基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，包括：施加一个电脉冲信号，电脉冲信号经过逆压电效应转换形成作为激励的基频超声波信号；基频超声波信号在被检测材料一端的表面耦合进入被检测材料内传播，在另一端通过超低频的超声接收器接收准静态分量信号，将超声接收器接收的准静态分量信号进行傅里叶变换处理，提取频谱信号强度I；使用相同规格的完好的标准材料试件，实施上述步骤，获取信号基准参考强度I0，计算I与I0的差值，即可评估被检测材料性能退化程度。本发明专利技术还公开了基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估装置。本发明专利技术适用于高衰减材料，灵敏度高、检测范围广。检测范围广。检测范围广。

【技术实现步骤摘要】
基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法及装置


[0001]本专利技术涉及结构材料测试领域，具体的，涉及一种利用超声导波准静态分量对材料性能退化程度进行非破坏性评估的方法及装置。

技术介绍

[0002]目前，高衰减材料如颗粒增强复合材料、聚合物材料等广泛应用于航空航天、建筑工程、交通运输等领域。材料在生产制造和工程服役过程中由于温度、湿度、应力等环境会产生不同程度的性能退化，其中早期性能退化占据了整个疲劳寿命的80％以上，为了保障材料的安全性和可靠性，有必要开发一种针对高衰减材料的早期性能退化有效且稳定的无损检测技术。
[0003]传统的超声导波检测技术由于其传播距离长，效率高在工业中受到广泛应用。然而针对高衰减材料的早期性能退化检测，传统超声导波检测需要通过增加超声波的频率来提高检测灵敏度，但是频率的增加必然会导致超声波在材料中的衰减加大，再加上检测对象本来就是高衰减材质，就无法满足检测信号的信噪比要求。
[0004]非线性超声导波技术是当前无损检测领域中的研究热点之一，其利用材料中微观结构变化与超声导波产生的非线性作用，可以对材料早期性能退化进行有效评估。然而针对高衰减材料的早期性能退化检测，基于二阶谐波、高阶谐波等非线性物理特征的超声检测手段还存在一定的不足，一方面，在较高基频超声信号激励下，超声波在高衰减材料中衰减较大，二阶谐波以及高阶谐波的衰减更加剧烈，这将导致难以接收到有效信号；另一方面，超声导波在介质中传播时，只有当二阶谐波、高阶谐波等物理量满足同步性条件(谐波相速度与基频波相速度相等)时，这些非线性特征量才能具有累积效应，此时才适合利用它们的强度变化对材料的性能退化进行评估。然而严格满足此条件的导波模态并不多，难以实现广泛而有效的检测。
[0005]针对高衰减材料早期性能退化的无损检测问题，基于超声导波二阶谐波、高阶谐波等非线性分量的检测手段虽然对微小损伤有效，然而受到材料衰减影响以及上述相速度匹配条件的局限，难以实现灵活的、高效的高衰减材料性能退化检测。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种材料性能退化评估方法及装置，通过测量超声导波准静态分量，来表征材料的性能退化程度，可适用于高衰减材料，灵敏度高、检测范围广。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术公开了基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，包括：
[0008]施加一个电脉冲信号，电脉冲信号经过逆压电效应转换形成作为激励的基频超声波信号，基频超声波信号的频率为f
T
。基频超声波信号经过高通滤波器在被检测材料一端的表面耦合进入被检测材料内传播，在另一端通过超低频的超声接收器接收准静态分量信号，所述的超声接收器的中心频率为f
R，
其中f
R
比f
T
低一个量级以上。将超声接收器接收的
准静态分量信号进行傅里叶变换处理，提取频率为f
R
的频谱信号强度I。使用相同规格的完好的标准材料试件，实施上述步骤，获取信号基准参考强度I0，计算I与I0的差值，即可评估被检测材料性能退化程度，差值越大，被检测材料性能退化程度越严重。
[0009]进一步的，将准静态分量信号进行加强，并储存处理后的信号；对储存的信号进行处理得到时域信号，将时域信号进行傅里叶变换处理，得到其对应的幅频特性曲线，从中提取频率为f
R
的频谱信号强度I。
[0010]优选的，利用信号发生器产生汉宁窗调制的电脉冲信号，经高通滤波并通过衰减改善阻抗匹配后输入超声激励换能器，从而产生作为激励的基频超声波信号。
[0011]其中，所述的电脉冲信号为频率≥10MHz的高频脉冲信号，所述的超声接收器的中心频率f
R
≤0.5MHz。
[0012]其中，基频超声波信号的周期数为n、群速度为被检测材料的结构中频率为零时S0模态导波的群速度为超声波进入被检测材料表面位置与接收位置的间距为l，则需满足下式：
[0013][0014]优选的，对准静态分量信号的时域截断宽度τ需要满足以下条件：
[0015]优选的，将准静态分量信号导入计算机内，利用MATLAB软件进行滤波处理后得到时域信号。
[0016]本专利技术还公开了基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估装置，包括：材料载台、信号发生器、超声激励换能器、超声接收器及计算系统。所述的材料载台用于放置被检测材料；所述的信号发生器用于发出电脉冲信号；所述的超声激励换能器与超声接收器分别固定在被检测材料的表面的两端，电脉冲信号经超声激励换能器转换形成超声波信号，高通滤波的超声波信号经耦合进入被检测材料内传输产生准静态分量信号，准静态分量信号于另一端被所述的超声接收器接收；准静态分量信号导入所述的计算系统进行计算评估。
[0017]优选的，还包括滤波器、衰减器、功率放大器和示波器。所述的滤波器接收信号发生器的电脉冲信号并进行滤波，滤波后经衰减器改善阻抗匹配后输出至超声激励换能器，所述的滤波器和衰减器为分体式或一体式集成设备。所述的功率放大器接收准静态分量信号并放大，经放大后的准静态分量信号导入示波器，所述的示波器接收经放大后的准静态分量信号，并储存，将接收的信号显示于示波器屏幕上，并同时导入至计算系统。
[0018]其中，所述的超声激励换能器和超声接收器均包括纵向振动的压电陶瓷换能器和位于其上方的角度可调的楔块。所述的楔块包括压电晶片滑移块、安装楔块、平衡块及安装件，所述的压电晶片滑移块内设置有压电晶片，所述的安装楔块表面为圆弧形，所述的压电晶片滑移块通过安装件铰接在安装楔块的圆心处，使压电晶片滑移块通过安装件可沿安装楔块表面滑移；所述的平衡块固定在安装楔块的侧边。
[0019]由于采用了上述结构，本专利技术具有如下有益效果：
[0020]1、本专利技术通过测量高频超声导波在材料中传播时所产生的非线性准静态分量幅值，来表征材料的性能退化程度，其所产生的非线性准静态分量幅值越大，试件的性能退化程度越高。本专利技术方法属于非线性超声导波检测，但无需基频的导波满足特定的相速度条件，克服了传统非线性超声在高衰减材料中衰减严重，信噪比低的问题，同时扩展了超声导波的模态选择，能够以较高的检测灵敏度实现对高衰减材料结构早期性能退化及微损伤的评估。
[0021]2、本专利技术结合了超声非线性和准静态响应信号两者的优势，既利用了超声非线性响应对材料性能退化敏感的特点，又充分发挥了准静态分量载波中心频率接近零、衰减较小的长处。
[0022]3、本专利技术提供了超声导波在材料中传播产生的非线性静态分量的具体测量装置，该装置结构简易、适用性强。
附图说明
[0023]图1是本专利技术装置的结构示意图。
[0024]图2是楔块的结构示意图。
[0025]图3是实施例中发射信号的时间与幅值的关系图。
[0026]图4是发射信号的幅频特性曲线。
[0027]图5是实施例中接收的信号时间与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，其特征在于，包括：施加一个电脉冲信号，电脉冲信号经过逆压电效应转换形成作为激励的基频超声波信号，基频超声波信号的频率为f
T
；基频超声波信号在被检测材料一端的表面耦合进入被检测材料内传播，在另一端通过超低频的超声接收器接收准静态分量信号，所述的超声接收器的中心频率为f
R
，其中f
R
比f
T
低一个量级以上；将超声接收器接收的准静态分量信号进行傅里叶变换处理，提取频率为f
R
的频谱信号强度I；使用相同规格的完好的标准材料试件，实施上述步骤，获取信号基准参考强度I0，计算I与I0的差值，即可评估被检测材料性能退化程度，差值越大，被检测材料性能退化程度越严重。2.如权利要求1所述的基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，其特征在于：将准静态分量信号进行加强，并储存处理后的信号；对储存的信号进行处理得到时域信号，将时域信号进行傅里叶变换处理，得到其对应的幅频特性曲线，从中提取频率为f
R
的频谱信号强度I。3.如权利要求1所述的基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，其特征在于：利用信号发生器产生汉宁窗调制的电脉冲信号，经高通滤波并通过衰减改善阻抗匹配后输入超声激励换能器，从而产生作为激励的基频超声波信号。4.如权利要求1或2所述的基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，其特征在于：所述的电脉冲信号为频率≥10MHz的高频脉冲信号,所述的超声接收器的中心频率f
R
≤0.5MHz。5.如权利要求1所述的基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，其特征在于：基频超声波信号的周期数为n、群速度为被检测材料的结构中频率为零时S0模态导波的群速度为超声波进入被检测材料表面位置与接收位置的间距为l，则需满足下式：6....

【专利技术属性】
技术研发人员：李卫彬，肖俊，文放，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：