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
阅读说明：本技术 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 (Material performance degradation evaluation method and device based on ultrasonic guided wave quasi-static component ) 是由 李卫彬 肖俊 文放 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明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I-(0),计算I与I-(0)的差值,即可评估被检测材料性能退化程度。本发明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。本发明适用于高衰减材料,灵敏度高、检测范围广。(The invention discloses a material performance degradation evaluation method based on an ultrasonic guided wave quasi-static component, which comprises the following steps: applying an electric pulse signal, and converting the electric pulse signal through an inverse piezoelectric effect to form a fundamental frequency ultrasonic signal serving as excitation; coupling the fundamental frequency ultrasonic signal on the surface of one end of the detected material to enter the detected material for propagation, receiving the quasi-static component signal at the other end through an ultra-low frequency ultrasonic receiver, performing Fourier transform processing on the quasi-static component signal received by the ultrasonic receiver, and extracting the frequency spectrum signal intensity I; using intact standard material test pieces with the same specification, implementing the steps to obtain the signal reference strength I 0 Calculating I and I 0 The degree of the performance degradation of the detected material can be evaluated. The invention also discloses a material performance degradation evaluation device based on the ultrasonic guided wave quasi-static component. The invention is suitable for high attenuation materials, has high sensitivity and detection rangeWide application.)
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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，本发明采用以下技术方案：
本发明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，基频超声波信号的频率为fT。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fR，其中fR比fT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fR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。
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fR的频谱信号强度I。
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。
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fR≤0.5MHz。
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：
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：
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。
本发明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。
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。
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。
由于采用了上述结构，本发明具有如下有益效果：
1、本发明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。本发明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。
2、本发明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。
3、本发明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
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是楔块的结构示意图。
图3是实施例中发射信号的时间与幅值的关系图。
图4是发射信号的幅频特性曲线。
图5是实施例中接收的信号时间与幅值的关系图。
图6是经过傅里叶变换处理，得到对应图5的幅频特性曲线。
图7为无损伤的标准亚克力板的电镜图。
图8为带热损伤的被检测亚克力板的电镜图。
主要组件符号说明：
1：材料载台，2：信号发生器，3：滤波衰减集成器，4：超声激励换能器，41/51：压电陶瓷换能器，42/52：楔块，421：压电晶片滑移块，422：安装楔块，423：平衡块，424：安装件，5：超声接收器，6：功率放大器，7：示波器，8：计算系统，9：被检测材料。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，本发明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1、信号发生器2、滤波衰减集成器3、超声激励换能器4、超声接收器5、功率放大器6、示波器7及计算系统8。
材料载台1用于放置被检测材料9，本实施例中被检测材料9为高衰减材料，如颗粒增强复合材料、聚合物材料等。
信号发生器2用于发出电脉冲信号。信号发生器2发出的脉冲信号频率fT大于等于10MHz。
滤波衰减集成器3接收信号发生器2的电脉冲信号并高通滤波改善阻抗匹配后输出至超声激励换能器4。滤波衰减集成器3同时集成有滤波和衰减信号的作用，在其它实施例中，也可以采用分体式连接的滤波器和衰减器，起到相同的作用。
超声激励换能器4与超声接收器5分别固定在被检测材料的表面的两端。超声激励换能器4与超声接收器5均包括纵向振动的压电陶瓷换能器41/51和位于其上方的角度可调的楔块42/52。如图2所示，楔块42/52均包括压电晶片滑移块421、安装楔块422、平衡块423及安装件424，压电晶片滑移块421内设置有压电晶片，压电晶片上设有换能器信号线。安装楔块422表面为圆弧形，压电晶片滑移块421通过安装件424铰接在安装楔块422的圆心处，使压电晶片滑移块421通过安装件424可沿安装楔块422表面滑移。平衡块423固定在安装楔块422的侧边，平衡块423可以和安装楔块422一体成型，当压电晶片滑移块421滑移时，起平衡稳定的作用。超声波经过超声激励换能器4时，根据Snell定律，电脉冲信号先由楔块42进入，经压电陶瓷换能器41激励出特定模态的超声导波，然后超声导波进入被检测材料。而超声接收器5接收到超声信号时，先由压电陶瓷换能器51进行转换成电信号，再由楔块52射出。
激励的超声导波进入性能退化的被检测材料9中进行传输时，会发生非线性相互作用，从而产生载波中心频率接近零的准静态分量(非线性特征量)。
准静态分量信号于另一端被超声接收器5接收。超声接收器5为超低频超声导波接收器，其中心频率为fR。fR比fT低一个量级以上，以便于接收准静态分量信号。
功率放大器6接收从超声接收器发出的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7，示波器7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7的屏幕上，并同时导入至计算系统8。计算系统8为具有计算分析功能的电脑。
本发明还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，本发明的评估方法基于的原理为：高能超声导波在材料中传播时，会与结构中的一些微观缺陷(如疲劳，蠕变，老热退化等)相互作用从而引起准静态非线性响应，准静态分量载波频率接近零、衰减较小，且准静态非线性响应的强度与超声导波传播区域内的材料性能退化程度呈正相关性。通过适当的超声导波激励和测量装置来获取超声导波与被测试件作用产生的准静态非线性响应信号，再对比相同测试条件下完好无损试件的检测结果，评估出被测高衰减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。
以下结合本发明装置，对本发明的评估方法进行详细说明。
基于超声导波准静态分量的材料性能退化评估方法，包括以下过程：
S1.施加电脉冲信号
根据超声导波准静态分量强度和激励超声频率的平方成正比的先验知识，选择高频脉冲信号作为激励的基频超声波信号。利用信号发生器2产生频率为fT、周期数为n、汉宁窗调制的电脉冲信号，其中fT≥10MHz。本实施例中，发射的电脉冲信号如图3和图4所示。
S2.电脉冲信号转换为激励的基频超声波信号
将待检测的高衰减材料固定在材料载台1上。超声激励换能器4与超声接收器5分别固定在被检测材料9的表面的两端，其中超声激励换能器4的中心频率为fT，超声接收器5的中心频率为fR。
超声激励换能器4与超声接收器5的间隔为l。
电脉冲信号通过滤波衰减集成器3高通滤波并改善阻抗匹配后输入超声激励换能器4，超声激励换能器4的逆压电效应将电脉冲信号转换成基频超声波信号。
本实施例中，选用一带热损伤缺陷的亚克力板作为待检测的材料。
S3.信号传输和接收
基频超声波信号在被检测材料9一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5接收准静态分量信号。
基频超声波信号进入被检测材料9后，会与材料发生非线性相互作用，从而产生载波中心频率接近零的准静态分量(非线性特征量)，在另一端被超低频的超声接收器5接收。超声接收器5的中心频率为fR。
选择超低频的超声接收器5是为了便于接收载波频率接近零的准静态分量。要求fR比fT低一个量级以上，例如：fT为10MHz信号，则要求fR低于1MHZ。理论上是接收载波频率设置越低越好，为了更好的接收，优选设置fR≤0.5MHz。在实验室中设置0.5MHz低频超声接收器5即可接收到10MHz激励信号所产生的准静态分量。
fT、fR信号调制符合以下公式(1)：
其中，基频超声波的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使得信号调制符合公式1，可以让准静态分量一直跟随着主波包传播，减少能量损失，使得到的结果信噪比最佳。
S4.提取信号强度
将准静态分量信号通过功率换大器6进行加强，并通过示波器7观察、储存处理后的信号。本实施例中经亚克力板后接收的信号图谱如图5中灰色线条所示。
将接收信号导入计算系统8内，利用MATLAB软件对滤波后所储存的时域信号进行快速傅里叶变换处理，得到其对应的幅频特性曲线，如图6中灰色线条所示。从中提取频率为fR的频谱信号强度I(即幅值)，即对应图6中0.5MHZ处的信号强度幅值约为2.8。
对准静态分量信号的时域截断宽度τ需要满足以下公式(2)：
S5.与标准材料试件比较
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。本实施中将无损伤的亚克力板作为标准材料试件，经过电镜观察，获得图7，从图中可以看出，在电镜下，标准亚克力板的表面较为平滑，无损伤缺陷。同样的激励信号通过标准亚克力板接收到的准静态分量信号的图谱如图5中黑色线条所示。通过傅里叶变换处理，得到的幅频特性曲线，如图6中黑色线条所示，从中提取频率为fR的基准参考强度I0(即幅值)，即对应图6中0.5MHZ处的信号强度幅值约为2.3。
计算I与I0的差值即ΔI＝I-I0，即可评估被检测材料性能退化程度。本实施例中ΔI＝2.8-2.3＝0.5。通过电镜进行验证观察被检测的亚克力板，得到图8，从图8中可以明显看出，被检测的亚克力板表面具有众多缺陷痕迹。
差值ΔI越大，被检测材料性能的性能退化(损伤)程度越严重。根据这一评价方法，可以快速比较不同损伤的被检测材料中性能退化程度的大小。
综上，本发明利用超低频超声接收器测量出高频超声导波在高衰减材料中传播时所产生的非线性准静态分量幅值，来表征高衰减材料的性能退化程度。该方法属于非线性超声导波检测，检测灵敏度较高，实用性强，适于推广应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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