[发明专利]一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法

摘要

一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据相应公式计算非线性系数；通过改变探头的相对位置控制两斜入射声束在试件中不同空间位置的汇聚点，测得构件中不同位置的非线性响应，并对非线性响应信号进行时频分析提取出非线性系数，最后依据非线性系数的空间分布实现微裂纹长度的测量。通过移动探头进行空间不同位置损伤检测，可实现裂纹长度测量；根据时频分析提取出的非线性系数对损伤进行评价，检测结果在信号信噪比较低时更加可靠。

主权项

一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法，其特征在于：当结构中存在闭合裂纹时，应力σ与应变ε的非线性关系表示为：σ＝KNε+βε2   (1)其中KN为法向刚度，β为非线性系数；两列斜入射纵波在裂纹处相遇，其中θ1、θ2为入射角；定义两列纵波的振幅为a1、a2，其圆频率分别为ω1、ω2，传播的方向向量分别为：两列波引起质点振动的方向向量为：其中pij与dij为各向量的分量，在t时刻第一列波引起的位移在x1轴上分量为：u1＝d11a1cos[k1(x1p11+x2p12‑cLt)]   (4)第二列波引起的位移在x1轴上分量为u2＝d21a2cos[k2(x1p21+x2p22‑cLt)]    (5)其中波数k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL，cL为纵波声速；根据弹性力学中质点位移与应变的关系，两列波在裂纹处相遇时引起的应变为ϵ=∂u∂x1=∂u1∂x1-∂u2∂x1=-d12a1k1p12sin[k1(x1p11+x2p12-cLt)]+d22a2k2p22sin[k2(x2p21+x2p22-cLt)]---(6)]]>代入式(1)可得：σ=KN{-d11a1k1p11sin[k1(x1p11+x2p12-cLt)]+d21a2k2p21sin[k2(x1p21+x2p22-cLt)]}+βN{-d11a1k1p11sin[k1(x1p11+x2p12-cLt)]+d21a2k2p21sin[k2(x1p21+x2p22-cLt)]}2---(7)]]>将最后一项展开并忽略常数项得：-12AH1cos[2k1(x1p11+x2p12-cLt)]-12AH2cos[2k2(x1p21+x2p22-cLt)]]]>+ANcos[k1(x1p11+x2p12-cLt)-k2(x1p21+x2p22-cLt)]-ANcos[k1(x1p11+x2p12-cLt)+k2(x1p21+x2p22-cLt)]---(8)]]>其中各幅值AH1、AH2和AN的表达式为：AH1＝βd112a12k12p112AH2＝βd212a22k22p212AN＝βd11a1k1p11d21a2k2p21将k1＝ω1/cL、k2＝ω2/cL带入式(8)，得(7)式的最后一项为：-12AH1cos[2ω1cL(x1p11+x2p12)-2ω1t)]-12AH2cos[2ω2cL(x1p21+x2p22)-2ω2t]+ANcos[ω1cL(x1p11+x2p12)-ω2cL(x1p21+x2p22)-(ω1-ω2)t]-ANcos[ω1cL(x1p11+x2p12)+ω2cL(x1p21+x2p22)-(ω1+ω2)t]---(9)]]>可见两列激励信号与裂纹相互作用产生了原频率的二倍频2ω1、2ω2及和频ω1+ω2、差频ω1‑ω2新的频率成分；在实际检测中，只有当两列激励信号同时到达微损伤处与缺陷共同作用时才会产生混频非线性响应，接收到的混频信号是典型的瞬变信号，因此采用时频分析手段提取两激励信号相遇时刻接收信号中的基频幅值A1、A2及和频或差频的幅值A3，并根据下式计算非线性系数β：β=A3A1·A2---(10)]]>本方法采用的试验装置包括计算机(1)、SNAP系统(2)、示波器(3)、50Ω负载一(4)、50Ω负载二(5)、可调衰减器一(6)、可调衰减器二(7)、激励探头(8)、激励探头(9)、接收探头(10)和前置放大器(11)；具体而言，计算机(1)与SNAP系统(2)相连，控制产生激励信号，并采集接收信号；SNAP系统的输出通道I通过50Ω负载一(4)和可调衰减器一(6)与激励探头一(8)相连；SNAP系统的输出通道II通过50Ω负载二(5)和可调衰减器二(7)与激励探头二(9)相连；接收探头(10)通过前置放大器(11)与SNAP系统(2)的接收通道I相连；示波器(3)与SNAP系统(2)相连；该方法通过以下步骤实现，1)测量两个激励探头的频率响应特性，将带宽较窄者定为激励探头一，并选取幅值响应最大处的频率作为激励探头一的激励频率f1；根据激励探头二的频率响应特性，在幅值衰减小于‑3dB的频率范围内并综合接收直探头的频响特性，确定激励探头二的频率变化范围；2)连接各实验仪器，将两激励探头布置于试件的同侧；根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头的水平距离及激励信号的时延差，确保两探头发出的信号同时到达裂纹处；3)按照上一步骤中计算出的时延差依次激励两斜探头，采用SNAP系统追踪和频及差频信号；根据和频及差频信号的追踪结果，选取幅值最大的点作为激励探头二的频率f2；4)按照上述选定的频率和时延差依次激励两斜探头，用示波器采集此时接收探头10接收到的信号，导入计算机作为接收信号a；5)仅激励斜探头一，用示波器采集并保存接收探头的信号，而后仅激励斜探头二，再次采集接收信号，将两次采集到的信号导入计算机，叠加后作为接收信号b；6)以和频或差频为中心频率构造带通滤波器，对接收信号a、b进行滤波处理，观察接收信号a的时域是否出现新的波形，初步判断缺陷是否存在；7)对接收信号a、接收信号b进行时频分析，结合步骤7对比时频分析处理结果；若与接收信号b相比，接收信号a在时域出现新的波形，且在频域中的和频及差频处出现新的频率成分，判定试件中存在裂纹缺陷，反之则表明试件中没有裂纹；8)根据超声信号在试件中传播路径的几何关系，计算两探头激励信号的时延差，改变两激励探头的相对位置，使激励信号在沿裂纹延伸方向上的不同位置相遇；对来自不同位置的接收信号进行时频分析，提取基频f1、f2的幅值A1、A2以及和频f1+f2或差频f1‑f2的幅值A3，计算非线性系数；9)根据步骤8)的结果，选取一个非线性系数阈值对各位置是否存在裂纹进行判断；实际检测时可取各位置非线性系数最大值的0.707倍为阈值，当某一位置的非线性系数大于该阈值时，认为此处存在裂纹；反之，则认为此处没有裂纹；在一系列连续的存在裂纹的位置中，相距最远的两个位置之间的距离即可认为是裂纹长度。