[00111451]基于非线性聚焦兰姆波的金属薄板缺陷及损伤识别与定位技术

当金属板材出现某些缺陷时,随着外部加载及使用环境的变化,都可能引起内部细小缺陷源的扩展,进而造成疲劳事故。因此,超声检测成为保证金属板件结构可靠应用的重要手段。现有超声检测方法主要采用声速、阻抗、声压等线性声学参量实现损伤识别,它是在小振幅声波的假定下对非线性声波方程进行线性化的近似处理。虽然简化了分析过程,但对于材料中小的疲劳裂纹探测,往往不能得到令人满意的结果。 非线性声波对于固体介质中的损伤有很高灵敏度,而时间反转技术能实现在固体介质中任何一点声能聚焦。本项目就是综合利用非线性声学和时间反转原理两种方法的优势,实现金属板材中典型损伤--疲劳裂纹的识别与定位,为金属板材的可靠应用提供有效的技术保证。 本项目得出以下重要成果： （1）在一阶近似微扰条件下,材料的典型非线性声学特征为二次谐波幅值,它与输入波的强度及频率的二次方成正比,与声波传播距离成正比。激励声源中心频率为270kHz时较合适。此外,非线性系数反映了声波在波导介质中传播时波形的畸变程度,但用非线性系数β来表征金属板材介质损伤趋势并不理想。 （2）非线性超声调制现象是材料非线性的一种表现形式,100kHz和270kHz为两个不同频率的激励声源的最佳频率组合。调制频率和高次谐波可作为识别金属板材介质裂纹的特征参数,但是受到超声波在介质中传播衰减的影响,有用信号幅度并不高。 （3）以猝发兰姆波为时间反转实验的激励波型,在单阵元与多阵元声波时间反转的自聚焦过程中,时间反转法均可实现提高声波信号的信噪比,并产生较高的聚焦增益。板材中疲劳裂纹的大小对声波自聚焦的峰值幅度影响不大,当出现宏观裂纹时,时域波形聚焦峰值区域出现等幅方波,在其相对应频谱中,出现新的频率成分即三次谐波。 （4）对传统的时间反转法进行了改进,使得疲劳裂纹识别方法的实现可通过两种方式实现即：非线性谱分析-时间反转法和时间反转-非线性谱分析法,两者方法对于损伤识别并无明显差别。 （5）和频波与差频波对识别板材中有无疲劳裂纹敏感程度较高。利用和频波可以识别疲劳裂纹的大小,可识别的最小疲劳裂纹长度为0.5mm。 本项目的创新之处在于： （1）提出了金属板材中的疲劳裂纹识别的新方法：即采用两种不同频率超声信号同时激励被测金属板材,若板材中出现疲劳裂纹,则将在时域信号中将产生调幅,相应的频域信号中产生调制频率,提取非线性调制频率为识别疲劳裂纹的特征参数,可以准确快速的判断出被测板材中有无疲劳裂纹。 （2）将传统时间反转法和非线性谱分析相结合,改进为时间反转-非线性谱分析法或非线性谱分析-时间反转法,采用两个不同频率的超声信号激励金属板材,通过和频波信号来识别疲劳裂纹的大小。