一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法和装置

摘要

本发明公开一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法和装置，通过扫频激励电磁超声横波并获取试件中所有的超声横波共振频率，选择合适的共振三次谐波频率f及其所对应的非共振基波频率f/3，分别激励相应频率的信号并在接收信号的频谱中获取三次谐波幅值A

说明书

技术领域

本发明公开一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法和装置，按国际专利分类表(IPC)划分属于材料测试技术领域，具体是涉及利用非线性超声波对材料性能进行非破坏性评估和表征的技术。

背景技术

电磁超声检测技术是目前发展和应用相对较为成熟的非接触式超声无损检测技术，主要原理为利用磁场作用下的金属材料中的感应涡流受洛伦兹力作用，或磁场作用下铁磁性材料受磁致伸缩作用，从而在材料中激发超声应力波进行材料的检测与评估，检测过程无需耦合剂，可实现在线快速检测。当前在超声检测与评估技术中被广泛使用的超声物理属性有声速、衰减等。但在检测厚度较小的试件时超声波的激励频率需要相当高才能得到回波无重叠的可分析信号。除此之外，非线性超声与线性超声相比具有更高的检测敏感性，利用超声波的非线性响应来评价和预测各种金属及复合材料的早期微观损伤也得到日益增长的关注。然而，限于目前电磁超声换能器的能量转换效率普遍很低，通常需要较大的设备输出功率来激发电磁超声，得到具有一定信噪比的超声检测信号。

金属及其合金是国内外各行业领域被广泛使用的材料，而疲劳、腐蚀和裂纹等是它们主要的失效形式。在一些重要的应用场合如核电站、高温生产环境等，非接触式超声拥有天然的检测优势。当利用电磁超声换能器检测材料时，在材料中传播的超声波的能量与用压电换能器激励相比低了几个数量级，物体内相应的质点振动位移也较小，从而使得超声波对于材料的早期损伤、缺陷以及微观结构变化的非线性响应也十分微弱。这种现状使得利用普通电磁超声换能器来接收检测过程中超声波传播所产生的高次谐波来分析材料的非线性响应状况从而评估材料变得相当困难，而开发较大功率的电磁超声探头又势必导致设备的体积增大和检测成本的提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法，是一种基于非线性超声方法和电磁谐振技术的金属材料检测和评估的技术。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法，将经过热处理的试件，分两步导入相应的共振三次谐波频率超声信号和非共振基频超声信号，从接收信号中获取上述超声波的三次谐波频谱幅值A₃和基波的幅值A₁，计算出试件的共振相对三次非线性声学参数γ_r，其中γ_r＝A₃A₁；基于得到的相对三次非线性声学参数的值γ_r，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的非线性声学参数的不同，定性和定量地评估金属材料的退火热处理效果。

本发明的另一目的是提供一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的装置。

一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的装置，包括信号激励/接收器、电磁超声激励探头、电磁超声接收探头、前置放大器、示波器和计算机，信号激励/接收器激励适合试件的一定频率超声波信号，连接电磁超声激励探头，超声波信号被导入到试件中，在试件的另一端连接电磁超声接收探头检测传播的声波信号，经前置放大器后进行滤波送入到示波器中，示波器获取接收到的信号波形将其输入计算机中；由信号激励/接收器获得的数据也一并输入计算机进行信号分析。

进一步，所述电磁超声激励探头、接收探头以及被检试件在检测时固定，保证在检测中彼此之间距离不变。

本发明一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法和装置，利用一定装置获取三次共振谐波幅值A₃和非共振基波幅值A₁，即可计算出试件的共振相对三次非线性声学参数γ_r，用γ_r来有效地表征材料性能发生的相对变化。以完好试件测得的共振相对三次非线性声学参数作为评价基准，对比测试和评估其他同类材料即可判断出被检试件的退火热处理效果。

本发明基于超声横波的三次谐波与材料微观结构的直接关系，克服了电磁超声换能器传输能量低的问题，提高了超声非线性响应的信噪比；检测过程非接触，可保证非线性超声测试中的耦合状态稳定一致，并实现对高温、极端在役环境下的材料和构件监测与评估；对被检材料的厚度没有限制，可以用于现场、实时、快速检测并评估金属材料的热处理效果。

附图说明

图1是本发明检测装置中的电磁超声共振原理示意图。

图2是本发明检测装置的接线示意图。

图3是本发明检测装置所测得的试件的谐振频谱示意图。

图4是所测得的未经处理的完好试件基波和三次谐波频谱对比图。

图5是测得的经过退火热处理的试件的基波和三次谐波频谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：请参阅图1至图4，一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的装置，包括信号激励/接收器1、电磁超声激励探头2、电磁超声接收探头3、前置放大器4、示波器5和计算机6。信号激励/接收器1激励一定频率的超声波信号，连接到电磁超声激励探头2并导入到试件M中，在试件M的另一端连接电磁超声接收探头3，检测传播的声波信号，经前置放大器4后进行滤波送入到示波器5中，示波器5获取接收到的信号波形将其输入计算机6中；由信号激励/接收器1获得的数据也一并输入计算机6中进行信号分析。

一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法，将经过热处理的试件，分两步导入相应的共振三次谐波频率超声信号和非共振基频超声信号，从接收信号中获取上述超声波的三次谐波频谱幅值A₃和基波的幅值A₁，计算出试件的共振相对三次非线性声学参数γ_r，其中γ_r＝A₃A₁；基于得到的相对三次非线性声学参数的值γ_r，比较完好材料和经过不同程度退火热处理材料的非线性声学参数的不同，定性和定量地评估金属材料的退火热处理效果。该方法是基于：(1)传播介质中微小的组织结构变化能导致明显的声波非线性响应的不同，尤其是横波的三次谐波对材料中的位错信息较敏感，(2)超声波共振方法能显著提高电磁超声非线性响应信号的信噪比，弥补电磁超声换能器能量转换效率低的问题，(3)共振法对被检测试件的厚度无特殊限制(4)电磁超声换能器能在极端、高温等特殊环境下实现材料检测，与被检测试件的耦合效果稳定一致。

一种非线性电磁超声谐振评估材料热处理效果的方法，其检测步骤：

1)将被检试件M靠近电磁超声激励换能器(电磁超声激励探头2)和接收换能器(电磁超声接收探头3)，并采用一定方式固定，如捆绑、辅助连接固定等；

2)由换能器激励出一种较宽的扫频信号，通过计算机6分析接收信号并得到试件的谐振频谱如图3所示；

3)从试件M的谐振频谱中选择出合适的共振三次谐波频率f和非共振基波频率f3；

4)由电磁超声换能器(电磁超声激励探头2)激励出步骤3)所选择出的共振三次谐波频率f信号并导入被检试件M，再由接收换能器(电磁超声接收探头3)接收并经前置放大器4放大信号并返回至接收单元(信号激励/接收器1)；

5)接收单元(信号激励/接收器1)将接收的信号滤波并取一定次数平均，选择适当且较宽的信号区间进行加窗傅里叶时频变换，并在所得频谱中提取步骤3)中的共振三次谐波频率f处对应的幅值A₁；

6)由电磁超声换能器激励出步骤3)所选择出的非共振基波频率f3信号并导入被检试件M，再由接收换能器接收并经前置放大器4放大信号并返回至接收单元(信号激励/接收器1)；

7)接收单元(信号激励/接收器1)将接收的信号滤波并取一定次数平均，选择适当且较宽的信号区间进行加窗傅里叶时频变换，并在频谱中提取步骤3)中的共振三次谐波频率f处对应的幅值A₃；

8)计算共振相对三次非线性声学参数：

共振相对三次非线性声学参数γ_r的值与步骤5)和步骤7)所获得的幅值相关，其计算公式为

其中A₃和A₁分别是激励三次谐波频率f和激励基波频率f3信号时各自在频谱中对应频率为f处的幅值；

9)基于得到的共振相对三次非线性声学参数γ_r的值，选择完好材料的非线性物理参数作为评价基准，对比检测评估其他经过不同程度热处理的同类金属材料。

在检测过程中，为保证电磁超声换能器与试件之间的非接触耦合状态稳定一致，测量中电磁超声换能器需要被安置在试件附近一固定距离处。检测过程中使用的电磁超声换能器为单模态超声激励换能器，既可以在铁磁性材料中利用磁致伸缩效应产生超声波，也可以在非铁磁性材料中利用洛伦兹力产生超声波，试件可以是铁磁性材料或非铁磁性材料。步骤3)中，为利用超声在试件中的共振效应来提高非线性响应，需要先扫频，结合超外差相敏检波法测量出材料的谐振频谱，然后从谐振谱中选择出合适的共振谐波频率和相应的非共振基波频频，以进行共振非线性参数的构造。

本发明原理：

超声波在含有位错、滑移、孔洞、腐蚀、裂纹等微观组织结构不均匀的介质材料中传播时，会发生波形畸变，产生双倍频二次谐波、三倍频三次谐波等，这些被称为超声波的非线性响应。一般而言，材料的微观组织结构越不均匀(微观缺陷越多)，超声波的非线性响应越明显。而基于电磁超声共振的方法可以在提高信号强度的同时将材料的非线性响应测量出来，根据测量的超声波非线性响应构造相应的参数即可用于表征材料内部组织结构。

本发明是一种利用非线性超声方法评估金属材料热处理效果的新技术，其利用非破坏性的方式精确评估经过不同热处理后的金属材料的性能变化。本发明基于热处理可以改变材料的微观结构，而超声传播的非线性响应和材料的微观结构有直接的关系，尤其是超声横波的三次谐波与材料中的位错信息息息相关。以退火为例，经过退火热处理的材料，内部位错结构逐渐恢复，晶粒开始形核并逐渐长大，时间越长，塑性越大，而超声传播的声学非线性响应则越小，直到达到一定极限。通过本发明方法，可以有效测试经过不同退火热处理后的试件的超声非线性响应的变化，对材料退火热处理效果进行无损评估。

图4、图5是所测得的未经处理的完好试件和经过退火热处理的试件的基波和三次谐波频谱对比图，以退火处理为例，材料在经过退火热处理后，内部原有的组织结构发生改变，位错减少，发生再结晶，而所测得的共振非线性参数γ_r也会减小。

本发明基于传播介质中微小的组织结构变化也能导致明显的声波非线性响应不同，开发出一种基于非线性电磁超声三次谐波共振方法的热处理效果评估和优化技术。这项技术对材料经过不同热处理工艺后微观结构的变化非常敏感，可以快速、有效的评估出热处理效果的优劣，乃至优化热处理工艺参数。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。