材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及檢測(cè)領(lǐng)域。本發(fā)明提出一種材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，包括步驟：(A)激勵(lì)基頻蘭姆波信號(hào)，挑選二階諧波；(B)進(jìn)行固定；(C)產(chǎn)生一基頻；(D)固定信號(hào)接收單元；(E)窄帶信號(hào)耦合并接收；(F)接收信號(hào)并存儲(chǔ)；(G)改變導(dǎo)波信號(hào)在被檢測(cè)材料中傳播的距離；(H)計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度值；(I)將與基頻信號(hào)速度不同信號(hào)濾掉；(J)用時(shí)-頻變換得到頻域內(nèi)基頻與雙倍頻二階諧波信號(hào)；(K)多次重復(fù)步驟(G)-(J)；(L)表征材料非線性β的變化；(M)對(duì)被檢測(cè)材料進(jìn)行評(píng)估。本發(fā)明的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估裝置，包括：一第一計(jì)算機(jī)、一信號(hào)發(fā)生器、一信號(hào)激勵(lì)單元、一信號(hào)接收單元、一示波器、以及一第二計(jì)算機(jī)。本發(fā)明用于材料檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及超聲波檢測(cè)，具體是利用超聲導(dǎo)波在復(fù)合材 料結(jié)構(gòu)中傳播發(fā)生非線性響應(yīng)來(lái)來(lái)評(píng)估材料性能退化的方法與裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料在航空工業(yè)中廣泛運(yùn)用，因?yàn)槠湎鄬?duì)于傳統(tǒng)金屬材料的一些優(yōu)勢(shì)，比如， 更高的強(qiáng)度/質(zhì)量比，更高的硬度/質(zhì)量比。飛行器通常在多變條件下工作，比如溫度。在 熱循環(huán)中，熱應(yīng)力也出現(xiàn)在復(fù)合層壓板中。這些循環(huán)熱應(yīng)力可能引起和機(jī)械循環(huán)載荷類似 的損傷，如分層，脫粘和基體損傷?？紤]到航空復(fù)合材料的長(zhǎng)期使用和航空工程安全的重要 性，即使一個(gè)小小的由熱疲勞產(chǎn)生的損傷往往需要非常注意，以防止發(fā)生不可預(yù)測(cè)的災(zāi)難 性后果。因此，對(duì)航空工業(yè)中的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期無(wú)損檢測(cè)和評(píng)估是非常有必要的。
[0003] 超聲蘭姆波在平面狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)中有著良好的表現(xiàn)，因此被廣泛運(yùn)用在復(fù)合材料層 壓板中的檢測(cè)、評(píng)估中。但是目前線性蘭姆波只能用宏觀損傷檢測(cè)。對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行 微損傷、早期性能退化進(jìn)行評(píng)估和檢測(cè)一直是檢測(cè)的難點(diǎn)。
[0004] 蘭姆波在傳播介質(zhì)中碰到微小的損傷也能引起其明顯的非線性響應(yīng)，而傳播過(guò)程 中這種非線性響應(yīng)也可有效應(yīng)用于超聲無(wú)損檢測(cè)。其中典型非線性響應(yīng)現(xiàn)象為蘭姆波二 階諧波產(chǎn)生。相對(duì)于完好的結(jié)構(gòu)件，導(dǎo)波在有微觀缺陷的結(jié)構(gòu)件中二階諧波產(chǎn)生的非線性 響應(yīng)成量級(jí)式的增長(zhǎng)，根據(jù)這種非線性響應(yīng)的變化可以有效檢測(cè)和表征結(jié)構(gòu)件中的微觀缺 陷。
[0005] 而對(duì)于在復(fù)合材料中傳播的蘭姆波非線性響應(yīng)，由于復(fù)合材料的高衰減率，特別 在熱疲勞下性能退化分散，在其中監(jiān)控、檢測(cè)微小的二階諧波振幅有難度；同時(shí)由于蘭姆波 頻散特性和多模態(tài)特性導(dǎo)致了在產(chǎn)生二階諧波方面有難度?？紤]上述因素，需要提出一種 有效提取非線性蘭姆波信號(hào)以用于對(duì)復(fù)合材料性能退化進(jìn)行評(píng)估的解決之道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出一種用于檢測(cè)對(duì)象材料熱疲勞微觀缺陷的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法 與裝置，其能夠激勵(lì)單個(gè)模態(tài)的蘭姆波波信號(hào)，并利用相位匹配和群延遲的方法選出合適 的模態(tài)，提高系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)波二階諧波的檢測(cè)能力，利用檢測(cè)出來(lái)的二階諧波幅度的變化有效 表征復(fù)合材料性能退化與裝置。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] 材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，包括步驟：
[0009] (A)，激勵(lì)傳播模式的基頻蘭姆波信號(hào)，挑選相速度相同的雙倍頻信號(hào)作為二階諧 波；
[0010] (B)，對(duì)被檢測(cè)材料進(jìn)行固定；
[0011] (C)，利用信號(hào)激勵(lì)單元來(lái)產(chǎn)生一基頻的窄帶信號(hào)；
[0012] (D)，將信號(hào)接收單元固定于被檢測(cè)材料表面；
[0013] (E)，窄帶信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合進(jìn)入被檢測(cè)材料傳播，通過(guò)遠(yuǎn)端信號(hào)接收單元接收；
[0014] (F)，接收信號(hào)并存儲(chǔ)；
[0015] (G)，改變導(dǎo)波信號(hào)在被檢測(cè)材料中傳播的距離；
[0016] (H)，根據(jù)移動(dòng)的距離和穩(wěn)定的波形在時(shí)間軸上的變化，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度 值，確認(rèn)檢測(cè)信號(hào)的有效性；
[0017] (I)，根據(jù)不同群速度，將與基頻信號(hào)速度不同信號(hào)濾掉；
[0018] (J)，用時(shí)-頻變換得到頻域內(nèi)基頻與雙倍頻二階諧波信號(hào)，有效獲得基頻導(dǎo)波的 幅度Ai和雙倍頻二階諧波的信號(hào)幅度a2，計(jì)算4 / 42數(shù)值；
[0019] (K)，同一個(gè)被檢測(cè)材料中，重復(fù)步驟（G)-(J)不少于5次，計(jì)算不同傳播距離下 的4/A/數(shù)值和記下傳播距離x的數(shù)值；
[0020](L)，利用以下公式斜率表征材料非線性3的變化：

【權(quán)利要求】
1. 材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于，包括步驟： (A) ，激勵(lì)傳播模式的基頻蘭姆波信號(hào)，挑選相速度相同的雙倍頻信號(hào)作為二階諧波； (B) ，對(duì)被檢測(cè)材料進(jìn)行固定； (C) ，利用信號(hào)激勵(lì)單元來(lái)產(chǎn)生一基頻的窄帶信號(hào)； (D) ，將信號(hào)接收單元固定于被檢測(cè)材料表面； (E) ，窄帶信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合進(jìn)入被檢測(cè)材料傳播，通過(guò)遠(yuǎn)端信號(hào)接收單元接收； (F) ，接收信號(hào)并存儲(chǔ)； (G) ，改變導(dǎo)波信號(hào)在被檢測(cè)材料中傳播的距離； (H) ，根據(jù)移動(dòng)的距離和穩(wěn)定的波形在時(shí)間軸上的變化，計(jì)算檢測(cè)信號(hào)的群速度值，確 認(rèn)檢測(cè)信號(hào)的有效性； (I) ，根據(jù)不同群速度，將與基頻信號(hào)速度不同信號(hào)濾掉； (J)，用時(shí)-頻變換得到頻域內(nèi)基頻與雙倍頻二階諧波信號(hào)，有效獲得基頻導(dǎo)波的幅度 A1和雙倍頻二階諧波的信號(hào)幅度A2，計(jì)算為/為2數(shù)值； (K) ，同一個(gè)被檢測(cè)材料中，重復(fù)步驟（G)-(J)不少于5次，計(jì)算不同傳播距離下的A2A12數(shù)值和記下傳播距離X的數(shù)值； (L) ，利用以下公式斜率表征材料非線性β的變化：
其中F表示非線性特征函數(shù)； (M) ，對(duì)被檢測(cè)材料進(jìn)行評(píng)估，如果為/ 42相對(duì)于傳播距離X的斜率有明顯的變化，表 征被檢測(cè)材料內(nèi)部存在微損傷，反之。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（A)中，對(duì)激勵(lì)在管道中傳播的單個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)挑選具有聚集效應(yīng)的雙倍頻信號(hào) 作為一組相位匹配信號(hào)，進(jìn)行檢查。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（B)中，被檢測(cè)材料是通過(guò)夾具進(jìn)行固定的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（C)中，產(chǎn)生基頻的窄帶信號(hào)的信號(hào)激勵(lì)單元是一個(gè)高能猝發(fā)音系統(tǒng)和一副窄帶傳感 器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（D)中，是利用耦合劑將信號(hào)接收單元附著被檢測(cè)材料表面，并對(duì)信號(hào)接收單元持久 的施加機(jī)械力來(lái)保證一致的接觸條件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：步驟（D) 和步驟（E)、（F)中，信號(hào)激勵(lì)單元和信號(hào)接收單元均是經(jīng)過(guò)濾波處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（G)中，是通過(guò)移動(dòng)信號(hào)接收單元來(lái)改變導(dǎo)波信號(hào)的傳播距離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（I)中，是采用群延遲的方法濾除與基頻相近但群速度不同的信號(hào)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估方法，其特征在于：所述的 步驟（J)中，是選擇穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行時(shí)-頻變換。
10. 材料性能退化的非線性導(dǎo)波評(píng)估裝置，其特征在于，包括： 一第一計(jì)算機(jī)（11)，連接于一信號(hào)發(fā)生器（12); 一信號(hào)發(fā)生器（12)，輸出端連接一信號(hào)激勵(lì)單元，輸入端連接一信號(hào)接收單元； 一信號(hào)激勵(lì)單元，依次包括一高頻猝發(fā)器（151)和與之連接的一傳感器（152); 一信號(hào)接收單元，依次包括一接收器（161)和與之連接的一衰減器（162); 一示波器（13)，連接于信號(hào)發(fā)生器（12)，以及與一第二計(jì)算機(jī)（14)連接； 以及一第二計(jì)算機(jī)（14)。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK104458913SQ201410782830
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】李衛(wèi)彬, 胡詩(shī)誠(chéng), 施展 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)