專利名稱：非線性共振聲譜法無損檢測(cè)固體中的裂紋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損檢測(cè)固體中的裂紋的新方法，即采用非線性共振聲譜法對(duì)固體材 料的裂紋進(jìn)行定征。
二背景技術(shù)：
建筑材料在使用過程中會(huì)產(chǎn)生老化和裂紋的現(xiàn)象，裂紋大量地存在于工程結(jié)構(gòu)中， 如何快速地識(shí)別它們的位置和形狀，是無損檢測(cè)的主要任務(wù)。近年來,無損檢測(cè)(NDT) 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用向定量化和無損評(píng)價(jià)(NDE)的方向發(fā)展。
目前用于表面微裂紋檢測(cè)的常規(guī)方法有:超聲法、渦流法、射線探傷法等[1 5]。 超聲法的基本原理:利用超聲波在介質(zhì)中傳播的性質(zhì)來判斷工件材料的缺陷和異常。 超聲檢測(cè)主要是利用超聲波在傳播過程中遇到異質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生的透射、反射和折射現(xiàn) 象，對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行分析與處理而提取出缺陷的特征。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多物理現(xiàn)象被不斷加以利用，使常規(guī)方法不斷發(fā)展，例如 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)(EMATS)和激光超聲檢測(cè)技術(shù)也隨之產(chǎn)生并被應(yīng)用。 電磁超 聲方法是基于渦流和磁場(chǎng)的交互作用，利用電磁超聲探頭產(chǎn)生和接收超聲導(dǎo)波的一種 非接觸式檢測(cè)技術(shù)。激光超聲檢測(cè)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)檢測(cè)新技術(shù),它通過將強(qiáng) 度被調(diào)制的脈沖激光束照射在被測(cè)件表面產(chǎn)生超聲波，經(jīng)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，激光超聲源 能激發(fā)出縱波、橫波、表面波等各種導(dǎo)波。由于超聲信號(hào)既可由激光激勵(lì)產(chǎn)生,又可 利用光學(xué)方法檢測(cè)，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸檢測(cè)和快速掃描成像，更便于在高溫、強(qiáng)震 等惡劣條件下實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)[6]。此外,利用鎖模激光器,很容易獲得與激光脈沖寬度 相近的超聲脈沖，其頻帶遠(yuǎn)寬于常規(guī)換能器所產(chǎn)生的超聲，因此，基于超聲衍射方法形 成的缺陷檢測(cè)技術(shù),對(duì)被測(cè)件表面及近表面的微小裂紋都很敏感,檢測(cè)準(zhǔn)確度也比其 他無損檢測(cè)方法高[7,8]。
但是目前對(duì)此材料的超聲檢測(cè)方法還只是限于一種線性的參量，例如聲速和聲衰 減，通過有缺陷情況下聲速和聲衰減的變化來探測(cè)固體內(nèi)部的缺陷。這種方法有明顯 的缺陷，即對(duì)較大的缺陷很敏感，但對(duì)一些很小，很細(xì)微的缺陷(比如裂紋)就很不敏 感。所以需要發(fā)展一種新的技術(shù)，能檢測(cè)到固體內(nèi)部的裂紋的位置。 [l]. 無損檢測(cè)學(xué)會(huì).無損檢測(cè)新技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993. [2]. 應(yīng)崇福.超聲學(xué).北京:科學(xué)出版社，1990.. C B Scruby. Some application of laser ultrasound. Ultrasonics,
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ultrasonic. Insight, 1996 ,38 (1). [5]. Q Shan. Surface breaking fatigue crack detection using laser
ultrasound . Appl Phys ， 1993 ， 62 (21). [6]. 王淑娟，趙再新，翟國(guó)富，基于電磁超聲的火車車輪裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，儀表技術(shù)
與傳感器，2005,11:27-29 [7]. 蘇琨，任大海，李建，尤政，基于激光超聲的微裂紋檢測(cè)技術(shù)的研究，光學(xué)
技術(shù)，2002， 28， 6: 518-522 [8]. J P Monchalin. Laser ultrasonic developments towards industrial
applications. IEEE Ultrasonics Symposium. 1988.
發(fā)明內(nèi)容
研究表明在固體棒的共振模式下，聲波在帶有裂紋的固體中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生很明顯 的非線性現(xiàn)象，即除了有基波外，還會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而且奇次諧波比偶次諧波要更
為明顯，這是非經(jīng)典非線性聲學(xué)的一個(gè)特征。本發(fā)明目的是提出一種新型的無損檢 測(cè)固體材料的裂紋的方法，即非線性共振聲譜法，即分析接收信號(hào)中的高次諧波的變 化，來檢測(cè)裂紋的位置。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究采用此方法測(cè)定建筑材料的損壞、 疲勞損傷的程度，利用此方法對(duì)核電站、化工廠設(shè)備、大壩等由地震活動(dòng)引起的裂紋 位置、尺寸進(jìn)行監(jiān)控，協(xié)助設(shè)計(jì)防震結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)方案非線性共振聲譜法檢測(cè)固體裂紋的方法為先采用壓電材料 制備的探頭對(duì)固體材料發(fā)射聲波，采用加速度計(jì)來接收通過固體材料后的聲信號(hào)，探 頭激發(fā)的聲波的頻率為固體材料(標(biāo)準(zhǔn)棒)的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號(hào) 的功率譜，從而得到高次諧波的大?。桓鶕?jù)固體材料(標(biāo)準(zhǔn)棒)上裂紋的位置和高次 諧波關(guān)系，反推實(shí)際固體材料裂紋的位置。
利用接收到信號(hào)的高頻諧波分量來反推裂紋的位置，根據(jù)理論分析當(dāng)己知奇 次諧波之比，我們就可以利用下列公式來反推裂紋的位置
采用一端固定， 一端自由非對(duì)稱邊界條件的方式，可推知
裂紋距離自由端的位置Xd:
<formula>formula see original document page 4</formula>這里L(fēng)為棒長(zhǎng)，X3，,和Xw為第一共振模式下的三次諧波和五次諧波的幅值。在第二 模式可得到類似的結(jié)果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有的聲學(xué)方法是采用線性的方法，即采 用聲速和聲衰減，只能檢測(cè)到尺度較大的缺陷，而本發(fā)明提出的方法可以檢測(cè)微米級(jí) 的裂紋，可對(duì)固體材料的早期疲勞提供參考依據(jù)。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在固體棒的共振模式下激發(fā)換能器，用加速度計(jì)來接收 信號(hào)，然后分析其頻譜，從而得到其各次高階諧波大小。根據(jù)高階諧波與裂紋位置的 關(guān)系，結(jié)合非線性共振頻率的偏移，反推裂紋的位置。
四

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖
圖2參考樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖3破損樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖3(a)破損距離自由端120 mm;圖3(b)破損距離自由端40mm。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量框圖見圖l所示，為驗(yàn)證理論的正確性，我們制作了一系列混凝土 樣本對(duì)透射聲波進(jìn)行分析。混凝土樣本由水泥和細(xì)沙按l: 3比例混合攪拌均勻，置 入木板做成的模型后凝固形成。木板模型為長(zhǎng)方體，統(tǒng)一尺寸為長(zhǎng)0.16 m，寬0.06 m， 高0.06m。為觀測(cè)非經(jīng)典非線性，我們?cè)谝粯颖旧先藶橹圃炝艘黄茡p區(qū)域模擬裂紋的 存在。具體制作方法是在樣本長(zhǎng)度方向上0.012 m處，埋入一兩端封閉的空心硬質(zhì)塑 料管代替裂紋，塑料管長(zhǎng)0.03m，直徑為0.003 m。
實(shí)驗(yàn)時(shí)，接收換能器與發(fā)射換能器分別置于混凝土長(zhǎng)的兩端，樣品第一共振頻率 在4kHz左右，第二共振頻率在10KHz左右，由于換能器帶寬和功率限制，我們選 擇在第二共振模式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，信號(hào)采用調(diào)制信號(hào)，脈寬為10ms， 一個(gè)脈寬中含50 個(gè)周期。對(duì)于無損樣品，發(fā)射信號(hào)取300mv，透射信號(hào)的功率譜如圖2。從圖(2)可以 知道，無損樣品的第二共振頻率為10.006 KHz，經(jīng)典非線性對(duì)于三次以上的高次諧波 影響極小，可以忽略，但對(duì)二次諧波影響還是非常明顯。將樣品替換為有損樣品，此 時(shí)破損距離自由端(加速度計(jì)端)為120 mm，發(fā)射信號(hào)為300mv時(shí)，接收到的信號(hào)功 率譜為圖3a，此時(shí)非線性共振頻率的偏移為94Hz。將樣品反轉(zhuǎn)18(A此時(shí)破損距離 自由端(加速度計(jì)端)為40mm，接收到的信號(hào)功率譜為圖3b,此時(shí)非線性共振頻率 的偏移為18Hz。
根據(jù)公式(2),結(jié)合非線性共振頻率的偏移(缺陷離自由端越遠(yuǎn)，非線性共振頻率 偏移越大)。我們得到第一種情形樣品的缺陷位置為^ =123.1 mm "=》=0.121);
第二種情形樣品的缺陷位置為^=43.8圓"=，=0.207)，與實(shí)際缺陷位置基 本吻合。
權(quán)利要求
1、非線性共振聲譜法無損檢測(cè)固體中的裂紋的方法其特征是先采用壓電材料制備的探頭對(duì)一端固定、一端自由的固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒發(fā)射聲波，采用加速度計(jì)來接收通過固體材料后的聲信號(hào)，探頭激發(fā)的聲波的頻率為固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號(hào)的功率譜，從而得到高次諧波的大??；根據(jù)固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒上裂紋的位置和高次諧波關(guān)系，反推實(shí)際固體材料裂紋的位置采用一端固定，一端自由非對(duì)稱邊界條件的方式，推知當(dāng)裂紋距離自由端的位置Xd這里L(fēng)為棒長(zhǎng)，X3，1和X5，1為第一共振模式下的三次諧波和五次諧波的幅值。在第二模式可得到類似的結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性共振聲譜法無損檢測(cè)固體裂紋的方法其特征 是發(fā)射端的樣品通過實(shí)驗(yàn)支架與負(fù)載緊密相聯(lián)，從而保證發(fā)射端為絕對(duì)硬邊界，即固 定端；加速度計(jì)通過耦合劑與樣品的另一端相聯(lián)，在樣品和加速度之間加一0.09 kg 的鋁板以增加它們之間的耦合性。加速度計(jì)和鋁板的總重量很輕，因此可以看成是聲 學(xué)軟邊界，即自由端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性共振聲譜法無損檢測(cè)固體裂紋的方法其特征是采用兩種樣品用于實(shí)驗(yàn)， 一種是水泥和細(xì)沙混合的樣品，沒有塑料管的填埋，我們 稱之為參考樣品。另一種是破損樣品，在水泥和細(xì)沙混合物有一個(gè)中空塑料管的填埋，塑料管的方位與樣品的長(zhǎng)度方向垂直，填充物的位置與棒的中點(diǎn)相距40 mra。實(shí)驗(yàn)中 的第一種情形，破損樣品中的塑料管與自由端的距離為120 mm;實(shí)驗(yàn)中的第二種情 形，將樣品反轉(zhuǎn)180°，破損樣品中的塑料管與自由端的距離為40 mra。
全文摘要
非線性共振聲譜法無損檢測(cè)固體中的裂紋先采用壓電材料制備的探頭對(duì)一端固定、一端自由的固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒發(fā)射聲波，采用加速度計(jì)來接收通過固體材料后的聲信號(hào)，探頭激發(fā)的聲波的頻率為固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒的共振頻率，用FFT方法來分析接收信號(hào)的功率譜，從而得到高次諧波的大??；根據(jù)固體材料標(biāo)準(zhǔn)棒上裂紋的位置和高次諧波關(guān)系，反推實(shí)際固體材料裂紋的位置。本發(fā)明可無損檢測(cè)固體中的微小裂紋，所得的參量對(duì)裂紋的變化比線性聲學(xué)參量敏感。
文檔編號(hào)G01N29/14GK101393172SQ20081015545
公開日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者劉曉宙, 到 周, 朱金林, 瞿文心, 龔秀芬 申請(qǐng)人:南京大學(xué)