[发明专利]基于双谱分析的结构微裂纹混频非线性超声检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构微裂纹的超声检测方法，特别是基于双谱分析的混频效应非线性超声检测方法。该方法适用于由于金属疲劳、变形、损伤产生微缺陷的早期诊断，属于无损检测领域。

背景技术

金属构件在制造、加工以及使用过程当中，不可避免地会在内部或表面形成微缺陷。在载荷、温度变化以及腐蚀介质的作用下，微裂纹不断扩展形成宏观裂纹，并最终导致构件的疲劳失效。微裂纹已成为影响工业构件正常运行的重大隐患，因此，对构件中微裂纹的检测具有重要的工程实用价值。

常规超声检测技术基于超声波在缺陷处的反射、透射以及衰减现象，可以很好实现结构中体积型缺陷（如空洞）及开口裂纹等的检测，但难以实现结构早期损伤及闭合微裂纹的检测。研究发现，当超声波在有损伤结构中传播时，会表现出异常高的非线性。近年来，非线性超声技术因对常规超声不敏感的结构早期疲劳损伤检测具有特殊的优势，而备受关注。根据检测原理，非线性超声检测方法可分为谐波法、振动声调制法、非线性谐振法和混频法等。谐波法是目前研究中使用最多的方法，但检测结果受检测仪器及探头本身非线性产生的谐波影响大；振动声调制技术对界面接触状态及闭合裂纹检测具有优势，但该方法需额外向待检测试件上施加低频振动，检测系统较复杂；而非线性谐振法对检测系统及换能器频带要求较高。混频技术（又称波束混叠技术）基于两列不同频率的波在介质中交互作用特性，实现结构损伤检测。如果介质是连续的，当两列波相遇时，满足线性叠加原理，不会产生新的频率分量；如果介质有不连续性，即存在非线性区域，当两列波在该区域相遇时，将发生相互作用，产生两列波的耦合项，在频域中会观察到新的频率分量。

根据激励波的方向，混频技术包括非共线混频技术和共线混频技术两类。Croxford等利用斜探头在试件两端激励斜入射剪切波，通过调整两探头的相对位置使两列波在试件疲劳损伤处相遇，发生相互作用而产生垂直试件表面方向的纵波，从而实现试件中早期疲劳损伤的检测，该方法仅对较厚试件中的内部缺陷具有较高的敏感性[CROXFORD A J, WILCOX P D, DRINKWATER B W, 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利用共线混频技术，对矩形截面梁中的人工裂纹缺陷进行检测，将两种频率的连续正弦信号施加于粘贴在梁一端的激励压电片上，接收压电片共线的粘贴在梁的另一端面[HILLIS A J, NEILD S A, DRINKWATER B W, et al. Global crack detection using bispectral analysics[J]. Proceedings of the Royal Society Society A, 2006, 462: 1515-1530]。通过对接收信号的双谱分析，实现试件有无裂纹缺陷的判识，但该种同侧激励模式下的混频检测无法避免实验仪器非线性对实验结果的影响且不能实现缺陷的定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对结构微裂纹的超声检测方法，特别是基于混频效应的非线性超声检测方法。该方法采用异侧激励混频检测模式，即两种频率简谐信号分别施加在位于试件两侧的不同探头上。其中一个探头做为接收探头，对接收信号进行双谱分析，根据双谱图中是否产生混频信号频率成分，可以判断两列波相遇位置处是否有结构微裂纹。通过控制两列波的激励延时时间，可以使波在试件长度方向上各位置相遇，根据接收数据分析结果，可实现结构微裂纹的定位。

本发明提出基于混频效应的结构微裂纹非线性超声检测方法，其基本原理在于：

当结构存在损伤等非线性源时，其输入输出可简化为以下二阶非线性方程

y(t)=αx(t)+βx²(t)+q(t)                   （1）

其中x(t)为输入信号，y(t)为系统响应，α,β为常数，q(t)为噪声，以下忽略。

若输入信号包含两种频率的简谐分量：