[发明专利]一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统及方法

权利要求书

1.一种用于金属板中残余应力检测的水浸式兰姆波共线混频检测系统，其特征在于：该系统包括计算机、SNAP-5000非线性超声测试设备、水浸式扫描架、水浸激励探头、水浸接收探头、前置放大器以及示波器；将计算机与SNAP-5000非线性超声测试设备相连，用于控制信号的激励接收以及参数设置；将计算机与水浸式扫描架进行通信，并在水浸式扫描架上安装水浸激励、接收探头，用于控制信号激励及接收的位置与角度；将SNAP-5000非线性超声测试设备与水浸激励探头相连，用于在水中激励信号；混频检测信号通过水浸接收探头接收，经前置放大器放大后传回SNAP-5000非线性超声测试设备，通过示波器显示并存储检测信号。

2.利用权利要求1所述水浸式兰姆波共线混频检测系统进行的检测方法，其特征在于：该方法是通过以下步骤实现的，

(1)将被测金属板垂直于水槽底面固定在水浸式扫描架水槽中，激励与接收探头位于金属板同侧，距离金属板上表面60mm，调整激励与接收两探头高度使其与金属板上的第一条检测路径位于同一水平面内；

(2)绘制兰姆波“频率-波数”曲线，根据兰姆波混频谐振条件k_a+b＝k_a+k_b、ω_a+b＝ω_a+ω_b选择用于兰姆波共线混频检测的两个基频激励信号ω_a以及ω_b；考虑两基频激励信号长度匹配的条件下，确定两基频信号的激励周期N1、N2；

(3)根据瑞利角公式θ＝arcsin(v_wl/v_p)设置激励与接收探头的偏转角度，式中v_wl为水中纵波波速，v_p为兰姆波相速度；将信号从被激励到被接收期间，在金属板上传播的距离定义为检测区域，通过调整激励与接收探头间距来设置检测区域大小s＝50mm；

(4)在保持检测区域大小不变的情况下通过水浸式扫描架移动激励与接收探头，使检测区域中心位于检测路径上第一个检测位置处；使用SNAP-5000非线性超声测试设备，按照步骤(2)中选择的频率与周期数激励两列基频信号，通过接收探头接收混频检测信号，完成第一个位置的兰姆波共线混频检测；

(5)通过水浸式扫描架控制激励与接收探头向同一方向步进Δx＝10mm，进行检测路径上第二个位置的兰姆波共线混频检测；

(6)重复步骤(5)，直到检测区域中心位于检测路径上最后一个检测位置处，完成被测试件第一条检测路径上所有检测位置的兰姆波共线混频检测；

(7)改变激励与接收探头水平高度，使两探头与被测试件上其它检测路径位于同一水平面内，重复步骤(4)～(6)，完成被测试件上其它检测路径的扫查检测；

(8)对各检测位置的混频检测信号进行处理，提取各位置检测信号频谱中两个基频分量的幅值A₁、A₂以及和频分量的幅值A₃，根据公式β＝A₃/(A₁·A₂)计算各检测位置的混频非线性系数β，绘制非线性系数随检测位置变化的曲线。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：非线性系数变化曲线表征被测试件中残余应力的分布情况；

材料各向同性且均匀的固体结构中的波动方程描述为：

式中ρ₀——材料质量密度；

u_i——位移矢量；

σ_ij——应力张量；

当固体结构发生微小形变时，材料中的应力应变关系表示为：

其中，

式中——材料中残余应力；

——材料微形变后的二阶弹性常数；

——材料微形变后的三阶弹性常数；

基于五常弹性理论，将式(2)带入式(1)，得到固体结构中的非线性波动方程：

式中F_i为非线性驱动项，由于该非线性驱动项，介质中两列超声波相遇后会发生非线性相互作用，产生谐波、混频非线性效应；

式(5)中的非线性波动方程表示为：

其中，β为非线性系数，可表示为：

式中——二阶弹性常数；

——三阶弹性常数；

——材料中残余应力；

通过测量非线性系数β对材料中的残余应力进行评估。