材料性能退化的非线性导波评估方法与装置

摘要

本发明涉及检测领域。本发明提出一种材料性能退化的非线性导波评估方法，包括步骤：(A)激励基频兰姆波信号，挑选二阶谐波；(B)进行固定；(C)产生一基频；(D)固定信号接收单元；(E)窄带信号耦合并接收；(F)接收信号并存储；(G)改变导波信号在被检测材料中传播的距离；(H)计算检测信号的群速度值；(I)将与基频信号速度不同信号滤掉；(J)用时-频变换得到频域内基频与双倍频二阶谐波信号；(K)多次重复步骤(G)-(J)；(L)表征材料非线性β的变化；(M)对被检测材料进行评估。本发明的材料性能退化的非线性导波评估装置，包括：一第一计算机、一信号发生器、一信号激励单元、一信号接收单元、一示波器、以及一第二计算机。本发明用于材料检测。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别涉及超声波检测，具体是利用超声导波在 复合材料结构中传播发生非线性响应来来评估材料性能退化的方法与装置。

背景技术

复合材料在航空工业中广泛运用，因为其相对于传统金属材料的一些优势， 比如，更高的强度/质量比，更高的硬度/质量比。飞行器通常在多变条件下工 作，比如温度。在热循环中，热应力也出现在复合层压板中。这些循环热应力 可能引起和机械循环载荷类似的损伤，如分层，脱粘和基体损伤。考虑到航空 复合材料的长期使用和航空工程安全的重要性，即使一个小小的由热疲劳产生 的损伤往往需要非常注意，以防止发生不可预测的灾难性后果。因此，对航空 工业中的复合材料结构进行早期无损检测和评估是非常有必要的。

超声兰姆波在平面状结构检测中有着良好的表现，因此被广泛运用在复合 材料层压板中的检测、评估中。但是目前线性兰姆波只能用宏观损伤检测。对 复合材料结构进行微损伤、早期性能退化进行评估和检测一直是检测的难点。

兰姆波在传播介质中碰到微小的损伤也能引起其明显的非线性响应，而传 播过程中这种非线性响应也可有效应用于超声无损检测。其中典型非线性响应 现象为兰姆波二阶谐波产生。相对于完好的结构件，导波在有微观缺陷的结构 件中二阶谐波产生的非线性响应成量级式的增长，根据这种非线性响应的变化 可以有效检测和表征结构件中的微观缺陷。

而对于在复合材料中传播的兰姆波非线性响应，由于复合材料的高衰减率， 特别在热疲劳下性能退化分散，在其中监控、检测微小的二阶谐波振幅有难度； 同时由于兰姆波频散特性和多模态特性导致了在产生二阶谐波方面有难度。考 虑上述因素，需要提出一种有效提取非线性兰姆波信号以用于对复合材料性能 退化进行评估的解决之道。

发明内容

本发明提出一种用于检测对象材料热疲劳微观缺陷的非线性超声导波检测 方法与装置，其能够激励单个模态的兰姆波波信号，并利用相位匹配和群延迟 的方法选出合适的模态，提高系统对导波二阶谐波的检测能力，利用检测出来 的二阶谐波幅度的变化有效表征复合材料性能退化与装置。

本发明的技术方案如下：

材料性能退化的非线性导波评估方法，包括步骤：

(A),激励传播模式的基频兰姆波信号，挑选相速度相同的双倍频信号作为二阶 谐波；

(B),对被检测材料进行固定；

(C),利用信号激励单元来产生一基频的窄带信号；

(D),将信号接收单元固定于被检测材料表面；

(E),窄带信号经过耦合进入被检测材料传播，通过远端信号接收单元接收；

(F),接收信号并存储；

(G),改变导波信号在被检测材料中传播的距离；

(H),根据移动的距离和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群速度 值，确认检测信号的有效性；

(I),根据不同群速度，将与基频信号速度不同信号滤掉；

(J),用时-频变换得到频域内基频与双倍频二阶谐波信号，有效获得基频导波的 幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算数值；

(K),同一个被检测材料中,重复步骤(G)-(J)不少于5次,计算不同传播距离 下的A₂/A₁²数值和记下传播距离x的数值；

(L),利用以下公式斜率表征材料非线性β的变化：

$\beta =\frac{A_2}{{A_1}^{2}x}F,$

其中F表示非线性特征函数；

(M),对被检测材料进行评估，如果相对于传播距离x的斜率有明显的变 化，表征被检测材料内部存在微损伤，反之。

材料性能退化的非线性导波评估装置，包括：一第一计算机，连接于一信 号发生器；一信号发生器，输出端连接一信号激励单元，输入端连接一信号接 收单元；一信号激励单元，依次包括一高频猝发器和与之连接的一传感器；一 信号接收单元，依次包括一接收器和与之连接的一衰减器；一示波器，连接于 信号发生器，以及与一第二计算机连接；以及一第二计算机。

本发明采用如上技术方案，可以有效提取非线性兰姆波信号以用于对复合 材料性能退化进行评估。

附图说明

图1是本发明的一实施例的检测装置的示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

首先对本发明的检测方法基于的原理进行简要说明。

相位匹配：具有同样相速度的基频兰姆波，在传播了一段距离后只有正确 模态才会存留下来，其他模态会因为在材料中或是相互间破坏性扰动而发生衰 减，而此时那些表现出累积效应的双倍频兰姆波将会成为二阶谐波域的主要存 在，而其他组成速度不同的模态将被忽略。

群延迟分离：由于多模态特性，在激励时可能产生多个模态，会导致在产 生双倍频二阶谐波后模态混乱，利用一定长传播距离，由于群速度不同，模态 可以分离，提取需要的模态信号，再经过快速傅里叶变换，从而提取相匹配的 基频和双倍频二阶谐波信号。

本发明提出一种材料性能退化的非线性导波评估方法，包括步骤：

(A),激励传播模式的基频兰姆波信号，挑选相速度相同的双倍频信号作为 二阶谐波；优选的，是对激励在管道中传播的单个导波模态的激励挑选具有聚 集效应的双倍频信号作为一组相位匹配信号，进行检查。

(B),对被检测材料进行固定；优选的，被检测材料是通过夹具进行固定的。

(C),利用信号激励单元来产生一基频的窄带信号；优选的，产生基频的窄 带信号的信号激励单元是一个高能猝发音系统和一副窄带传感器，具体可以参 阅下文的进一步说明及图1所示。

(D),将信号接收单元固定于被检测材料表面；优选的，是利用耦合剂将信 号接收单元附着被检测材料表面，并对信号接收单元持久的施加机械力来保证 一致的接触条件。

(E),窄带信号经过耦合进入被检测材料传播，通过远端信号接收单元接收。

(F),接收信号并存储；优选的，接收信号经过放大器后进入示波器，在示 波器内进行500～1000次平均后存储；更优选的，是利用放大器增大二阶谐波的 幅度，通过对信号500次以上的平均，提高信噪比。

(G),改变导波信号在被检测材料中传播的距离；优选的，是通过移动信号 接收单元来改变导波信号的传播距离。优选的，信号接收单元每次改变位置后， 检测装置与耦合剂以及被检测材料之间的耦合状态保证不变，以保证信号的稳 定性。

其中优选的，上步骤(D)和步骤(E)、(F)中，信号激励单元和信号接收单元 均是经过滤波处理，减少检测装置带的噪音，提高信噪比。

(H),根据移动的距离和稳定的波形在时间轴上的变化，计算检测信号的群 速度值，确认检测信号的有效性。

(I),根据不同群速度，将与基频信号速度不同信号滤掉；优选的，是采用 群延迟的方法滤除与基频相近但群速度不同的信号，以更突出接收双倍频二阶 谐波的非线性信号。

(J),用时-频变换得到频域内基频与双倍频二阶谐波信号，有效获得基频导 波的幅度A₁和双倍频二阶谐波的信号幅度A₂，计算数值；优选的，是选择 稳态部分进行时-频变换，以获得清晰的基频信号幅值和双倍频二阶谐波幅值。

(K),同一个被检测材料中,重复步骤(G)-(J)不少于5次,计算不同传播 距离下的A₂/A₁²数值和记下传播距离x的数值。

(L),用以下公式斜率表征材料非线性β的变化：

其中F表示非线性特征函数；

我们根据兰姆波传播的特点，采用与传播距离x的比值征材料非线性的变 化，可以避免仪器非线性的干扰。

(M),对被检测材料进行评估，如果相对于传播距离x的斜率有明显的 变化，表征被检测材料内部存在微损伤，反之。

参阅图1所示，上述是材料性能退化的非线性导波评估方法中采用的一种 优选的检测装置。该材料性能退化的非线性导波评估装置，包括：

一第一计算机11，连接于一信号发生器12，该第一计算机11用于信号发 生器12的波形发生控制；

一信号发生器12，输出端连接一信号激励单元，输入端连接一信号接收单 元；

一信号激励单元，依次包括一高频猝发器151和与之连接的一传感器152；

一信号接收单元，依次包括一接收器161和与之连接的一衰减器162；

一示波器13，连接于信号发生器12，以及与一第二计算机14连接；

以及一第二计算机14，该第二计算机14用于对基频兰姆波信号进行处理计 算并进行对被检测材料进行评估。

优选的，所述的信号接收单元的接收器161和衰减器162均配有放大器。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员 应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式 上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。