非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置，包括信號激勵/接收器、衰減器、激勵探頭、接收探頭、前置放大器、示波器和計算機，通過獲取試件中傳播的超聲波基頻信號A1和二次諧波的波幅A2，計算出試件的非線性聲學(xué)參數(shù)β′，其中基于得到的相對非線性聲學(xué)參數(shù)的值β′，比較未處理材料和經(jīng)過不同熱處理過程的非線性聲學(xué)參數(shù)的不同。本發(fā)明基于熱處理可以改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，而超聲傳播的非線性響應(yīng)和材料的微觀結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，本發(fā)明可以非破壞、快速、有效地評估熱處理工藝效果，進行優(yōu)化、完善熱處理工藝相關(guān)參數(shù)。
【專利說明】
非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置
[00011 本申請是在"申請?zhí)?014102052439"母案基礎(chǔ)上提出的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明公開一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的方法和裝置，按國際專利分類 表（IPC)劃分屬于材料測試技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及利用對材料性能進行非破壞評估和表征 的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0003] 關(guān)鍵工程結(jié)構(gòu)件所用材料，在正式投入應(yīng)用前，通常需要經(jīng)過熱處理工藝提高其 機械性能，滿足工程結(jié)構(gòu)承載的需求。熱處理之所以能提高材料性能主要是因為它改變了 材料的微觀結(jié)構(gòu)（即平行于界面的均質(zhì)化滑移和局部塑性變形限制）。熱處理工藝參數(shù)直接 影響熱處理工藝的效果，進而對材料性能有關(guān)鍵性的影響。通常評估熱處理工藝效果的方 法的是破壞性的測試材料熱處理后的性能變化，這種方法不僅耗時較長，且浪費嚴(yán)重，過程 復(fù)雜。而熱處理工藝參數(shù)也是在實踐中不斷改進和完善的。如何非破壞、快速、有效地評估 熱處理工藝效果，優(yōu)化、完善熱處理參數(shù)非常重要。
[0004] 材料顯微組織和力學(xué)性能直接影響著聲音在材料中傳播的特性，超聲評估和表征 材料組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化是一種被廣泛應(yīng)用的方法。常用的超聲評估與檢測方法是 通過利用超聲線性物理參數(shù)(如聲速、幅度、衰減系數(shù))表征材料組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，但目 前廣泛使用的線性超聲評估方法對材料的微觀結(jié)構(gòu)變化不敏感，因此在應(yīng)用于熱處理工藝 參數(shù)優(yōu)化評估時達(dá)不到理想的效果，比如當(dāng)幾種熱處理參數(shù)差別較小時線性超聲方法無法 將它們的優(yōu)劣明確的區(qū)分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的方 法，該方法是基于傳播介質(zhì)中微小的組織結(jié)構(gòu)變化能導(dǎo)致明顯的聲波非線性響應(yīng)不同，是 一種基于非線性超聲方法的熱處理工藝效果評估和優(yōu)化技術(shù)。
[0006] 本發(fā)明的另一目的是提供一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] -種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的方法，將經(jīng)過熱處理工藝的試件固定并導(dǎo) 入與適合頻率的超聲波，分別獲取上述超聲波的基頻信號&和二次諧波的波幅A 2,計算出試 件的相對非線性聲學(xué)參數(shù)f，其中f =如/&2;基于得到的相對非線性聲學(xué)參數(shù)的值f，比 較未處理材料和經(jīng)過不同熱處理過程的非線性聲學(xué)參數(shù)的不同，選擇非線性聲學(xué)參數(shù)最低 的一組試件，該組試件采用的處理工藝作為最優(yōu)化的熱處理工藝。
[0009] -種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的方法，其檢測步驟如下：
[0010] 1)將經(jīng)過不同熱處理工藝的試件固定；
[0011] 2)根據(jù)試件的材質(zhì)選擇適合的超聲波頻率，由信號激勵器產(chǎn)生超聲信號；
[0012] 3)由激勵探頭將信號導(dǎo)入試料，再由接收探頭接收并返回至接收單元；
[0013] 4)接收單元將接收的信號濾波，并將信號在示波器上經(jīng)過100~2000次平均后存 儲；
[0014] 5)將存儲的信號經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進行時-頻變換，有 效獲得基頻導(dǎo)波的幅度^和雙倍頻二階諧波的信號幅度知，計算a 2/V數(shù)值；
[0015] 6)計算相對非線性聲學(xué)參數(shù)：
[0016] 非線性聲學(xué)參數(shù)邱勺值與基頻波和二階諧波的波幅相關(guān)，其計算公式為
[0018]其中^和知分別是基頻波波和二階諧波的振幅，k是波數(shù)，X是波傳播的距離;試驗 中只需要得到相對的非線性聲學(xué)系數(shù)吖即可，表達(dá)式如下：
[0020] 7)基于得到的相對非線性聲學(xué)參數(shù)的值，比較未處理材料和經(jīng)過不同熱處理過程 的非線性物理參數(shù)的不同，選擇非線性參數(shù)最低的一組作為最優(yōu)化的熱處理工藝。
[0021] 步驟1)中，將試件固定在夾具中進行超聲信號導(dǎo)入及接收。
[0022] 步驟2)中信號激勵器產(chǎn)生超聲信號通過衰減器以提高信噪比，然后由激勵探頭導(dǎo) 入試件。
[0023]步驟3)中，為保證統(tǒng)一的耦合狀態(tài)，在激勵探頭和接收探頭上固定裝置以保證換 能器與試件接觸耦合狀態(tài)穩(wěn)定，其中接收探頭接收超聲信號經(jīng)前置放大器放大后回到接收 器中。
[0024]步驟4)中，接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，利用示波器獲取接收 到的信號波形，將其輸入計算機中；由信號接收器獲得的數(shù)據(jù)也一并輸入計算機。
[0025] 一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置，包括信號激勵/接收器、衰減器、激 勵探頭、接收探頭、前置放大器、示波器和計算機，信號激勵/接收器激勵適合試件的一定頻 率超聲波信號，經(jīng)過衰減器以提高信噪比并連接激勵探頭，超聲波信號被導(dǎo)入到試件中，在 試件的另一端連接接收探頭檢測傳播的聲波信號，經(jīng)前置放大器后進行濾波送入到示波器 中，示波器獲取接收到的信號波形將其輸入計算機中；由信號激勵/接收器獲得的數(shù)據(jù)也一 并輸入計算機進行信號分析。
[0026]進一步，所述激勵探頭和接收探頭之間設(shè)有固定夾具以夾持經(jīng)過不同熱處理工藝 的試件。
[0027]本發(fā)明提供一種用于評估熱處理效果，優(yōu)化熱處理參數(shù)的非線性超聲方法和裝 置，利用一定裝置獲取基頻信號^和二次諧波A2的波幅，即可計算出試料的相對非線性聲學(xué) 參數(shù)f，用f來有效地表征材料性能發(fā)生的相對變化。試料或試件經(jīng)過熱處理工藝后，材料 內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)變得均勻，材料性能提高，在其中傳播的超聲波的非線性響應(yīng)明顯下降， 根據(jù)非線性響應(yīng)的強弱，評估熱處理工藝的優(yōu)劣，進而非破壞評估、優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明檢測裝置示意圖。
[0029] 圖2是熱處理工藝后的試件中二階諧波與基頻波的對比關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明：
[0031] 實施例:請參閱圖1及圖2,一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置，包括信號 激勵/接收器1、衰減器2、激勵探頭3、接收探頭4、前置放大器5、示波器6和計算機7,信號激 勵/接收器1激勵適合試件的一定頻率超聲波信號，經(jīng)過衰減器2以提高信噪比并連接激勵 探頭3,超聲波信號被導(dǎo)入到試件Μ中，在試件Μ的另一端連接接收探頭4檢測傳播的聲波信 號，經(jīng)前置放大器5后進行濾波送入到示波器6中，示波器獲取接收到的信號波形將其輸入 計算機7中；由信號激勵/接收器獲得的數(shù)據(jù)也一并輸入計算機7進行信號分析。
[0032] 一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的方法，其檢測步驟：
[0033] 1)將經(jīng)過不同熱處理工藝的試件固定在夾具中；
[0034] 2)根據(jù)試件的材質(zhì)選擇適合的超聲波頻率，由信號激勵器產(chǎn)生超聲信號；
[0035] 3)將產(chǎn)生的超聲信號通過衰減器，以提高信噪比；
[0036] 4)經(jīng)過衰減之后的信號，由激勵探頭導(dǎo)入試料，再由接收探頭接收，經(jīng)前置放大器 放大后回到接收器中；
[0037] 5)為保證統(tǒng)一的耦合狀態(tài)，在激勵換能器和接收換能器上固定裝置以保證換能器 與試件接觸耦合狀態(tài)穩(wěn)定；
[0038] 6)利用示波器獲取接收到的信號波形，將其輸入計算機中；由信號接收器獲得的 數(shù)據(jù)也一并輸入計算機；
[0039] 7)接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，并將信號在示波器上經(jīng)過100 ~2000次平均后存儲；
[0040] 8)將存儲的信號經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進行時-頻變換，有 效獲得基頻導(dǎo)波的幅度^和雙倍頻二階諧波的信號幅度知，計算a2/V數(shù)值.
[0041] 9)計算相對非線性聲學(xué)參數(shù)；
[0042] 非線性聲學(xué)參數(shù)邱勺值與基頻波和二階諧波的波幅相關(guān)，其計算公式為
[0044] 其中心和知分別是基頻波波和二階諧波的振幅，k是波數(shù)，X是波傳播的
[0045] 距離。試驗中我們只需要得到相對的非線性聲學(xué)系數(shù)吖即可，表達(dá)式如下：
[0047] 10)基于得到的相對非線性聲學(xué)參數(shù)的值，比較未處理材料和經(jīng)過不同熱處理過 程的非線性物理參數(shù)的不同，選擇非線性參數(shù)最低的一組作為最優(yōu)化的熱處理工藝。
[0048] 本發(fā)明原理：
[0049]超聲在微觀組織結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)材料中傳播，會導(dǎo)致波形畸變，產(chǎn)生雙倍頻二 階諧波。微觀組織結(jié)構(gòu)越不均勻(微觀缺陷增多），雙倍頻二階諧波的幅度越高。材料經(jīng)過熱 處理工藝后，內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)會變得相對均勻，相對應(yīng)的在其內(nèi)傳播的超聲波二階諧波 幅度會減小。根據(jù)測量超聲波在經(jīng)過不同熱處理工藝后的試件中二階諧波與基頻波的對比 關(guān)系，可以定性的評估材料微觀組織結(jié)構(gòu)的均勻度，進而評價材料性能的變化，如圖2中，基 頻信號幅度Ai，雙倍頻二階諧波信號幅度A2。
[0050] 本發(fā)明是一種利用非線性超聲方法評估、優(yōu)化熱處理工藝的新技術(shù)，其利用非破 壞的方式精確評估不同的熱處理工藝之后的材料性能的變化，進而優(yōu)化熱處理工藝。本發(fā) 明基于熱處理可以改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，而超聲傳播的非線性響應(yīng)和材料的微觀結(jié)構(gòu)有直 接的關(guān)系。熱處理的工藝越好，經(jīng)過熱處理后的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越均勻，性能提高的越到，而 超聲傳播的聲學(xué)非線性響應(yīng)則越小。通過一套有效測試經(jīng)過熱處理后的試件的超聲非線性 響應(yīng)的變化，對材料熱處理效果進行無損評估。
[0051] 本發(fā)明基于傳播介質(zhì)中微小的組織結(jié)構(gòu)變化也能導(dǎo)致明顯的聲波非線性響應(yīng)不 同，開發(fā)出一種基于非線性超聲方法的熱處理工藝效果評估和優(yōu)化技術(shù)。這項技術(shù)對材料 經(jīng)過不同熱處理工藝后微觀結(jié)構(gòu)的變化非常敏感，可以快速、有效的評估出熱處理工藝的 優(yōu)劣，進而優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)。
[0052] 以上所記載，僅為利用本創(chuàng)作技術(shù)內(nèi)容的實施例，任何熟悉本項技藝者運用本創(chuàng) 作所做的修飾、變化，皆屬本創(chuàng)作主張的專利范圍，而不限于實施例所揭示者。
【主權(quán)項】
1. 一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置，其特征在于:包括信號激勵/接收器、 衰減器、激勵探頭、接收探頭、前置放大器、示波器和計算機，信號激勵/接收器激勵適合試 件的一定頻率超聲波信號，經(jīng)過衰減器以提高信噪比并連接激勵探頭，超聲波信號被導(dǎo)入 到試件中，在試件的另一端連接接收探頭檢測傳播的聲波信號，經(jīng)前置放大器后進行濾波 并依次送入到信號接收器、示波器中，示波器獲取接收到的信號波形將其輸入計算機中；由 信號激勵/接收器獲得的數(shù)據(jù)也一并輸入計算機進行信號分析； 上述非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置的檢測步驟如下： 1) 將經(jīng)過不同熱處理工藝的試件固定在夾具中； 2) 根據(jù)試件的材質(zhì)選擇適合的超聲波頻率，由信號激勵器產(chǎn)生超聲信號； 3) 將產(chǎn)生的超聲信號通過衰減器，以提高信噪比； 4) 經(jīng)過衰減之后的信號，由激勵探頭導(dǎo)入試件，再由接收探頭接收，經(jīng)前置放大器放大 后回到接收器中； 5) 為保證統(tǒng)一的耦合狀態(tài)，在信號激勵/接收器上設(shè)有固定裝置以保證換能器與試件 接觸親合狀態(tài)穩(wěn)定； 6) 利用示波器獲取接收到的信號波形，將其輸入計算機中；由信號接收器獲得的數(shù)據(jù) 也一并輸入計算機； 7) 接收單元將接收的信號通過功率放大器后濾波，并將信號在示波器上經(jīng)過100~ 2000次平均后存儲； 8) 將存儲的信號經(jīng)過Hanning窗戶處理，選擇其中穩(wěn)定的部分進行時-頻變換，有效獲 得基頻導(dǎo)波的幅度AdP雙倍頻二階諧波的信號幅度A 2,計算為/為2數(shù)值. 9) 計算相對非線性聲學(xué)參數(shù)； 非線性聲學(xué)參數(shù)邱勺值與基頻波和二階諧波的波幅相關(guān)，其計算公式為其中AjPA2分別是基頻波和二階諧波的振幅，k是波數(shù)，X是波傳播的距離。試驗中我們 只需要得到相對的非線性聲學(xué)系數(shù)吖即可,表汰式如下：10) 基于得到的相對非線性聲學(xué)參數(shù)的值，比較未處理材料和經(jīng)過不同熱處理過程的 非線性物理參數(shù)的不同，選擇非線性參數(shù)最低的一組作為最優(yōu)化的熱處理工藝。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非線性超聲評估優(yōu)化熱處理工藝的裝置，其特征在于:所 述激勵探頭和接收探頭之間設(shè)有固定夾具以夾持經(jīng)過不同熱處理工藝的試件。
【文檔編號】G01N29/04GK106018553SQ201610329674
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年5月15日
【發(fā)明人】李衛(wèi)彬, 秦曉旭, 胡詩誠
【申請人】廈門大學(xué)