CN117723631A - 不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统及方法。多模态超声装置激发出超声掠面纵波和表面波；在样品表面裂纹的另一侧利用探测装置探测透射掠面纵波，模式转换波和透射表面波；旋转台旋转样品实现超声波以不同入射角度透射裂纹，并采集超声透射信号；对超声透射信号进行去噪处理得到透射超声信号幅值图，通过分析同一裂纹位置、不同入射角度的透射超声信号幅值变化曲线特征，获得在受到不同方向作用力时裂纹壁的接触程度信息；对比不同裂纹位置处获得的透射信号幅值变化，得到不同方向作用力对材料表面不同开合程度的裂纹壁接触效果的影响。本发明可有效地探测在受到不同方向作用力时表面裂纹壁的接触程度。
Description
技术领域
本发明属于材料无损检测技术领域，特别是一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统及方法。
背景技术
裂纹检测是无损检测的一个重要方面，超声裂纹检测技术是裂纹检测方向的热点之一。声波在材料中传播时会受到材料的密度、弹性模量等因素的影响。当声波遇到材料表面的微裂纹时，其传播特性会发生变化，微裂纹通常会导致声波的散射和吸收，从而产生与无裂纹区域不同的声学响应。
微裂纹对声波的相互作用主要是通过弹性波的散射和能量的耗散来实现的。当声波通过微裂纹时，裂纹的存在会导致声波的散射，使得部分声能沿不同的路径传播或返回到源点。此外，微裂纹还会引起声波的能量耗散，由于裂纹周围的应力集中效应，声波在微裂纹附近会发生局部能量耗散，导致声波振幅的衰减，这种能量耗散可以通过检测声波的幅度衰减来间接反映微裂纹的存在和性质。
材料表面裂纹在受到剪切方向力时，会产生一系列变形效应。当裂纹受到的剪切方向力不超过材料的剪切强度时，裂纹可能会沿着剪切方向部分或全部关闭，这种闭合可以阻止裂纹的进一步扩展，但裂纹仍然存在。
对于含有晶粒和晶粒间接触的材料表面裂纹，剪切方向载荷在许多物理应用上是比法向应力加载更敏感的材料评估方法，裂纹受到的水平剪切声载荷对裂纹状态非常敏感，因为它在很大程度上受来自裂纹相对面的表面突起之间的接触控制。
在进行激光超声裂纹检测时，裂纹在载荷调制下的运动是整个检测技术的核心，而这一裂纹被调制产生闭合-张开动作的过程具有内在不稳定性，进一步细致分析裂纹壁的结构接触在裂纹闭合中的改变，对于解释裂纹引起的声学现象具有重要意义。材料中存在的接触是导致接触声学非线性的原因，这种非线性出现在裂纹的法向和切向(相对于裂纹面)载荷中。法向接触是由于激光产生的声波垂直入射在裂纹面使裂纹两界面产生拍打现象，切向接触是由于声波以一定的倾斜角度入射到裂纹面上从而导致两裂纹壁的粘连和滑动。在正常应变期间，开放和闭合的裂缝弹性反应是不同的，一直以来人们主要研究法向接触导致的拍手现象，对切向加载会产生的摩擦和相关滞后效应了解甚少。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测方法。本发明采用加载剪切方向力的原理，即通过施加横向动态载荷，使得裂纹面间的突起产生相对接触，从而改变了裂纹壁的接触状态，从而实现对裂纹是否存在的检测和受到不同方向作用力时两裂纹壁接触情况的检测。本发明将法向接触和切向接触整合起来，从多尺度定性检测材料表面裂纹壁的接触情况。
本发明通过对材料表面裂纹施加剪切方向力，可以模拟材料在现实应用中可能承受的力加载情况，剪切试验可以用于评估材料的断裂韧性。通过控制剪切方向作用力和垂直方向作用力，并观察过程中各模态透射信号的变化可以评估在受到不同方向作用力时裂纹壁的接触情况。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测方法，所述方法包括：
步骤1，在样品的表面裂纹一侧激发超声掠面纵波和表面波在样品表面传播；所述样品放置在检测台上，所述检测台可旋转；
步骤2，所述超声掠面纵波和表面波传播至表面裂纹后形成透射声波信号，并传播至样品的表面裂纹的另一侧；所述透射声波信号包括透射掠面纵波、模式转换波或透射表面波；
步骤3，探测所述透射声波信号；
步骤4，判断模式转换波是否存在，若存在，表明样品表面确实存在裂纹，执行下一步，否则表明样品表面不存在裂纹，结束整个过程；
步骤5，通过检测台带动所述样品旋转，使所述超声掠面纵波和表面波以不同角度斜入射表面裂纹，入射角度从0°变化到180°，步长自定义设置，记录每个不同入射角度下透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值形成幅值曲线；
步骤6，通过透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值变化判定不同方向作用力对样品表面裂纹壁接触效果的影响，包括：
(1)所述透射掠面纵波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射掠面纵波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(2)所述透射表面波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射表面波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(3)所述模式转换波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述模式转换波的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向。
进一步地，所述方法还包括：
步骤2之后执行：调节检测台本身和样品，使得检测台在旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合。
进一步地，所述调节检测台本身和样品，还需使得激发点，裂纹中心点和探测点三点共线；所述激发点为在样品表面激发出所述超声掠面纵波和表面波的一个点；所述探测点为样品表面上探测所述透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的位置点。
进一步地，检测过程中所述激发点到裂纹中心点的距离与探测点到裂纹中心点的距离相等。
进一步地，检测过程中所述裂纹中心点到样品边缘的最短垂直距离大于激发点或探测点到裂纹中心点的距离。
进一步地，调节检测台的位置时，分别选取裂纹中心点位于整条裂纹的起始端、中部和末端位置处进行三组测验。
另一方面，提供了一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统，所述系统包括声信号激发模块、声信号透射裂纹方向调节模块和透射声信号探测模块；
所述声信号激发模块，用于在样品表面裂纹一侧激发出声信号，即掠面纵波和表面波；
所述声信号透射裂纹方向调节模块，用于放置样品并调节掠面纵波和表面波透射过裂纹的方向；
所述透射声信号探测模块，用于在样品表面裂纹另一侧探测透射过裂纹的声信号，包括透射掠面纵波、模式转换波、透射表面波。
进一步地，所述声信号激发模块包括沿光轴依次设置的激光器、第一反射镜和第一凸透镜；所述激光器发射出脉冲激光先经第一反射镜反射，之后再经第一凸透镜聚焦形成圆点光源辐照在固定于声信号透射裂纹方向调节模块上的样品表面裂纹一侧，产生超声掠面纵波和表面波，所述超声掠面纵波和表面波在样品表面传播。
进一步地，所述声信号透射裂纹方向调节模块包括样品、第一组平移台、旋转台、第二组平移台，所述第一组平移台和第二组平移台均包括两个位移方向互相垂直的平移台，旋转台上下分别放置第一组平移台和第二组平移台，调节两组平移台位置使得在旋转台旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合，且裂纹中心点、声信号激发点和透射声信号探测点三点共线。
进一步地，所述透射声信号探测模块包括沿光轴依次设置的激光器、1/4波长波片、第二反射镜、偏振分光棱镜、1/4波长波片、分束器、第二凸透镜和平衡探测接收器；所述激光器发射出连续激光，激光先经过1/4波长波片，后经过第二反射镜，反射光经偏振分光棱镜后经过1/4波长波片，再经过凸透镜聚焦，焦点位于样品表面裂纹另一侧的圆点上，探测光经过样品表面反射后再经过凸透镜、1/4波长波片、偏振分光棱镜返回到分束器，所述分束器将反射回来的探测光分成两束强度相等的光，两束光经第二凸透镜聚焦后分别辐照在平衡接收器的两端口，焦点分别落在平衡接收器的两个光敏面上，外部计算机采集平衡接收器的信息进行后续分析处理，实现不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测分析
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明实现了通过控制旋转台旋转角度来改变超声信号不同的入射方向，从而改变两裂纹面受到的剪切力和法向力大小。利用旋转台来改变超声信号的入射方向，不需要对被测材料进行额外的处理或制备，较为简便；其次，通过调整旋转角度，可以实现多个入射方向的检测，增加了信息的丰富性和可靠性；此外，通过分析多个角度下的检测结果，可以综合两裂纹壁的接触状态。
(2)本发明实现了对材料裂纹面剪切方向力的加载，并可以控制剪切力的大小。通过调节声波入射角度，可以改变声波在材料中传播的路径从而改变声波对裂纹面的作用力。当声波通过材料中的裂纹时，会受到裂纹面的阻挡和散射，造成声波的衰减，通过对不同入射角度下透射声波信号的变化进行分析和处理，可以获取裂纹壁的接触信息，包括接触状态，接触程度。
(3)本发明能够实现对裂纹面的非接触式检测，无需直接接触材料表面，避免了进一步损伤和破坏材料的风险。同时，通过控制声波的入射角度，可以灵活的调节剪切力的大小，以适应不同材料和裂纹的特性。
(4)本发明可以结合图像处理和信号处理技术，将声波透射信号转化为可视化的图像或数据，进一步分析和评估裂纹面的接触情况。这为材料性能评估、损伤分析以及结构安全性评估提供了重要依据。
(5)本发明通过检测透射掠面纵波，模式转换波和透射表面波信号的幅值变化可以定性判断裂纹壁在受到不同大小剪切力和法向力作用时的接触情况。
(6)本发明在样品裂纹的三个区域(裂纹起始处、裂纹中部、裂纹末端)上进行了试验探测，记录裂纹不同位置处探测到的透射超声信号，得到了不同裂纹张开程度下透射超声信号幅值随声波不同入射角度变化的时域信号图，保证了数据的真实可靠性。
(7)本发明可使用激光源或空气耦合超声换能器等非接触式超声激发、探测装置，可以用于加工过程中的在位检测，无需将工件取下检测，提高了加工效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测方法的示意图。
图2为一个实施例中不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统的示意图。
图3为一个实施例中样品表面探测区域(区域1、区域2、区域3)位置的示意图。
图4为一个实施例中在裂纹区域1处基于TOFD法得到的时域波形图。
图5为一个实施例中在裂纹区域2处基于TOFD法得到的时域波形图；
图6为一个实施例中在裂纹区域3处基于TOFD法得到的时域波形图。
图7为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的透射掠面纵波幅值随入射角度变化图。
图8为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的透射掠面纵波到达时间随入射角度变化图。
图9为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的模式转换波幅值随入射角度变化图。
图10为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的模式转换波到达时间随入射角度变化图。
图11为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的透射表面波幅值随入射角度变化图。
图12为一个实施例中在三个裂纹区域处探测到的透射表面波到达时间随入射角度变化图。
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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，提供了一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测方法，通过在材料表面与裂纹呈不同角度的方向激发声波信号并检测其透射信号幅值变化特征，可以有效地探测在受到不同方向作用力时表面裂纹壁的接触程度。结合图1，所述方法包括：
步骤1，在样品的表面裂纹一侧激发超声掠面纵波和表面波在样品表面传播；所述样品放置在检测台上，所述检测台可旋转；
这里，在材料表面激发声脉冲信号，可以使用换能器或其他超声激发源。
步骤2，所述超声掠面纵波和表面波传播至表面裂纹后形成透射声波信号，并传播至样品的表面裂纹的另一侧；所述透射声波信号包括透射掠面纵波、模式转换波或透射表面波；
步骤3，探测所述透射声波信号；
步骤4，判断模式转换波是否存在，若存在，表明样品表面确实存在裂纹，执行下一步，否则表明样品表面不存在裂纹，结束整个过程；
步骤5，通过检测台带动所述样品旋转，使所述超声掠面纵波和表面波以不同角度斜入射表面裂纹，入射角度从0°变化到180°，步长自定义设置，记录每个不同入射角度下透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值形成幅值曲线；
步骤6，通过透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值变化判定不同方向作用力对样品表面裂纹壁接触效果的影响，包括：
(1)所述透射掠面纵波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射掠面纵波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(2)所述透射表面波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射表面波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(3)所述模式转换波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述模式转换波的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向。
一般来说，裂纹壁之间的接触可以在垂直方向和剪切方向上发生，本发明提出一种方法将这两个方向的裂纹壁接触整合起来，实现不同方向作用力作用在裂纹上时对裂纹壁接触程度影响的定性检测。
这里，本发明中，超声波在材料表面从源点向远处传播，当超声传播路径上存在缺陷时，声波与表面缺陷作用后会在缺陷影响区范围内导致透射超声信号幅值发生变化，当旋转台控制声波入射角度发生变化时，裂纹面受到的剪切方向力和垂直方向力发生变化，两裂纹接触壁结构发生变化，通过透射超声信号在0°到180°之间的幅值变化可以判断出两裂纹壁在受到超声波不同方向作用力时纵向粘结和横向滑动粘连情况。
超声波在材料表面从源点向远处传播，当超声传播路径上存在缺陷时，声波与表面缺陷作用后会在缺陷影响区范围内导致透射声波幅值发生变化，而在无缺陷位置处的超声波不存在模式转换信号和透射信号，超声信号幅值不发生变化。
根据透射掠面纵波、模式转换波、透射表面波的幅值变化来判断表面是否存在裂纹及存在裂纹时两裂纹壁的接触状态；根据透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值变化来判断材料表面是否存在裂纹以及存在裂纹时两裂纹面的接触状态，是一种常用的非破坏性检测方法。在该检测系统和方法中，透射掠面纵波是一种在材料表面传播的声波，对材料表面缺陷有较强的敏感性，当存在裂纹时，透射掠面纵波的传播路径会发生改变，声波能量损失，从而使得透射掠面纵波信号的幅值发生变化。
模式转换波是一种重要的超声模式，它可以通过材料厚度和泊松比等参数的变化引起不同模式的转换，从而提供了对裂纹的敏感性。当裂纹存在时，模式转换波会发生传播路径的改变，导致声波的转换现象，进而影响到声波的幅值变化。
通过监测透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值变化，可以判断样品表面是否存在裂纹，并能够进一步评估受到不同方向作用力时两裂纹壁的接触状态。这种基于波的非破坏性检测设备及方法具有许多优点，如高灵敏度、快速检测速度、全面覆盖样品表面等。因此，在材料科学、工程领域以及结构健康监测等应用中得到广泛应用。
进一步地，在其中一个实施例中，所述方法还包括：
步骤2之后执行：调节检测台本身和样品，使得检测台在旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合。
进一步地，在其中一个实施例中，所述调节检测台本身和样品，还需使得激发点，裂纹中心点和探测点三点共线；所述激发点为在样品表面激发出所述超声掠面纵波和表面波的一个点；所述探测点为样品表面上探测所述透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的位置点。
进一步地，在其中一个实施例中，检测过程中所述激发点到裂纹中心点的距离与探测点到裂纹中心点的距离相等。
进一步地，在其中一个实施例中，检测过程中所述裂纹中心点到样品边缘的最短垂直距离大于激发点或探测点到裂纹中心点的距离。
进一步地，在其中一个实施例中，调节检测台的位置时，分别选取裂纹中心点位于整条裂纹的起始端、中部和末端位置处进行三组测验，在调节平移台过程中，只选取不同的裂纹中心点，不改变激发光和探测光位置，同时保证平衡接收器接收光通量不发生变化。
在一个实施例中，结合图2，提供了一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统，所述系统包括声信号激发模块、声信号透射裂纹方向调节模块和透射声信号探测模块；
所述声信号激发模块，用于在样品表面裂纹一侧激发出声信号，即掠面纵波和表面波；
所述声信号透射裂纹方向调节模块，用于放置样品并调节掠面纵波和表面波透射过裂纹的方向；
所述透射声信号探测模块，用于在样品表面裂纹另一侧探测透射过裂纹的声信号，包括透射掠面纵波、模式转换波、透射表面波。
进一步地，在其中一个实施例中，所述声信号激发模块包括沿光轴依次设置的激光器1、第一反射镜2和第一凸透镜3；所述激光器1发射出脉冲激光先经第一反射镜2反射，之后再经第一凸透镜3聚焦形成圆点光源辐照在固定于声信号透射裂纹方向调节模块上的样品表面裂纹8一侧，产生超声掠面纵波和表面波，所述超声掠面纵波和表面波在样品表面传播。
这里优选地，所述圆点光源的光斑面积约为3.5e-8m2。
进一步优选地，所述第一反射镜2采用带有转动装置的反射镜。
进一步地，在其中一个实施例中，所述声信号透射裂纹方向调节模块包括样品7、第一组平移台5、旋转台6、第二组平移台9，所述第一组平移台5和第二组平移台9均包括两个位移方向互相垂直的平移台，旋转台6上下分别放置第一组平移台5和第二组平移台9，调节两组平移台位置使得在旋转台旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合，且裂纹中心点、声信号激发点和透射声信号探测点三点共线。
进一步地，在其中一个实施例中，所述透射声信号探测模块包括沿光轴依次设置的激光器10、1/4波长波片12、第二反射镜15、偏振分光棱镜14、1/4波长波片13、分束器16、第二凸透镜17和平衡探测接收器18；所述激光器10发射出连续激光，激光先经过1/4波长波片12，后经过第二反射镜15，反射光经偏振分光棱镜14后经过1/4波长波片13，再经过凸透镜3聚焦，焦点位于样品表面裂纹另一侧的圆点上，探测光经过样品7表面反射后再经过凸透镜3、1/4波长波片13、偏振分光棱镜14返回到分束器16，所述分束器16将反射回来的探测光分成两束强度相等的光，两束光经第二凸透镜17聚焦后分别辐照在平衡接收器18的两端口，焦点分别落在平衡接收器的两个光敏面上，检测到的信号由前置放大器放大后输入数字示波器。
这里，所述圆点的光斑面积约为7.85e-9m2。
这里，探测装置采用半波片和偏振分光棱镜的组合，可对探测激光的能量进行连续衰减调节，使位于探测光的强度达到平衡探测器的线性工作范围。
这里，探测装置采用探测光垂直入射的方式使得探测光聚焦在样品表面的光斑直径更小，因此检测到的信号带宽更宽。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
本实施例用于检测黑玻璃样品表面裂纹壁的接触情况。被测样品表面裂纹长度约为36mm。
基于差分光偏转检测超声信号的实验系统如图2所示。激光器(激发激光器：CryLaS DSS1064-450,CryLaS公司，德国)为输出波长为1064nm的脉冲激光，最大单脉冲能量为650μJ，重复频率为200Hz，脉宽为1.5ns，经过一个反射镜和凸透镜聚焦在样品表面，圆形光斑直径约为210μm，激发出超声波并沿样品表面向远处传播。探测光为探测激光器(638-100，Omicron Laserage公司，德国)输出的波长为638nm的连续激光，先经过一个半波片和偏振分光棱镜，再经过一个四分之一的波片，最后被透镜聚焦于样品表面，圆形光斑直径约为110μm。
圆形光源直径D的范围为100μm≤D≤200μm时检测效果较好，当D≤100μm时，圆形光源的光功率密度较大，容易对样品表面产生损伤，并且小直径圆形光源激发出的超声波具有一定的发散角，超声波能量不集中，不利于扫描检测；而当D≥200μm时，直径增大激光的光功率密度减小，激发的超声波幅值降低，且探测激光的精确对心困难，不利于检测空间分辨率的提高。
系统采用差分式光偏转法探测，由两个带有微小夹角的反射镜将探测光分成两束，聚焦后由平衡接收器(NEW FOCUS1607，NEW FOCUS公司，美国)接收。若样品表面受到声扰动，且入射到表面的探测光斑比要检测的最短声波波长小得多时，传播到探测区的声扰动会使探测区表面倾斜，使得从样品反射的探测光方向发生偏转，从而导致平衡接收器接收到的两束探测光的光通量发生变化。平衡接收器将两束探测光光通量的差值信号转化为超声信号，并将信号接入示波器(RIGOLDS4024，RIGOL公司，中国苏州)读取数据。利用差分光偏转法检测超声信号，一方面可使有用的信号加倍，另一方面也使得光电传感器对模间拍频或激光电源波动等带来的探测光的波动不敏感。
实验中使用了一个带有转动装置的反射镜，用于将激发光反射至样品表面(和探测光共聚焦于样品表面)，通过转动反射镜可以改变样品上激发光和探测光间的距离。样品采用的是厚度为2.56mm的黑玻璃，采用热冲击方法在黑玻璃上获得裂纹(裂纹贯穿样品上下表面，平均开口宽度为百纳米量级)，裂纹生长方向与样品宽度方向基本一致总长约36mm。
样品被固定在平移台上，可以控制样品在水平方向上前后左右移动。放置样品的平移台固定在一电动旋转台上，电动旋转台在旋转的过程中改变了声波的入射角度，电动旋转台固定在另一平移台上，在实验前调整最下面平移台与放置样品平移台之间的相对位置以保证旋转台在旋转过程中声波经过的裂纹中心点保持不变。
利用时间飞行散射(TOFD)法在样品表面进行扫描，以分辨在样品中激发出的多模态超声信号。分别在裂纹的三个区域获取了激发点和探测点位于裂纹异侧时的时域波形。图中已标出各超声信号模式，其中“tL”、“tL-R”和”tR”分别表示透射掠面纵波、由表面波模式转换并透射的纵波以及透射表面波。图4展示了激发点和探测点位于裂纹异侧时，声波在表面裂纹处的透射示意图。在该图中，“tL”代表透射纵波，即从激发点出发经过裂纹透射传播到探测点的纵波。纵波的一部分能量沿裂纹壁传播到裂纹尖端，并在裂纹尖端处发生透射，随后沿裂纹壁传播到探测点。“tL-R”表示由表面波模式转换并透射的纵波。即从激发点出发的表面波在裂纹处发生模式转换，并透射传播到探测点的纵波。表面波的一部分能量沿裂纹壁传播到裂纹尖端，并在裂纹尖端处发生模式转换并透射，之后沿裂纹壁传播到探测点。最后，“tR”代表透射表面波，即从激发点出发经过裂纹透射传播到裂纹尖端，并在裂纹尖端处发生透射，随后沿裂纹壁传播到探测点。
在使用TOFD法分辨出实验所需的超声模态后，研究声波从不同入射角度通过同一裂纹点时裂纹的变化。固定激发点，探测点和裂纹中心点位置，旋转台运行过程中保证声波通过的裂纹中心点保持不变。如图3所示，为样品表面探测区域(区域1、区域2、区域3)位置的示意图。首先在裂纹区域1(距离开裂点h≈3mm处)，将激发光，裂纹中心点和探测点三者调至同一直线，在确定激发点，裂纹中心点和探测点位置后，开始控制旋转台使得实验探测各模态声波以不同入射角度通过裂纹同一中心点位置时裂纹状态的变化。实验通过控制旋转台旋转步长多次读取数据，实现对tL,tL-R,tR信号幅值和到达时间的采集，对裂纹的区域2(距离开裂点h≈17mm)和区域3(距离开裂点h≈34mm)进行相同步骤的数据采集，采集结果如图4至图6所示。
由图8、图10、图12可以得到透射掠面纵波、模式转换波、透射表面波的到达时间均保持稳定，证明了实验数据的可靠性，验证了实验平台的稳定性。
由图7、图9、图11可以得到对比透射表面波和模式转换波，透射掠面纵波对裂纹壁的接触程度更敏感。
由图7、图9、图11可以得到在掠面纵波、表面波以90°角垂直入射裂纹时，即裂纹只受到垂直方向作用力时，模式转换波存在证明了此时样品表面存在裂纹。透射掠面纵波峰峰幅值较大，但透射表面波幅值较小，模式转换波幅值较大，证明入射角为90°时，对此裂纹表面波透过率较差，掠面纵波透过率较好。此时裂纹存在两裂纹壁接触程度差于掠面纵波、表面波以0°和180°角入射时两裂纹壁的接触程度但比其他入射角度下裂纹壁的接触程度好。
由图7、图9、图11可以得到在掠面纵波、表面波以0°角和180°角平行入射裂纹时，即裂纹只受到水平方向作用力时，模式转换波存在证明了此时样品表面存在裂纹，透射掠面纵波、透射表面波峰峰幅值较大，模式转换波幅值较小，证明对此裂纹掠面纵波和表面波透过率较高，裂纹存在但两裂纹壁连接较为紧密。
由图7、图9、图11可以得到在掠面纵波、表面波入射裂纹角度从0°逐渐增大到90°过程中，模式转换波幅值逐渐增大，透射表面波幅值逐渐减小，证明两裂纹壁接触程度越来越差，掠面纵波和表面波的透过率越来越低。
由图7、图9、图11可以得到在掠面纵波、表面波入射角度从90°逐渐增大到180°过程中，模式转换波幅值逐渐减小，透射表面波幅值逐渐增大，说明裂纹的两壁接触程度越来越好，表面波的透过率越来越低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，在样品的表面裂纹一侧激发超声掠面纵波和表面波在样品表面传播；所述样品放置在检测台上，所述检测台可旋转；
步骤2，所述超声掠面纵波和表面波传播至表面裂纹后形成透射声波信号，并传播至样品的表面裂纹的另一侧；所述透射声波信号包括透射掠面纵波、模式转换波或透射表面波；
步骤3，探测所述透射声波信号；
步骤4，判断模式转换波是否存在，若存在，表明样品表面确实存在裂纹，执行下一步，否则表明样品表面不存在裂纹，结束整个过程；
步骤5，通过检测台带动所述样品旋转，使所述超声掠面纵波和表面波以不同角度斜入射表面裂纹，入射角度从0°变化到180°，步长自定义设置，记录每个不同入射角度下透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值形成幅值曲线；
步骤6，通过透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的幅值变化判定不同方向作用力对样品表面裂纹壁接触效果的影响，包括：
(1)所述透射掠面纵波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射掠面纵波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(2)所述透射表面波幅值的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述透射表面波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向；
(3)所述模式转换波幅值的波谷对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最紧密的力的作用方向；所述模式转换波的波峰对应的入射角度，即对应着使得样品表面裂纹壁连接最弱的力的作用方向。
2.根据权利要求1所述的定性检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤2之后执行：调节检测台本身和样品，使得检测台在旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合。
3.根据权利要求2所述的定性检测方法，其特征在于，所述调节检测台本身和样品，还需使得激发点，裂纹中心点和探测点三点共线；所述激发点为在样品表面激发出所述超声掠面纵波和表面波的一个点；所述探测点为样品表面上探测所述透射掠面纵波、模式转换波和透射表面波的位置点。
4.根据权利要求3所述的定性检测方法，其特征在于，检测过程中所述激发点到裂纹中心点的距离与探测点到裂纹中心点的距离相等。
5.根据权利要求3所述的定性检测方法，其特征在于，检测过程中所述裂纹中心点到样品边缘的最短垂直距离大于激发点或探测点到裂纹中心点的距离。
6.根据权利要求1所述的定性检测方法，其特征在于，调节检测台的位置时，分别选取裂纹中心点位于整条裂纹的起始端、中部和末端位置处进行三组测验。
7.实现权利要求1至6任意一项所述方法的不同方向作用力对材料表面裂纹壁接触程度影响的定性检测系统，其特征在于，所述系统包括声信号激发模块、声信号透射裂纹方向调节模块和透射声信号探测模块；
所述声信号激发模块，用于在样品表面裂纹一侧激发出声信号，即掠面纵波和表面波；
所述声信号透射裂纹方向调节模块，用于放置样品并调节掠面纵波和表面波透射过裂纹的方向；
所述透射声信号探测模块，用于在样品表面裂纹另一侧探测透射过裂纹的声信号，包括透射掠面纵波、模式转换波、透射表面波。
8.根据权利要求7所述的定性检测系统，其特征在于，所述声信号激发模块包括沿光轴依次设置的激光器(1)、第一反射镜(2)和第一凸透镜(3)；所述激光器(1)发射出脉冲激光先经第一反射镜(2)反射，之后再经第一凸透镜(3)聚焦形成圆点光源辐照在固定于声信号透射裂纹方向调节模块上的样品表面裂纹一侧，产生超声掠面纵波和表面波，所述超声掠面纵波和表面波在样品表面传播。
9.根据权利要求8所述的定性检测系统，其特征在于，所述声信号透射裂纹方向调节模块包括样品(7)、第一组平移台(5)、旋转台(6)、第二组平移台(9)，所述第一组平移台(5)和第二组平移台(9)均包括两个位移方向互相垂直的平移台，旋转台(6)上下分别放置第一组平移台(5)和第二组平移台(9)，调节两组平移台位置使得在旋转台旋转过程中裂纹中心点与旋转台中心点在垂直方向上重合，且裂纹中心点、声信号激发点和透射声信号探测点三点共线。
10.根据权利要求9所述的定性检测系统，其特征在于，所述透射声信号探测模块包括沿光轴依次设置的激光器(10)、1/4波长波片(12)、第二反射镜(15)、偏振分光棱镜(14)、1/4波长波片(13)、分束器(16)、第二凸透镜(17)和平衡探测接收器(18)；所述激光器(10)发射出连续激光，激光先经过1/4波长波片(12)，后经过第二反射镜(15)，反射光经偏振分光棱镜(14)后经过1/4波长波片(13)，再经过凸透镜(3)聚焦，焦点位于样品表面裂纹另一侧的圆点上，探测光经过样品(7)表面反射后再经过凸透镜(3)、1/4波长波片(13)、偏振分光棱镜(14)返回到分束器(16)，所述分束器(16)将反射回来的探测光分成两束强度相等的光，两束光经第二凸透镜(17)聚焦后分别辐照在平衡接收器(18)的两端口，焦点分别落在平衡接收器的两个光敏面上，外部计算机采集平衡接收器的信息进行后续分析处理，检测到的信号由前置放大器放大后输入数字示波器。
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