声应力检测系统及其检测方法 | |
| CN112946077A (zh) | 碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测系统及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |