專利名稱：多裂紋的非線性超聲定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用超聲波進行材料無損檢測的新型方法，尤其是對多裂紋的非線性超聲定位方法。
背景技術：
無損檢測是現(xiàn)代工業(yè)許多領域中保證產(chǎn)品質(zhì)量與性能、穩(wěn)定生產(chǎn)工藝的重要手段。當今世界各發(fā)達國家都越來越重視無損檢測技術在國民經(jīng)濟各部門中的作用，日本最近制定的21世紀優(yōu)先發(fā)展四大技術領域之一的設備延壽技術中，把無損檢測放在十分重要的位置。無損檢測是指在不損傷被測材料的情況下，檢查材料的內(nèi)在或表面缺陷，或測定材料的某些物理量、性能、組織狀態(tài)等的檢測，它是把一定的物理量加到被檢物上去再使用特定的檢測裝置來檢測這種物理量的穿透、散射、反射、漏泄、滲透等現(xiàn)象的變化，從而檢查被檢物有沒有異常，常用的無損檢測技術有射線探傷、超聲檢測、滲透探傷以及磁粉探傷等。他們各有特點和適用性，一種方法通常難以滿足要求，通常有各自的局限性，需要不同的方法互相補充。自19世紀末到20世紀初，在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術的歷史篇章。超聲檢測是工業(yè)上無損檢測的方法之一，超聲波進入物體遇到缺陷時，一部分聲波會產(chǎn)生反射，發(fā)射和接收器可對反射波進行分析，就能異常精確地測出缺陷來，并且能顯示內(nèi)部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。但是，對于金屬內(nèi)閉合微裂紋，傳統(tǒng)的檢測技術以及線性超聲檢測技術難以檢測， 所以這種裂紋的漏檢是造成航天器與飛機失實的主要原因之一。目前，國內(nèi)外許多研究機構也把金屬內(nèi)閉合裂紋的無損檢測作為重點課題進行研究。經(jīng)過最近若干年的努力，力學、 聲學和材料學領域的科學家和工程師們在這方面取得了一些進展，人們發(fā)現(xiàn)微孔和微裂紋與超聲波透過材料傳播的非線性效應密切相關，一系列的試驗表明微孔和微裂紋總是伴隨著某種形式的材料非線性力學行為，從而引起超聲波傳播的非線性，即高頻諧波的產(chǎn)生。 一般而言，金屬內(nèi)閉合微裂紋在超聲激勵下將產(chǎn)生非線性超聲振動，通過對其分析、研究可以對金屬內(nèi)閉合微裂紋進行有效的判斷和檢測。相對于基頻來說，高頻諧波參量對材料微孔和微裂紋等更為敏感。因此，通過測量高次諧波系數(shù)，可以評價材料的微孔和微裂紋，這為超聲無損檢測與評價技術的發(fā)展提供了新的思路。然而，利用非線性聲學進行裂紋檢測尚處于起步階段，雖 然大量的實驗證實高次諧波參量對于材料微裂紋比線性參量來的更為敏感，但是，目前的非線性聲學無損檢測水平還只停留在判斷材料內(nèi)部微裂紋的有無之上，而對于多裂紋的準確定位以及其大小的判斷卻無能為力。
三、發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種新型的多裂紋非線性超聲定位方法，充分發(fā)揮高次諧波對材料內(nèi)部微裂紋的敏感特性，而達到利用非線性超聲對材料內(nèi)部裂紋的檢測目的。降低無損檢測的成本，也使多個閉合微裂紋的非線性超聲定位成為可能。本發(fā)明的技術方案多裂紋的非線性超聲定位方法，構造材料的不對稱邊界條件， 利用不對稱邊界條件所引起的共振頻率的不等間隔特性，以及由于材料內(nèi)部裂紋振動的非線性所產(chǎn)生的高次諧波不能滿足材料的共振頻率卻要滿足邊界條件而引起的各條裂紋兩端的振動幅度的差異來進行的多條裂紋定位，使被測材料處于不對稱的邊界條件下，分析高次諧波的大小進行裂紋定位以及裂紋大小的判斷，具體方法是使用接觸檢測技術，被測材料制備成長為L，密度為P的棒，其總質(zhì)量為M，橫截面積為S，楊氏模量為E，被測材料一端耦合上超聲換能器，激發(fā)換能器的檢測頻率為材料的共振頻率，材料的另一端加上一質(zhì)量負載m，以使得這一端處于帶有負載的邊界條件下，且使材料處于不對稱的邊界條件下； 用圓頻率為ω的聲源激勵此棒，然后使用加速度計或應力計沿振動傳播方向進行掃描，分析掃描中得到的高次諧波的振動幅度以及相位隨位置的變化關系，來達到裂紋的定位目的。利用不對稱邊界條件來達到消除裂紋位置 的不確定性；假設棒中共有η條微裂紋，長度L時，得到第i個本征頻率下的波數(shù)k”通過測量與計算可以得出這一本征頻率下波動解中的系數(shù)基波幅度H，三次諧波各裂紋兩邊的余弦分量系數(shù)A31，A32，...A3(n+1)以及正弦分量系數(shù)B31，B32，. . . B3(n+1)，5次諧波裂紋兩邊的余弦分量系數(shù)A51，A52，. . . A5(n+1)，以及正弦分量系數(shù)B51，B52，...B5(n+1)，其中Xij表示第j個裂紋左邊的由第i次諧波引起的正余弦分量的幅度。以上數(shù)值模擬中各系數(shù)的正負號可以通過掃描測量時的相位判定。通過波動解得到的系數(shù)來反演出裂紋位置及其大小。通過反演不難得到第一條裂
紋的3次諧波定位x 131，Χ132，· · · x13m，5次諧波定位x 151，X152，0 0 0 X15n， 其中xijk表示第i條
裂紋通過第j次諧波所計算出的第k個可能解；由于實際情況中的第一個裂紋的位置是唯一的，對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)第一條微裂紋的實際位置為X13i即X1 ；通過3次諧波和5次諧波得出的圖的比較，通過對比很容易發(fā)現(xiàn)只有在X13i出裂紋的可能位置是完全重合的；同樣計算得到第二條裂紋的3次諧波定位x231，X232，。。。x23m，5次諧波定位x251，X252，。。。，x25n ； 由于實際的第二條裂紋位置也是唯一的，且應在第一條裂紋之后，對比以上數(shù)據(jù)很容易發(fā)現(xiàn)x23i即x2。同樣的方法可以判斷其他更多的裂紋。最后通過激發(fā)第一共振頻率所得到的裂紋位置與其他共振頻率所得到的可能裂紋位置的對比進行裂紋定位精度的改善。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的特點是對測試材料附加上了不對稱的邊界條件， 解決了使用非線性超聲檢測對于對稱位置上的裂紋不可分辨的問題，利用了材料內(nèi)由于微裂紋而產(chǎn)生的高次諧波不能滿足材料的本征頻率而導致的各條裂紋兩端振動幅度的差異， 提出了對于多條裂紋的定位方法。此發(fā)明可用于各種材料的缺陷檢測，提高微裂紋檢測的可靠性以及裂紋位置的定位和大小的判斷，可以大大減少無損檢測成本，為非線性超聲無損檢測開辟了新的思路。
四

圖1試驗系統(tǒng)框2帶缺陷材料幾何分布圖
圖3中是裂紋可能位置對比圖， 其中圖3a通過3次諧波(上)以及5次諧波(下)得出的第一條裂紋位置對比3b通過3次諧波(上)以及5次諧波(下)得出的第二條裂紋位置對比3c裂紋對比合成4對比與處理后的實際裂紋分布5兩條裂紋的裂紋位置與激發(fā)頻率對比圖，圖5a-圖5e均是裂紋位置推斷。a 第一本征頻率裂紋推斷圖。b 第二本征頻率裂紋推斷圖。c 第三本征頻率裂紋推斷圖。d:第四本征頻率裂紋推斷圖。e第五本征頻率裂紋推斷圖。五、具體實現(xiàn)方案對于此發(fā)明的有效性以及可行性，我們進行了數(shù)值模擬。如圖2所示，長為L，密度為P的金屬棒，其總質(zhì)量為M，橫截面積為S，楊氏模量為E，一端自由，一段有質(zhì)量負載m， 用圓頻率為ω的聲源激勵，假設棒中共有η條微裂紋，裂紋的中心分別處于χ = χι，χ2，Λ χη 處，裂紋有效長度分別為屯，屯，Adn，且滿足= 1,2, An)。為簡單起見而又不失
Jfl
一般性，我們假定棒中的裂紋數(shù)為兩條。后文中的數(shù)值模擬，均使用以下數(shù)據(jù)使i = G+5，
可以得到第一個本征頻率Ic1L = 2. 289，第二個本征頻率k2L = 5. 087。第一本征頻率下，取 L = O. 2m,則 Ii1 = 11. 44m"1 ο 第二本征頻率下，取 L = O. 2m,則 k2 = 25. 43m"1,品質(zhì)因子 Q = 80,橫截面積 S = 2. 5X10_3m2，棒中聲速 c = 6. 0X103m/s，棒的密度 P = 7. 8 X 103kg/m3， 作用力幅度F = IO5N,非線性參數(shù)α = 2000，我們使用第一本征頻率激發(fā)，ki = 11.44ΠΓ1， (O1 = 6. 867X10^(1/8,^ = 10. 93kHz，并且假定兩個裂紋處于 X1 = 6cm，X2 = 11cm，裂紋的寬度分別為Cl1 = 0. 5mm, d2 = 1. 8mm。解波動方程后得出各次諧波在各裂紋兩端的質(zhì)點位移為
^231 = cos 3Ax + B31 sin 3kx) sin 3cot\ ξ232 = (A32 cos3L· + B32 sin 3Ax) sin (1)
ξ233 = (A33 cos3Ax + B33 sin 3kx) sin 3cot ξ2 1 = (A51 cos 5kx + B51 sin 5kx) sin 5ω \ ξ252 = (A52 cos5kx + B52 sin 5kx)sin 5ω (2)
ξ253 = (A53 cos Skx + B53 sin 5kx) sin 5ω 其中，ξ iJk表示i階近似下j次諧波在第k-Ι與第k個裂紋之間的棒中質(zhì)點振動位移。其大小與各參數(shù)之間的關系為
D31 cos3bq + D32 cos3fa2 + D31j^3 sin+ D32J3 sin 3kx2 31 = ^
D31 CosSkxl -l·D32(cos3kx2 +χ3 sinSkx2)
32 = ^D3lCOsSkxl(3)
32 3k
D31 CosSfa1 +D32 cos3fa2
33 =
_ D31 cos3bq +D32 cos3fa2 .33 =3k
權利要求
1.多裂紋的非線性超聲定位方法，其特征是構造材料的不對稱邊界條件，利用不對稱邊界條件所引起的共振頻率的不等間隔特性，以及由于材料內(nèi)部裂紋振動的非線性所產(chǎn)生的高次諧波不能滿足材料的共振頻率卻要滿足邊界條件而引起的各條裂紋兩端的振動幅度的差異來進行的多條裂紋定位，分析高次諧波的大小進行裂紋定位以及裂紋大小的判斷，具體方法是使用接觸檢測技術，被測材料制備成長為L，密度為P的棒，其總質(zhì)量為M， 橫截面積為S，楊氏模量為E，被測材料一端耦合上超聲換能器，激發(fā)換能器的檢測頻率為材料的共振頻率，另一端自由，材料的另一端加上一質(zhì)量負載m，以使得這一端處于帶有負載，使材料處于不對稱的邊界條件下；用圓頻率為ω的聲源激勵此棒，然后使用加速度計或應力計沿振動傳播方向進行掃描，分析掃描中得到的高次諧波的振動幅度以及相位隨位置的變化關系，來達到裂紋的定位目的。
2.根據(jù)權利要求1所述的多裂紋的非線性超聲定位方法，其特征是利用不對稱邊界條件來達到消除裂紋位置的不確定性；假設棒中共有η條微裂紋，長度L時，得到第i個本征頻率下的波數(shù)h。通過測量與計算可以得出這一本征頻率下的波動解中的系數(shù)基波幅度H，三次諧波各裂紋兩邊的余弦分量系數(shù)A31，A32，。。。，A3(n+1)，以及正弦分量系數(shù)B31， B32，...B3(n+1)，5次諧波裂紋兩邊余弦分量系數(shù)A51，A52...，A5(n+1),以及正弦分量系數(shù)B31， B52. . .，B5(n+1)，其中Xij表示第j個裂紋左邊的由第i次諧波引起的正余弦分量的幅度。以上數(shù)值模擬中各系數(shù)的正負號可以通過掃描測量時的相位判定。通過波動解得到的系數(shù)來反演出裂紋位置及其大小。通過反演不難得到第一條裂紋的 3次諧波定位x131，X132，... x13m，5次諧波定位x151，x152, ... x15n，其中xuk表示第i條裂紋通過第j次諧波所計算出的第k個可能解；由于實際情況中的第一個裂紋的位置是唯一的， 對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)第一條微裂紋的實際位置為X13i即X1 ；通過3次諧波和5次諧波得出的圖的比較，通過對比很容易發(fā)現(xiàn)只有在X13i出裂紋的可能位置是完全重合的；同樣計算得到第二條裂紋的3次諧波定位x231，x232... x23m，5次諧波定位x251 X252,... X25m ；由于實際的第二條裂紋位置也是唯一的，且應在第一條裂紋之后，對比以上數(shù)據(jù)很容易發(fā)現(xiàn)X23i即 X20同樣的方法可以判斷其他更多的裂紋。最后通過激發(fā)第一共振頻率所得到的裂紋位置與其他共振頻率所得到的可能裂紋位置的對比進行裂紋定位精度的改善。
全文摘要
多裂紋的非線性超聲定位方法，構造材料的不對稱邊界條件，利用不對稱邊界條件所引起的共振頻率的不等間隔特性，以及由于材料內(nèi)部裂紋振動的非線性所產(chǎn)生的高次諧波不能滿足材料的共振頻率卻要滿足邊界條件而引起的各條裂紋兩端的振動幅度的差異來進行的多條裂紋定位，分析高次諧波的大小進行裂紋定位以及裂紋大小的判斷，使用接觸檢測技術，使被測試材料處于不對稱的邊界條件中，一端耦合發(fā)射換能器，發(fā)射換能器激發(fā)的檢測頻率為被測材料的某一共振頻率，利用材料內(nèi)由于微裂紋而產(chǎn)生的高次諧波的諧波頻率不能滿足材料的共振頻率但卻要滿足邊界條件而導致材料內(nèi)各條裂紋兩端的振動幅度的差異來進行多條裂紋的定位。濾除“虛假”裂紋的產(chǎn)生并達到精度改善的目的。
文檔編號G01N29/12GK102175770SQ20111000200
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者全力, 劉曉宙, 龔秀芬 申請人:南京大學