金属浅层微缺陷非线性混频超声表面波检测技术
发布时间：2021-08-01 12:27
金属及其粘接结构因疲劳、蠕变和热老化等引起的早期损伤将导致其力学性能退化,进而严重威胁其运行安全,因此研究材料早期损伤的无损检测和评价方法对保证其服役安全具有重要意义。传统线性超声技术难以检测出早期疲劳损伤,而非线性超声波对材料微观结构和力学性能变化非常敏感,为金属材料早期损伤的无损检测和评价提供新的研究方法。非线性表面波可用于金属表面及亚表面的损伤检测,具有对形状不敏感、适应性强的优势,成为近年来研究的热点。采用波束混叠法检测金属材料早期损伤时受衰减系数影响小,几乎不受系统非线性的影响,具有较为广泛的应用前景。本论文以金属表面微损伤以及亚表面的脱粘缺陷为研究对象,研究金属浅层微缺陷超声表面波非线性混频检测技术,开展了传播距离、微裂纹尺寸等因素影响下的非线性混频表面波的理论和仿真研究。研究的主要工作如下:研究了固体介质中混频信号激励下非线性超声波动方程的解,进而解释了非线性声场调制现象。在忽略高阶非线性和衰减衍射等条件下,得到非线性系数与激励信号及接收信号之间存在的联系,为利用超声波非线性系数检测金属表面微小裂纹奠定基础。针对混频激励下非线性声场响应信号复杂、难以识别的问题,研究了非线...
【文章来源】：长沙理工大学湖南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２外部静态应力与微裂纹界面之间距离的关系??１１??
纹仅存在完全闭合或张开两类形式。??当超声波经过材料微裂纹处吋，微裂纹的拉／压效应使微裂纹处形成了新的声源，在??此处能产生非线性现象，从而导致出现有别于激励信号的频率出现。如图２．３所示，为??超声波在含微裂纹材料中的传播示意图。??部分闭合?／?ｆ完全闭合??／?ｎｆ??图２．３微裂纹超声非线性现象传播示意图??由图２．３可知，当微裂纹处于完全闭合的状态时，超声波仅存在线性反射和透射现??象，没有产生新的频率；但微裂纹处于部分闭合状态时，激励信号在微裂纹表面将发生??相互作用，此时微裂纹可以看作一个新的声源，出现了除激励信号之外的其他频率分量，??产生了非线性现象。??２．３非线性超声波动理论??２．３．１基本假定??传统的线性超声技术主要针对材料或结构内部存在的脱粘、裂纹以及空洞等宏观缺??陷的分布通过声速、衰减等参数进行检测，但当固体介质由于早期微损伤具有非线性时，??材料的非线性特性对声波具有明显的影响，使得超声波信号呈现出较强的非线性效应。??１３??
?发生改变；当材料内部存在微小缺陷时，两个超声波声场将在材料中相互作用，从而产??生频率为乂±／２的分量部分，出现波束混叠现象。图２．２为波束混叠法的原理示意图。??发射ｉｉ＊１？?接收信号??Ａ?■?Ａ??幅?ｃ＝＾＞?幅??值?Ｗ?■值??—??＞?????Ｕ??ｆ＇?ｆｉ?／．－／＊?／■?ｆｉ?ｆｉ－ｆｉ??图２．２波束混叠法的基本原理??通过上节的分析，超声波在含有微小缺陷的材料中传播后会产生非线性现象，接收??信号在频域方面会产生二次谐波分量。当激励的超声信号为不同频率声波共同作用在材??料中时，所表现出的非线性现象会呈现出与单一频率激励下不同的形式，接收信号的频??域将会产生波束混叠现象。同时使用两种不同频率的激励信号同时对材料进行激发，在??材料内部传播后产生复杂的内部声场耦合现象，在复杂声场耦合情况下形成的非线性波??动方程无法得到精确的解析式及解。基于此，本文在不考虑衰减因素的前提下对非线性??波动方程进行求解，并忽略高阶非线性系数。??若激励为包含两个不同频率的正弦分量的信号，不考虑声波衰减和初始相位差，激??励信号可表示为：??ｗ＜０）?＝?Ａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究[J]. 焦敬品,樊仲祥,吴斌,何存富. 声学学报. 2017(02)
[2]复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法[J]. 周正干,孙广开,李征,陈秀成. 机械工程学报. 2013(22)
[3]机车车轴超声自动检测系统设计[J]. 王玉国,李雄兵,宋永锋,张书增. 铁道科学与工程学报. 2012(03)
[4]非线性无损检测技术的研究、应用和发展[J]. 周正干,刘斯明. 机械工程学报. 2011(08)
[5]铝合金薄板疲劳裂纹的非线性声学特性[J]. 高桂丽,李大勇,董静薇,石德全,石旭东. 机械工程学报. 2010(18)
[6]无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法[J]. 邓明晰,裴俊峰. 声学学报(中文版). 2008(04)
[7]金属疲劳造成敦贺核电站事故[J]. 卜灵. 国外核新闻. 1999(09)
博士论文
[1]金属构件疲劳损伤非线性超声检测方法研究[D]. 阎红娟.北京理工大学 2015
[2]奥氏体不锈钢服役损伤的非线性超声检测与评价研究[D]. 张剑锋.华东理工大学 2014
本文编号：3315527
【文章来源】：长沙理工大学湖南省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２外部静态应力与微裂纹界面之间距离的关系??１１??
纹仅存在完全闭合或张开两类形式。??当超声波经过材料微裂纹处吋，微裂纹的拉／压效应使微裂纹处形成了新的声源，在??此处能产生非线性现象，从而导致出现有别于激励信号的频率出现。如图２．３所示，为??超声波在含微裂纹材料中的传播示意图。??部分闭合?／?ｆ完全闭合??／?ｎｆ??图２．３微裂纹超声非线性现象传播示意图??由图２．３可知，当微裂纹处于完全闭合的状态时，超声波仅存在线性反射和透射现??象，没有产生新的频率；但微裂纹处于部分闭合状态时，激励信号在微裂纹表面将发生??相互作用，此时微裂纹可以看作一个新的声源，出现了除激励信号之外的其他频率分量，??产生了非线性现象。??２．３非线性超声波动理论??２．３．１基本假定??传统的线性超声技术主要针对材料或结构内部存在的脱粘、裂纹以及空洞等宏观缺??陷的分布通过声速、衰减等参数进行检测，但当固体介质由于早期微损伤具有非线性时，??材料的非线性特性对声波具有明显的影响，使得超声波信号呈现出较强的非线性效应。??１３??
?发生改变；当材料内部存在微小缺陷时，两个超声波声场将在材料中相互作用，从而产??生频率为乂±／２的分量部分，出现波束混叠现象。图２．２为波束混叠法的原理示意图。??发射ｉｉ＊１？?接收信号??Ａ?■?Ａ??幅?ｃ＝＾＞?幅??值?Ｗ?■值??—??＞?????Ｕ??ｆ＇?ｆｉ?／．－／＊?／■?ｆｉ?ｆｉ－ｆｉ??图２．２波束混叠法的基本原理??通过上节的分析，超声波在含有微小缺陷的材料中传播后会产生非线性现象，接收??信号在频域方面会产生二次谐波分量。当激励的超声信号为不同频率声波共同作用在材??料中时，所表现出的非线性现象会呈现出与单一频率激励下不同的形式，接收信号的频??域将会产生波束混叠现象。同时使用两种不同频率的激励信号同时对材料进行激发，在??材料内部传播后产生复杂的内部声场耦合现象，在复杂声场耦合情况下形成的非线性波??动方程无法得到精确的解析式及解。基于此，本文在不考虑衰减因素的前提下对非线性??波动方程进行求解，并忽略高阶非线性系数。??若激励为包含两个不同频率的正弦分量的信号，不考虑声波衰减和初始相位差，激??励信号可表示为：??ｗ＜０）?＝?Ａ
【参考文献】：
期刊论文
[1]闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究[J]. 焦敬品,樊仲祥,吴斌,何存富. 声学学报. 2017(02)
[2]复合材料层压板钻孔分层激光超声检测方法[J]. 周正干,孙广开,李征,陈秀成. 机械工程学报. 2013(22)
[3]机车车轴超声自动检测系统设计[J]. 王玉国,李雄兵,宋永锋,张书增. 铁道科学与工程学报. 2012(03)
[4]非线性无损检测技术的研究、应用和发展[J]. 周正干,刘斯明. 机械工程学报. 2011(08)
[5]铝合金薄板疲劳裂纹的非线性声学特性[J]. 高桂丽,李大勇,董静薇,石德全,石旭东. 机械工程学报. 2010(18)
[6]无损评价固体板材疲劳损伤的非线性超声兰姆波方法[J]. 邓明晰,裴俊峰. 声学学报(中文版). 2008(04)
[7]金属疲劳造成敦贺核电站事故[J]. 卜灵. 国外核新闻. 1999(09)
博士论文
[1]金属构件疲劳损伤非线性超声检测方法研究[D]. 阎红娟.北京理工大学 2015
[2]奥氏体不锈钢服役损伤的非线性超声检测与评价研究[D]. 张剑锋.华东理工大学 2014
本文编号：3315527
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