[发明专利]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

说明书

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。

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