非線性共振聲譜法無損檢測固體中的裂紋的製作方法

2023-04-27 17:53:31

專利名稱：非線性共振聲譜法無損檢測固體中的裂紋的製作方法
技術領域：
本發明涉及無損檢測固體中的裂紋的新方法，即採用非線性共振聲譜法對固體材 料的裂紋進行定徵。
二背景技術：
建築材料在使用過程中會產生老化和裂紋的現象，裂紋大量地存在於工程結構中， 如何快速地識別它們的位置和形狀，是無損檢測的主要任務。近年來,無損檢測(NDT) 技術在工業中的應用向定量化和無損評價(NDE)的方向發展。
目前用於表面微裂紋檢測的常規方法有:超聲法、渦流法、射線探傷法等[1 5]。 超聲法的基本原理:利用超聲波在介質中傳播的性質來判斷工件材料的缺陷和異常。 超聲檢測主要是利用超聲波在傳播過程中遇到異質界面時產生的透射、反射和折射現 象，對超聲信號進行分析與處理而提取出缺陷的特徵。
隨著科學技術的發展,許多物理現象被不斷加以利用，使常規方法不斷發展，例如 電磁超聲檢測技術(EMATS)和雷射超聲檢測技術也隨之產生並被應用。 電磁超 聲方法是基於渦流和磁場的交互作用，利用電磁超聲探頭產生和接收超聲導波的一種 非接觸式檢測技術。雷射超聲檢測是近幾年發展起來的一項檢測新技術,它通過將強 度被調製的脈衝雷射束照射在被測件表面產生超聲波，經改變實驗參數，雷射超聲源 能激發出縱波、橫波、表面波等各種導波。由於超聲信號既可由雷射激勵產生,又可 利用光學方法檢測，因此能實現完全非接觸檢測和快速掃描成像，更便於在高溫、強震 等惡劣條件下實現無損檢測[6]。此外,利用鎖模雷射器,很容易獲得與雷射脈衝寬度 相近的超聲脈衝，其頻帶遠寬於常規換能器所產生的超聲，因此，基於超聲衍射方法形 成的缺陷檢測技術,對被測件表面及近表面的微小裂紋都很敏感,檢測準確度也比其 他無損檢測方法高[7,8]。
但是目前對此材料的超聲檢測方法還只是限於一種線性的參量，例如聲速和聲衰 減，通過有缺陷情況下聲速和聲衰減的變化來探測固體內部的缺陷。這種方法有明顯 的缺陷，即對較大的缺陷很敏感，但對一些很小，很細微的缺陷(比如裂紋)就很不敏 感。所以需要發展一種新的技術，能檢測到固體內部的裂紋的位置。 [l]. 無損檢測學會.無損檢測新技術.北京:機械工業出版社，1993. [2]. 應崇福.超聲學.北京:科學出版社，1990.. C B Scruby. Some application of laser ultrasound. Ultrasonics,
1989 ,127 :195 —209. [4]. Huge savings in large area and complex surface inspection using laser
ultrasonic. Insight, 1996 ,38 (1). [5]. Q Shan. Surface breaking fatigue crack detection using laser
ultrasound . Appl Phys ， 1993 ， 62 (21). [6]. 王淑娟，趙再新，翟國富，基於電磁超聲的火車車輪裂紋檢測系統，儀表技術
與傳感器，2005,11:27-29 [7]. 蘇琨，任大海，李建，尤政，基於雷射超聲的微裂紋檢測技術的研究，光學
技術，2002， 28， 6: 518-522 [8]. J P Monchalin. Laser ultrasonic developments towards industrial
applications. IEEE Ultrasonics Symposium. 1988.
發明內容
研究表明在固體棒的共振模式下，聲波在帶有裂紋的固體中傳播時會產生很明顯 的非線性現象，即除了有基波外，還會產生高次諧波，而且奇次諧波比偶次諧波要更
為明顯，這是非經典非線性聲學的一個特徵。本發明目的是提出一種新型的無損檢 測固體材料的裂紋的方法，即非線性共振聲譜法，即分析接收信號中的高次諧波的變 化，來檢測裂紋的位置。在此基礎上，可進一步研究採用此方法測定建築材料的損壞、 疲勞損傷的程度，利用此方法對核電站、化工廠設備、大壩等由地震活動引起的裂紋 位置、尺寸進行監控，協助設計防震結構。
本發明的技術方案非線性共振聲譜法檢測固體裂紋的方法為先採用壓電材料 製備的探頭對固體材料發射聲波，採用加速度計來接收通過固體材料後的聲信號，探 頭激發的聲波的頻率為固體材料(標準棒)的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號 的功率譜，從而得到高次諧波的大小；根據固體材料(標準棒)上裂紋的位置和高次 諧波關係，反推實際固體材料裂紋的位置。
利用接收到信號的高頻諧波分量來反推裂紋的位置，根據理論分析當己知奇 次諧波之比，我們就可以利用下列公式來反推裂紋的位置
採用一端固定， 一端自由非對稱邊界條件的方式，可推知
裂紋距離自由端的位置Xd:
formula see original document page 4這裡L為棒長，X3，,和Xw為第一共振模式下的三次諧波和五次諧波的幅值。在第二 模式可得到類似的結果。
本發明與現有技術相比具有的優點是現有的聲學方法是採用線性的方法，即採 用聲速和聲衰減，只能檢測到尺度較大的缺陷，而本發明提出的方法可以檢測微米級 的裂紋，可對固體材料的早期疲勞提供參考依據。
本發明結構的特點是在固體棒的共振模式下激發換能器，用加速度計來接收 信號，然後分析其頻譜，從而得到其各次高階諧波大小。根據高階諧波與裂紋位置的 關係，結合非線性共振頻率的偏移，反推裂紋的位置。
四

圖1實驗系統框圖
圖2參考樣品的實驗結果
圖3破損樣品的實驗結果
圖3(a)破損距離自由端120 mm;圖3(b)破損距離自由端40mm。
五具體實施例方式
實驗系統測量框圖見圖l所示，為驗證理論的正確性，我們製作了一系列混凝土 樣本對透射聲波進行分析。混凝土樣本由水泥和細沙按l: 3比例混合攪拌均勻，置 入木板做成的模型後凝固形成。木板模型為長方體，統一尺寸為長0.16 m，寬0.06 m， 高0.06m。為觀測非經典非線性，我們在一樣本上人為製造了一破損區域模擬裂紋的 存在。具體製作方法是在樣本長度方向上0.012 m處，埋入一兩端封閉的空心硬質塑 料管代替裂紋，塑料管長0.03m，直徑為0.003 m。
實驗時，接收換能器與發射換能器分別置於混凝土長的兩端，樣品第一共振頻率 在4kHz左右，第二共振頻率在10KHz左右，由於換能器帶寬和功率限制，我們選 擇在第二共振模式下進行實驗，信號採用調製信號，脈寬為10ms， 一個脈寬中含50 個周期。對於無損樣品，發射信號取300mv，透射信號的功率譜如圖2。從圖(2)可以 知道，無損樣品的第二共振頻率為10.006 KHz，經典非線性對於三次以上的高次諧波 影響極小，可以忽略，但對二次諧波影響還是非常明顯。將樣品替換為有損樣品，此 時破損距離自由端(加速度計端)為120 mm，發射信號為300mv時，接收到的信號功 率譜為圖3a，此時非線性共振頻率的偏移為94Hz。將樣品反轉18(A此時破損距離 自由端(加速度計端)為40mm，接收到的信號功率譜為圖3b,此時非線性共振頻率 的偏移為18Hz。
根據公式(2),結合非線性共振頻率的偏移(缺陷離自由端越遠，非線性共振頻率 偏移越大)。我們得到第一種情形樣品的缺陷位置為^ =123.1 mm "=》=0.121);
第二種情形樣品的缺陷位置為^=43.8圓"=，=0.207)，與實際缺陷位置基 本吻合。
權利要求
1、非線性共振聲譜法無損檢測固體中的裂紋的方法其特徵是先採用壓電材料製備的探頭對一端固定、一端自由的固體材料標準棒發射聲波，採用加速度計來接收通過固體材料後的聲信號，探頭激發的聲波的頻率為固體材料標準棒的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號的功率譜，從而得到高次諧波的大小；根據固體材料標準棒上裂紋的位置和高次諧波關係，反推實際固體材料裂紋的位置採用一端固定，一端自由非對稱邊界條件的方式，推知當裂紋距離自由端的位置Xd這裡L為棒長，X3，1和X5，1為第一共振模式下的三次諧波和五次諧波的幅值。在第二模式可得到類似的結果。
2、 根據權利要求1所述的非線性共振聲譜法無損檢測固體裂紋的方法其特徵 是發射端的樣品通過實驗支架與負載緊密相聯，從而保證發射端為絕對硬邊界，即固 定端；加速度計通過耦合劑與樣品的另一端相聯，在樣品和加速度之間加一0.09 kg 的鋁板以增加它們之間的耦合性。加速度計和鋁板的總重量很輕，因此可以看成是聲 學軟邊界，即自由端。
3、 根據權利要求1所述的非線性共振聲譜法無損檢測固體裂紋的方法其特徵是採用兩種樣品用於實驗， 一種是水泥和細沙混合的樣品，沒有塑料管的填埋，我們 稱之為參考樣品。另一種是破損樣品，在水泥和細沙混合物有一個中空塑料管的填埋，塑料管的方位與樣品的長度方向垂直，填充物的位置與棒的中點相距40 mra。實驗中 的第一種情形，破損樣品中的塑料管與自由端的距離為120 mm;實驗中的第二種情 形，將樣品反轉180°，破損樣品中的塑料管與自由端的距離為40 mra。
全文摘要
非線性共振聲譜法無損檢測固體中的裂紋先採用壓電材料製備的探頭對一端固定、一端自由的固體材料標準棒發射聲波，採用加速度計來接收通過固體材料後的聲信號，探頭激發的聲波的頻率為固體材料標準棒的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號的功率譜，從而得到高次諧波的大小；根據固體材料標準棒上裂紋的位置和高次諧波關係，反推實際固體材料裂紋的位置。本發明可無損檢測固體中的微小裂紋，所得的參量對裂紋的變化比線性聲學參量敏感。
文檔編號G01N29/14GK101393172SQ20081015545
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月22日 優先權日2008年10月22日
發明者劉曉宙, 到 周, 朱金林, 瞿文心, 龔秀芬 申請人:南京大學