[发明专利]一种轴类结构类表面波非接触式波速提取的方法

说明书

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种轴类柱面表面波非接触式波速提取的方法。

背景技术

轴类部件结构是一种广泛应用的结构件。在工作过程中，由于摩擦、磨粒及腐蚀等原因，极易使轴局部出现磨损，导致其工作精度下降和机器寿命缩短，因此，轴类部件表面力学性能直接影响着在役结构部件的工作性能。表面工程技术有助于提高和改善试件表面的力学性能，如：航空发动机轴颈、船舶尾轴、汽车曲轴及大型磨煤机、排风机等轴部件表面的抗磨损涂层和磨损尺寸的恢复涂层。采用超声显微技术通过检测块状或板状等平面类试件的表面波和纵波波速，进而测量试件力学性能的方法已被广泛应用，而柱面轴类部件由于其表面为柱面，表面波波速较之平面类试件检测难度增大，目前鲜见研究。但是，由于轴类试件的特殊作用，在工作过程中对表面力学性能要求较高，因此，研究轴类部件柱面表面波波速检测方法，具有重要的学术意义。本文针对轴类试件柱面表面波波速的测量方法进行了理论推导和实验研究。

发明内容

本发明的目的是为了解轴类柱面表面波波速宽频连续提取的问题，提出一种先进的柱面材料波速提取方法。

步骤1）：确立波速提取的公式。

采用线聚焦超声传感器，由于轴类的几何特性，决定了线聚焦探头检测时与探头的位置关系，如图1。平即探头聚焦线完全聚焦在轴的表面，可以充分利用圆柱形试件与探头几何形状上的关系进行测量。该平行检测方式可实现轴类试件柱面表面波波速测量，但表面波在柱面上传播与在平面上传播完全不同，需对同心圆检测方法测量原理重新进行推导。这里需要说明的是，由于水的负载效应，漏类表面波与类表面波的波速并不完全一致，但由于被测材料的密度远大于水的密度，两者之间的差异是可以忽略的。

线聚焦探头聚焦时，焦线与轴类试件柱面的轴线相重合，测量时，探头垂直向下步进散焦。根据Snell定理可确定产生表面波的入射角，即瑞利角。

sin(θR)=VWVs---(1)]]>

其中，θ_R是表面波的入射角，B_W为水中声波波速，V_S为被测试件的表面波波速。

根据瑞利角建立轴类柱形的同心圆检测方式线聚焦探头产生表面波的超声波传播方式，如图2所示。图中，为超声波发射角度，R为探头半径，r为被测试件半径，L_W为超声波在水中的传播距离，z为探头的散焦距离，L为聚焦点与试件轴心的距离。在该模型中，假设V_W、V_S已知，传播模型如图3所示。

由图3和Snell定理可得到：

即在超声探头发射的超声波中，可在试件产生表面波的超声波传播角度与散焦距离z间的对应关系。

由图3可分别推导出超声波在水中的传播距离L_W和表面波沿试件周向的传播距离L_R随变化的关系式（公式3、4），

根据线聚焦超声探头，超声波激励和接收信号间的传播路径长度和不同路径中的波速可计算出不同路径所需传播时间。线聚焦探头以上述可在试件表面产生表面波的发射角度发射超声波，经路径L_R传播后，被探头所接收，根据传播过程中，超声波在水中的波速和被测试件的表面波波速可计算出超声波从发射、转换为表面波、到接收回波信号的传播时间t₁，