非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹制造技术

非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹：先采用压电材料制备的探头对一端固定、一端自由的固体材料标准棒发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探头激发的声波的频率为固体材料标准棒的共振频率，用ＦＦＴ方法来分析接收信号的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料标准棒上裂纹的位置和高次谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置。本发明专利技术可无损检测固体中的微小裂纹，所得的参量对裂纹的变化比线性声学参量敏感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无损检测固体中的裂纹的新方法，即采用非线性共振声谱法对固体材 料的裂纹进行定征。二
技术介绍
建筑材料在使用过程中会产生老化和裂纹的现象，裂纹大量地存在于工程结构中， 如何快速地识别它们的位置和形状，是无损检测的主要任务。近年来,无损检测(NDT) 技术在工业中的应用向定量化和无损评价(NDE)的方向发展。目前用于表面微裂纹检测的常规方法有:超声法、涡流法、射线探伤法等。 超声法的基本原理:利用超声波在介质中传播的性质来判断工件材料的缺陷和异常。 超声检测主要是利用超声波在传播过程中遇到异质界面时产生的透射、反射和折射现 象，对超声信号进行分析与处理而提取出缺陷的特征。随着科学技术的发展,许多物理现象被不断加以利用，使常规方法不断发展，例如 电磁超声检测技术(EMATS)和激光超声检测技术也随之产生并被应用。 电磁超 声方法是基于涡流和磁场的交互作用，利用电磁超声探头产生和接收超声导波的一种 非接触式检测技术。激光超声检测是近几年发展起来的一项检测新技术,它通过将强 度被调制的脉冲激光束照射在被测件表面产生超声波，经改变实验参数，激光超声源 能激发出纵波、横波、表面波等各种导波。由于超声信号既可由激光激励产生,又可 利用光学方法检测，因此能实现完全非接触检测和快速扫描成像，更便于在高温、强震 等恶劣条件下实现无损检测。此外,利用锁模激光器,很容易获得与激光脉冲宽度 相近的超声脉冲，其频带远宽于常规换能器所产生的超声，因此，基于超声衍射方法形 成的缺陷检测技术,对被测件表面及近表面的微小裂纹都很敏感,检测准确度也比其 他无损检测方法高。但是目前对此材料的超声检测方法还只是限于一种线性的参量，例如声速和声衰 减，通过有缺陷情况下声速和声衰减的变化来探测固体内部的缺陷。这种方法有明显 的缺陷，即对较大的缺陷很敏感，但对一些很小，很细微的缺陷(比如裂纹)就很不敏 感。所以需要发展一种新的技术，能检测到固体内部的裂纹的位置。 . 无损检测学会.无损检测新技术.北京:机械工业出版社，1993. . 应崇福.超声学.北京:科学出版社，1990.. C B Scruby. Some application of laser ultrasound. Ultrasonics,1989 ,127 :195 —209. . Huge savings in large area and complex surface inspection using laserultrasonic. Insight, 1996 ,38 (1). . Q Shan. Surface breaking fatigue crack detection using laserultrasound . Appl Phys ， 1993 ， 62 (21). . 王淑娟，赵再新，翟国富，基于电磁超声的火车车轮裂纹检测系统，仪表技术与传感器，2005,11:27-29 . 苏琨，任大海，李建，尤政，基于激光超声的微裂纹检测技术的研究，光学技术，2002， 28， 6: 518-522 . J P Monchalin. Laser ultrasonic developments towards industrialapplications. IEEE Ultrasonics Symposium. 1988.
技术实现思路
研究表明在固体棒的共振模式下，声波在带有裂纹的固体中传播时会产生很明显 的非线性现象，即除了有基波外，还会产生高次谐波，而且奇次谐波比偶次谐波要更为明显，这是非经典非线性声学的一个特征。本专利技术目的是提出一种新型的无损检 测固体材料的裂纹的方法，即非线性共振声谱法，即分析接收信号中的高次谐波的变 化，来检测裂纹的位置。在此基础上，可进一步研究采用此方法测定建筑材料的损坏、 疲劳损伤的程度，利用此方法对核电站、化工厂设备、大坝等由地震活动引起的裂纹 位置、尺寸进行监控，协助设计防震结构。本专利技术的技术方案非线性共振声谱法检测固体裂纹的方法为先采用压电材料 制备的探头对固体材料发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探 头激发的声波的频率为固体材料(标准棒)的共振频率，用FFT方法来分析接收信号 的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料(标准棒)上裂纹的位置和高次 谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置。利用接收到信号的高频谐波分量来反推裂纹的位置，根据理论分析当己知奇 次谐波之比，我们就可以利用下列公式来反推裂纹的位置采用一端固定， 一端自由非对称边界条件的方式，可推知裂纹距离自由端的位置Xd:<formula>formula see original document page 4</formula>这里L为棒长，X3，,和Xw为第一共振模式下的三次谐波和五次谐波的幅值。在第二 模式可得到类似的结果。本专利技术与现有技术相比具有的优点是现有的声学方法是采用线性的方法，即采 用声速和声衰减，只能检测到尺度较大的缺陷，而本专利技术提出的方法可以检测微米级 的裂纹，可对固体材料的早期疲劳提供参考依据。本专利技术结构的特点是在固体棒的共振模式下激发换能器，用加速度计来接收 信号，然后分析其频谱，从而得到其各次高阶谐波大小。根据高阶谐波与裂纹位置的 关系，结合非线性共振频率的偏移，反推裂纹的位置。四附图说明图1实验系统框图图2参考样品的实验结果图3破损样品的实验结果图3(a)破损距离自由端120 mm;图3(b)破损距离自由端40mm。五具体实施例方式实验系统测量框图见图l所示，为验证理论的正确性，我们制作了一系列混凝土 样本对透射声波进行分析。混凝土样本由水泥和细沙按l: 3比例混合搅拌均匀，置 入木板做成的模型后凝固形成。木板模型为长方体，统一尺寸为长0.16 m，宽0.06 m， 高0.06m。为观测非经典非线性，我们在一样本上人为制造了一破损区域模拟裂纹的 存在。具体制作方法是在样本长度方向上0.012 m处，埋入一两端封闭的空心硬质塑 料管代替裂纹，塑料管长0.03m，直径为0.003 m。实验时，接收换能器与发射换能器分别置于混凝土长的两端，样品第一共振频率 在4kHz左右，第二共振频率在10KHz左右，由于换能器带宽和功率限制，我们选 择在第二共振模式下进行实验，信号采用调制信号，脉宽为10ms， 一个脉宽中含50 个周期。对于无损样品，发射信号取300mv，透射信号的功率谱如图2。从图(2)可以 知道，无损样品的第二共振频率为10.006 KHz，经典非线性对于三次以上的高次谐波 影响极小，可以忽略，但对二次谐波影响还是非常明显。将样品替换为有损样品，此 时破损距离自由端(加速度计端)为120 mm，发射信号为300mv时，接收到的信号功 率谱为图3a，此时非线性共振频率的偏移为94Hz。将样品反转18(A此时破损距离 自由端(加速度计端)为40mm，接收到的信号功率谱为图3b,此时非线性共振频率 的偏移为18Hz。根据公式(2),结合非线性共振频率的偏移(缺陷离自由端越远，非线性共振频率 偏移越大)。我们得到第一种情形样品的缺陷位置为^ =123.1 mm "=本文档来自技高网...

【技术保护点】
非线性共振声谱法无损检测固体中的裂纹的方法：其特征是先采用压电材料制备的探头对一端固定、一端自由的固体材料标准棒发射声波，采用加速度计来接收通过固体材料后的声信号，探头激发的声波的频率为固体材料标准棒的共振频率，用ＦＦＴ方法来分析接收信号的功率谱，从而得到高次谐波的大小；根据固体材料标准棒上裂纹的位置和高次谐波关系，反推实际固体材料裂纹的位置：　采用一端固定，一端自由非对称边界条件的方式，推知：　当Ｘ↓［５，１］／Ｘ↓［３，１］＝ｓ　（１）　裂纹距离自由端的位置Ｘ↓［ｄ］：　ｘ↓［ｄ］／Ｌ＝１／πａｒｃｓｉｎ＊＊＊　（２）　这里：Ｌ为棒长，Ｘ↓［３，１］和Ｘ↓［５，１］为第一共振模式下的三次谐波和五次谐波的幅值。在第二模式可得到类似的结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓宙，龚秀芬，周到，朱金林，瞿文心，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]