板中微裂纹检测用非线性Lamb波混频方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非线性Lamb波检测方法，特别是一种基于混频效应的非线性Lamb波混频检测方法，用于板中微裂纹检测与评价，属于无损检测领域。
【背景技术】
[0002] 板状或类板状（如壳体）金属结构在各类装备中广泛使用，如大型储罐、飞机的机 身、机翼和舱门等。在服役过程中，这些板类金属构件在内部因素（如运动部件传递的交变 载荷）和环境因素（如腐蚀、温度、外界载荷等）作用下，会逐渐老化，表现为出现不同程度 的损伤。在各类损伤中，疲劳裂纹对结构的潜在危害性最大。据统计，80%以上的机械零部 件的失效是由疲劳损伤所引起。主要原因在于，疲劳裂纹是一种不稳定性缺陷，在结构运行 条件下，即使是很小的裂纹，在交变载荷、温度等因素的影响下，也可能迅速扩展，产生突然 断裂，导致灾难性事故的发生。因此，采取有效的手段实现承载板状金属结构疲劳裂纹的早 期检测、定位和评估，对于确保重大基础设施的正常运行和人们生命财产安全至关重要。
[0003] 超声检测中使用的超声波波型有多种，如体波（纵波和横波）、兰姆波、表面波等。 对于板类结构检测，现有研究中大多使用兰姆波，因为板结构中传播的超声导波称为兰姆 波（LambWave)。由于兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚，传播距离较长且衰减较小， 因此兰姆波广泛应用于板状结构的无损检测。传统兰姆波技术方法利用超声波通过损伤时 发生反射、散射以及模态转换等线性特征，可以很好实现板中开口裂纹及腐蚀等较大损失 检测，但难以实现板中疲劳微裂纹检测。非线性兰姆波检测技术依据超声波与缺陷相互作 用产生的非线性效应对结构损伤情况做出评价，它对于板中的微缺陷（热损伤、疲劳损伤、 微裂纹等）表现出很高的敏感性。
[0004] 非线性超声技术主要关注材料的非线性声学响应，依据检测信号中非激励带宽内 其它频率分量的变化实现结构早期损伤检测。根据检测原理，非线性超声检测可分为振动 声调制法、非线性谐振法、混频法和谐波法，其中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以及有边界 非线性影响，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，在频域 中会观察到新的频率分量，而且该方法的检测结果不受仪器非线性的干扰。
[0005]国内外学者在金属板结构的兰姆波非线性效应及损伤检测方面开展了大量卓有 成效的研究工作。在这些研究工作中，解放军后勤工程学院邓明晰教授在《平面固体结 构中兰姆波二次谐波的发生与传播研究》在理论上他首次给出了兰姆波积累二次谐波声 场的解析解，并通过实验证明了兰姆波的强烈非线性效应。Deng和PruellC等分别在 《Analysisofsecond-harmonicgenerationofLambwavespropagatinginlayered planarstructureswithimperfectinterfaces))((Evaluationoffatiguedamage usingnonlinearguidedwaves.SmartMaterialsandStructures〉〉中石开究了 非线性 Lamb波的二次谐波的积累效应对板中的疲劳损伤检测的可行性进行分析。PruellC等 在《EvaluationofplasticitydrivenmaterialdamageusingLambwavesApplied PhysicsLetters》中通过非线性Lamb波对板中疲劳损伤进行分析。邓明晰在《层状 固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法》提出应力波损伤因子的概念对层状固体 板结构的疲劳、高温蠕变和表面性质微小变化的非线性累积损伤进行了研究。XuΗ等 在〈〈Time-frequencyanalysisfornonlinearLambwavesignal〉〉中通过时步页分析的 方法对通过理论和实验分析了铝板中非线性Lamb波的二次谐波的激发效率。LiW等在 ((DetectionofthermalfatigueincompositesbysecondharmonicLambwaves〉〉中 应用非线性Lamb波对热损伤的材料进行检测与评估。美国乔治亚理工学院的Kim教授在 《Feasibilityofusingnonlinearguidedwavestomeasureacousticnonlinearity ofaluminum》、美国西北大学的曲建民教授在《材料力学性能退化的超声无损检测与评价》 对不同金属板结构中微裂纹、塑形应变、疲劳损伤等缺陷进行了检测。以上都是通过非线性 Lamb波的二次谐波方法对板中疲劳损伤的检测，但是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，导致最终结果不准确。孙俊俊等在《结构微裂纹混频非线性超声检 测方法研究》中采用异侧激励模式下对钢制试块中闭合裂纹进行了共线混频检测。樊仲祥 等在专利[一种用于微裂纹长度测量的非共线混频超声检测方法]基于非共线检测方法对 对钢制试块中闭合裂纹进行混频检测。Croxford等在《Theuseofnon-conlinearmixing fornonlinearultrasonicdetectionofplasticityandfatigue〉〉中利用斜探头在错制 试件两端激励斜入射剪切波，实现了试件中塑性变形及疲劳损伤的检测。周正干等在《SiCP 颗粒增强铝基复合材料非共线非线性响应试验观察》及专利[一种非共线非线性超声无损 检测方法]中利用非共线激励方法对SiCp颗粒增强铝基复合材料的均匀性进行了混频检 测。以上的方法都是基于体波混频进行检测，由于体波混频的方法无法对板材中微缺陷进 行检测。目前，在板结构非线性兰姆波研究中，除在文献《AfeasibilitystudyforLamb wavemixingnonlineartechnique》中利用混频效应对板结构中热损伤进行了可行性验证 外，利用混频效应对板结构早期损伤，特别是疲劳裂纹的检测，还鲜见报道。所以本专利发 明一种基于非线性Lamb波混频效应的方法对板中微裂纹进行检测。本发明可以克服仪器 以及探头本身非线性的影响，使用非线性Lamb波混频的方法对板中的微裂纹进行准确的 检测以及评估。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提出一种非线性Lamb波混频的方法对板中微裂纹进行检测与评价。 该方法采用一激一收检测模式，即一个固定角度斜探头同时激励两个频率的单一S0模态 Lamb波信号通过不同钢板试件中不同长度的微裂纹，然后用一个固定角度斜探头进行接 收。将接收到的信号进行FFT分析，提取和频成分和两个基频成分，最后依据非线性系数对 不同微裂纹长度进行评价。最后根据时频分析确定产生的和频成分的模态。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种非线性Lamb波混频超声检测方 法，当板材中存在闭合裂纹时一维非线性弹性波动方程表示为
[0008]
(1 )
[0009] 式中：c为声波在介质中传播速度；x为声波传播的距离；β为非线性声学特征系 数；u为质点振动位移，其与应变ε(x，t)之间的关系为=
[0010] 根据波扰动理论，并利用逐步近似解法求解时，设式（1)的解为：
[0011] u(x,t) =U(o)+0U(1) (2)
[0012] 式中：u(1)表示由于非线性引起的位移。若定义u(1)与波传播方向成正比，则：
[0013] u(1) = xf( τ ) (3)
[0014] 式中：τ=t-x/c;而f(τ)为待定的未知数。
[0015] 现定义输入两个频率的超声信号，BP
[0016] u°(x,t) =A^os(f!τ) +A2cos(f2τ) (4)
[0017] 式中：ApA2为谐波幅值；fpf2分别为两谐波的中心频率，与波速c、波数h的关系 为fi=k
[0018] 将式⑷和⑶代入（2)，进一步代入式⑴得到：
[0019]
[0020] 故求得质点振动位移u(X，t)为
[0021]
[0022] 从（6)可知，除信号频率匕和f2外，还产生高频谐波2fJP2f2以及混频信号频率 成分，即fi-fjPf1+f2。因此，混频现象理解为两个以上位移场的叠加情况下出现的材料非 线性超声。由式（6)得到基频幅值A^) = A(f2) =A2，和频幅值從=
[0023] 如果能够从测量信号中提取各阶频率分量的幅值，非线性系数计算如下
[0024]
[0025] 在传播距离和波数相同的条件下，简化为非线性系数β如下，
[0026]
[0027] 为实现上述技术方案的分析，本方法采用的试验装置参见图2,该系统包括计算 机（1)、非线性声学测量系统（2)、信号选择器（3)、数字示波器（4)、50Ω负载阻抗匹配 (5)、可调衰减器（6)、超声波激励探头（7)、待测试件（8)、超声波接收探头（9);计算机（1) 与非线