專利名稱：基于雙譜分析的結構微裂紋混頻非線性超聲檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種結構微裂紋的超聲檢測方法，特別是基于雙譜分析的混頻效應非線性超聲檢測方法。該方法適用于由于金屬疲勞、變形、損傷產生微缺陷的早期診斷，屬于無損檢測領域。
背景技術：
金屬構件在制造、加工以及使用過程當中，不可避免地會在內部或表面形成微缺陷。在載荷、溫度變化以及腐蝕介質的作用下，微裂紋不斷擴展形成宏觀裂紋，并最終導致構件的疲勞失效。微裂紋已成為影響工業構件正常運行的重大隱患，因此，對構件中微裂紋的檢測具有重要的工程實用價值。
常規超聲檢測技術基于超聲波在缺陷處的反射、透射以及衰減現象，可以很好實現結構中體積型缺陷(如空洞)及開口裂紋等的檢測，但難以實現結構早期損傷及閉合微裂紋的檢測。研究發現，當超聲波在有損傷結構中傳播時，會表現出異常高的非線性。近年來， 非線性超聲技術因對常規超聲不敏感的結構早期疲勞損傷檢測具有特殊的優勢，而備受關注。根據檢測原理，非線性超聲檢測方法可分為諧波法、振動聲調制法、非線性諧振法和混頻法等。諧波法是目前研究中使用最多的方法，但檢測結果受檢測儀器及探頭本身非線性產生的諧波影響大；振動聲調制技術對界面接觸狀態及閉合裂紋檢測具有優勢，但該方法需額外向待檢測試件上施加低頻振動，檢測系統較復雜；而非線性諧振法對檢測系統及換能器頻帶要求較高。混頻技術(又稱波束混疊技術)基于兩列不同頻率的波在介質中交互作用特性，實現結構損傷檢測。如果介質是連續的，當兩列波相遇時，滿足線性疊加原理，不會產生新的頻率分量；如果介質有不連續性，即存在非線性區域，當兩列波在該區域相遇時， 將發生相互作用，產生兩列波的耦合項，在頻域中會觀察到新的頻率分量。
根據激勵波的方向，混頻技術包括非共線混頻技術和共線混頻技術兩類。 Croxford等利用斜探頭在試件兩端激勵斜入射剪切波，通過調整兩探頭的相對位置使兩列波在試件疲勞損傷處相遇，發生相互作用而產生垂直試件表面方向的縱波，從而實現試件中早期疲勞損傷的檢測，該方法僅對較厚試件中的內部缺陷具有較高的敏感性[CR0XF0RD A Jj WILCOX P Dj DRINKWATER B Wj et al. The use of non-conlinear mixing for nonlinear ultrasonic detection of plasticity and fatigue[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2009，126(5): 117-123]。Countney 利用共線混頻技術，對矩形截面梁中的人工裂紋缺陷進行檢測，將兩種頻率的連續正弦信號施加于粘貼在梁一端的激勵壓電片上，接收壓電片共線的粘貼在梁的另一端面[HILLIS A J, NEILD S Aj DRINKWATER B W，et al. Global crack detection using bispectral analysics[J]. Proceedings of the Royal Society Society A，2006，462: 1515-1530]。通過對接收信號的雙譜分析，實現試件有無裂紋缺陷的判識，但該種同側激勵模式下的混頻檢測無法避免實驗儀器非線性對實驗結果的影響且不能實現缺陷的定位。發明內容
本發明的目的在于提供一種針對結構微裂紋的超聲檢測方法，特別是基于混頻效應的非線性超聲檢測方法。該方法采用異側激勵混頻檢測模式，即兩種頻率簡諧信號分別施加在位于試件兩側的不同探頭上。其中一個探頭做為接收探頭，對接收信號進行雙譜分析，根據雙譜圖中是否產生混頻信號頻率成分，可以判斷兩列波相遇位置處是否有結構微裂紋。通過控制兩列波的激勵延時時間，可以使波在試件長度方向上各位置相遇，根據接收數據分析結果，可實現結構微裂紋的定位。
本發明提出基于混頻效應的結構微裂紋非線性超聲檢測方法，其基本原理在于
當結構存在損傷等非線性源時，其輸入輸出可簡化為以下二階非線性方程
y (t) = α X (t) + β X2 (t) +q (t)(I)
其中x(t)為輸入信號，y(t)為系統響應，α, β為常數，q(t)為噪聲，以下忽略。
若輸入信號包含兩種頻率的簡諧分量
X (t) =A1Sin (2 π f^t+Φ J+A2Sin (2 π f2t+Φ2)(2)
Φρ Φ2則分別為兩簡諧分量的幅值、頻率和相位。則對應的輸出為
權利要求
1.ー種基于雙譜分析的結構微裂紋混頻非線性超聲檢測方法，其特征在于檢測方法步驟如下 1)根據激勵探頭的頻率響應特性，選取幅值響應最大的一點頻率作為激勵探頭的激勵頻率；根據激勵/接收探頭的頻率響應特性在幅值衰減小于-3dB的頻率范圍內并綜合考慮接收系統特性，確定激勵/接收探頭的頻率變化范圍； 2)將兩探頭分別置于試件的兩端；同時激勵兩探頭，并用SNAP系統追蹤和頻和差頻信號; 3)根據和頻和差頻信號的追蹤結果，選取幅值最大的點作為激勵/接收探頭的頻率； 4)按照上述選定的頻率激勵激勵探頭和激勵/接收探頭，用示波器采集此時的激勵/接收探頭接收到的信號； 5)對該接收信號進行雙譜分析，根據分析結果中是否產生差頻和頻對應的非零特征點，即可判斷是否存在結構微裂紋； 6)保持選定的激勵信號頻率不變，通過設置不同的激勵信號延時，其中ー個激勵信號延時為固定值，另ー個激勵信號延時值變化，使兩列波在試件長度方向上依次相遇；用SNAP系統追蹤該過程時的和頻和差頻信號； 7)根據追蹤結果，當兩列波在微裂紋附近處相遇時，差頻和頻信號幅值最大，據此可判斷微裂紋所在位置。
全文摘要
基于雙譜分析的混頻效應非線性超聲檢測方法，屬于無損檢測領域。該方法首先通過掃頻實驗得到激勵探頭及激勵接收探頭的幅頻特性曲線，根據探頭的幅頻特性曲線確定探頭激勵頻率或范圍；然后進行異側激勵混頻模式實驗，追蹤差頻和頻信號，根據差頻和頻信號的幅頻響應特性確定激勵信號最優頻率；在最優頻率下的時域接收信號進行雙譜分析，根據雙譜圖中是否出現混頻分量判斷試件中是否存在結構微裂紋。通過改變激勵信號延時，對試件長度方向掃查并追蹤差頻和頻信號，根據差頻和頻信號的幅頻響應特性確定結構微裂紋位置。本發明采用兩探頭分別激勵信號，可避免實驗儀器非線性對實驗結果的影響；通過控制激勵信號的延時時間使兩信號相遇可識別裂紋位置。
文檔編號G01N29/12GK102980945SQ20121038472
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者焦敬品, 孫俊俊, 李楠, 劉增華, 宋國榮, 吳斌, 何存富 申請人:北京工業大學