一种基于有限幅度法的金属块闭合裂纹检测定位方法

摘要

本发明涉及一种基于有限幅度法的金属块闭合裂纹检测定位方法。本发明由信号发生器产生一列正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，斜入射的超声波通过楔块传递到金属块作为检测信号，带动金属块内的闭合裂纹周期性张开和闭合，使得声波发生畸变产生高次谐波，带有高次谐波的检测信号大部分被裂纹面反射，由接收换能器接收检测信号并通过示波器显示和储存。本发明用楔块连接金属块与换能器，通过使用不同倾斜角的楔块可以改变超声波入射到金属块的角度，因此可以避免裂纹开口正对检测声波传播方向的情况，提高裂纹检出概率，同时发射和接收换能器在金属块的同一侧检测时更加方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于有限幅度法的金属块闭合裂纹检测定位方法。

背景技术

完整的金属在应力作用下，某些薄弱部位发生局部破断而形成裂纹。裂纹通常在金属使用中是会扩展的，它不仅直接破坏了金属的连续性，而且裂纹的尾端必然会引起应力集中，促使金属构件在较低的应力条件下发生裂纹扩展，最终发生断裂和失效事故。因此，有必要研究一种能够准确检测金属材料早期塑性变形和疲劳裂纹的技术，超声无损检测技术与其它无损检测技术相比，具有缺陷定位准确、检测灵敏度高、对人体无害等诸多优点。但传统线性超声检测技术由于原理上的局限性只能停留在定性分析阶段，无法实现对微裂纹的定量评价和精确定位。近年来，力学、声学和材料学领域的一些研究发现，结构内部疲劳损伤引起的力学性能的改变通过非线性超声能够得到很好的反应，即使非常小的裂纹，也会导致结构出现明显的非线性。有限幅度法是目前使用最多的非线性声学方法之一，固体介质的材料非线性主要来源于材料内部的微观缺陷，单一频率超声波在材料中传播时，会与这些微小缺陷相互作用产生非线性特性，从而产生高次谐波。通过对高次谐波的观察研究，就可以对被检材料的内部进行有效的早期疲劳损伤无损检测和评估。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于有限幅度法的金属块闭合裂纹检测定位方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明由信号发生器产生一列正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，斜入射的超声波通过楔块传递到金属块作为检测信号，带动金属块内的闭合裂纹周期性张开和闭合，使得声波发生畸变产生高次谐波，带有高次谐波的检测信号大部分被裂纹面反射，由接收换能器接收检测信号并通过示波器显示和储存；通过三维精密运动控制系统使得发射换能器在金属块表面缓慢移动直到接收换能器接收到的检测信号中高次谐波幅值最大；然后再 由三维精密运动控制系统让接收换能器在金属块表面缓慢移动直到寻找到检测信号中高次谐波幅值最大的位置；此时根据两个换能器的距离、入射角度推算出闭合裂纹在铝块中的位置。

本发明的有益效果：用楔块连接金属块与换能器，通过使用不同倾斜角的楔块可以改变超声波入射到金属块的角度，因此可以避免裂纹开口正对检测声波传播方向的情况，提高裂纹检出概率，同时发射和接收换能器在金属块的同一侧检测时更加方便。当闭合裂纹位于发射换能器声波传播路径，接收换能器位于反射声波传播方向时，检测信号中的高次谐波幅值最大。此时通过计算两个换能器在金属块上的距离、角度，可以推算出闭合裂纹在金属块中的位置。

附图说明

图1为检测原理图。

图2为检测装置示意图。

图3为传感器夹具示意图。

图4为是接收换能器未动，发射换能器移动时高次谐波的实验数据图。

图5为接收换能器移动到检测信号中高次谐波最大位置时的实验数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

有限幅度法可以对微裂纹敏感，能与其相互作用产生高次谐波。目前常规的有限幅度法检测闭合微裂纹都是向试件垂直发射超声波，但当裂纹的开口正对检测声波传播方向时，超声波无法使其发生张开和闭合现象从而无法产生高次谐波。并且高次谐波只能反映裂纹的尺寸，而无法得知其在试件中的位置。本发明提出了一种斜入射有限幅度法检测、定位金属块闭合微裂纹的方法，并设计了相应的检测装置。通过改变超声换能器的位置和角度可以避开声波传播方向正对裂纹开口的情况，能够提高裂纹检出率。并且可以根据发射换能器与接收换能器之间的角度和距离推算出裂纹在金属块中的位置。

本发明的基本原理在于：

斜入射的超声波带动金属块内的闭合裂纹周期性张开和闭合，使得声波发生畸变产生高次谐波。但因为超声波在它的传播方向上能量最强，所以只有当闭合裂纹位于声波传播路径中时，超声波与裂纹的相互作用最大会产生最明显的高次谐波。同时与裂纹相互作用带有高次谐波的检测信号大部分会被裂纹面反射，因此当接收换能器位于反射声波传播方向时接收到的检测信号性噪比最 高，高次谐波幅值也最大。此时通过计算两个换能器的距离、角度便能推算出闭合裂纹在金属块中的位置。

为了更加具体地描述有限幅度法，下面将通过公式推导来解释有限幅度法的物理机理。对于大部分材料，应力δ与应变ε成非线性关系。在小区间内，可由胡克定律来描述，如公式(1)所示

σ＝Eε(1+βε+…)(1)

式中，E是弹性模量，β是非线性系数。

在一维条件下的各向同性体中，波动方程为：

$\rho \frac{{\partial }^{2}u}{\partial t^2}=\frac{\partial \sigma }{\partial x}---\left(2\right)$

式中t为时间，ρ为介质密度，x为波传播距离，u为介质内位于x处的质点位移。

联立式(1)和式(2)，并忽略式(2)中二阶项以上的高阶项，利用质点位移和应变的关系，可以得到关于质点位移u(x,t)的相关方程

$\frac{{\partial }^{2}u}{\partial t^2}-c^2\frac{{\partial }^{2}u}{\partial x^2}=c^2\beta \frac{\partial u}{\partial x}\frac{{\partial }^{2}u}{\partial x^2}---\left(3\right)$

式中c为波速。

利用微扰近似理论，得到方程的近似解为：

u(x,t)＝u₁+u_n1(4)

式中：u₁为线性位移；u_n1为非线性位移，则式(3)可写为

$\frac{{\partial }^{2}u}{\partial t^2}+\frac{{\partial }^2{u}_{n1}}{\partial t^2}=c^2(\frac{{\partial }^2{u}_1}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^2{u}_{n1}}{\partial x^2})[1+2\beta (\frac{\partial u_1}{\partial x}+\frac{\partial u_{n1}}{\partial x})]---\left(5\right)$

此时，如果把线性解设为如下形式

u₁＝A₁>

式中，ω为声波频率；若λ为波长，则k＝ω/c＝2π/λ为波数。应用多试解法和尺度法和，且在解的过程中忽略高阶小量，就可以得到式(3)和式(5)的近似解

u₁＝u₁+u_n1＝A₁>2>

式中，A₁和A₂分别代表基波和二次谐波幅值，并且

$A_2=\frac{\beta }{8}{A}_1^2{k}^{2}x---\left(8\right)$

由式(7)可以发现，表示非线性响应的二次谐波的幅值A₂与β有关，故β可以作为描述介质非线性的一个参数，如式(9)所示

$\beta =\frac{8}{k^{2}x}\frac{A_2}{A_1^2}---\left(9\right)$

从式(9)中可以看到，通过测量接收信号的基波与谐波的幅值可以求得β，并用以描述材料的非线性。在实际应用中经常使用β^·代替β。

${\beta }^{·}=\frac{A_2}{A_1^2}---\left(10\right)$

这就是基于二次谐波产生的有限幅度法测量非线性的基本测量原理。在实际的检测过程中，可能会观测到诸如三次谐波等更加高次的谐波，这种现象一般与材料和缺陷的性质有关。

结合附图对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，该装置包括信号发生器1、功率放大器2、发射换能器3、楔块4、金属块5、楔块6、接收换能器7、示波器8、三维精密运动控制系统9。其中三维精密运动控制系统主要由工作台10、运动电机11、丝杆12、导轨13、分度头14、传感器夹具15组成。传感器夹具如图3所示，由螺栓16、转动头17、螺栓18、直杠19组成，螺栓16固定传感器，螺栓18调整转动头17的角度，直杠18与分度头14连接。

如图1所示，由信号发生器产生一列高频率的正弦波，经过功率放大器放大后激励发射换能器产生大振幅超声波，超声波通过楔块传递到金属块并在金属块中与裂纹相互作用产生高次谐波，由接收换能器接收检测信号并通过示波器显示和储存。通过三维精密运动控制系统使得发射换能器在金属块表面缓慢移动直到接收换能器接收到的检测信号中高次谐波幅值最大。然后再由三维精密运动控制系统让接收换能器在金属块表面缓慢移动直到寻找到检测信号中高次谐波幅值最大的位置。此时根据两个换能器的距离、入射角度推算出闭合裂纹在铝块中的位置。

实施例：

以长500mm、宽250mm、高300mm，中间存在人工制造的闭合裂纹的铝块作为检测对象，按照图1、图2搭建检测系统。系统包括信号发生器、功率放大器、超声换能器一、超声换能器二、楔块一、楔块二、三维精密运动控制系统。发射超声换能器的中心频率为1.39MHz，由于频率为f的超声波与缺陷相互作会产生频率为nf(n＝1,2,3…)的高次谐波。所以选择中心频率及带宽要 较大的接收超声换能器。由信号发生器产生1.4MHz频率、5V电压的正弦波，通过功率放大器放大20dB后激励换能器产生大振幅超声波。再由另一个换能器接收与闭合裂纹相互作用产生了高次谐波的检测信号，并用示波器储存和显示。用三维精密控制系统移动发射换能器使检测信号中的高次谐波幅值最大，然后再移动接收换能器寻找检测信号中高次谐波最大的位置。根据两个换能器的距离、入射角度推算出闭合裂纹在铝块中的位置。

图4是接收换能器未动，发射换能器移动时高次谐波最明显的实验数据。图5是接收换能器移动到检测信号中高次谐波最大位置时的实验数据。可以发现此时检测信号信噪比和高次谐波幅值都有所提高。根据两个换能器的角度和在金属块上的位置推算出的裂纹位置，经计算它和实际裂纹位置误差在5％以内。