非線性超聲波檢測的原理概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25301非線性超聲波檢測的原理概述 1234781.1超聲波特性及其檢測原理 154961.1.1超聲波的特性 1195701.1.2超聲波檢測原理 2180391.2超聲非線性系數(shù)與缺陷的關(guān)系 5226561.2.1超聲非線性系數(shù)的分析 5192751.2.2機(jī)械構(gòu)件缺陷引起超聲傳播非線性機(jī)理 6155261.3非線性聲學(xué)系數(shù) 7322721.3.1二次諧波法聲學(xué)非線性系數(shù) 7249171.3.2共線混頻非線性系數(shù) 8超聲波特性及其檢測原理超聲波的特性超聲本質(zhì)上是一種頻率大于20kHz的機(jī)械波。在彈性媒質(zhì)中，它通過震動傳播。在超聲波檢查上班中，常用的頻率是，其中具有最佳的超聲波穿透力，因此被廣泛應(yīng)用于混凝土檢查，軌道檢測等領(lǐng)域。由于其獨(dú)特的特性，超聲檢測技術(shù)已成為各個領(lǐng)域最重要的無損檢測技術(shù)之一。（1）方向性。超聲具有良好的指向性，隨著頻率的增加，能量越集中在聲束方向，指向性越好。利用這一性質(zhì)可以通過改變超聲波發(fā)射角度，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)內(nèi)部各方向的損傷進(jìn)行檢測識別；（2）反射性。超聲波在彈性媒質(zhì)中傳播過程中，遇見空氣，夾雜物等區(qū)別介質(zhì)的界面時，一部分能量會被反射回來，產(chǎn)生回波。當(dāng)介質(zhì)尺寸大于或等于入射波長時，超聲會反射到界面上。否則，超聲將繞過介質(zhì)繼續(xù)向前傳播，因此不會發(fā)生反射；（3）能量高。頻率越高，傳播能量大。如：在與振幅同樣的條件下，1MHz超聲生成的熱量大約是1kHz聲波的一百萬倍；（4）穿透性。由于超聲波所帶有的能量大，所以對很多材料都有很好的穿透性。尤其在某些金屬中，穿透力高達(dá)數(shù)米。超聲波檢測原理當(dāng)利用超聲波對被測試件進(jìn)行損傷檢測時，由于被測試件內(nèi)部的缺陷會導(dǎo)致材料的不連續(xù)性，聲阻抗產(chǎn)生突變，而這種突變會使超聲波發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，可以根據(jù)回波信息及聲波在不同介質(zhì)中的衰減特性，判斷被測試件中存在缺陷與否。其檢測流程如圖2-1：圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11檢測流程傳統(tǒng)的超聲根據(jù)其檢測原理的區(qū)別可分為脈沖反射法，脈沖透射法和共振法。脈沖反射法脈沖反射法主要運(yùn)用超聲的反射來檢測和識別被測配件的內(nèi)部缺陷。超聲波在在試件內(nèi)傳播時，如果遇到缺陷或試件邊界，會產(chǎn)生回波，根據(jù)回波信息來對缺陷進(jìn)行檢測。根據(jù)回波信息分析方式的區(qū)別，可分成脈沖回波法法，底波高度法和次底波法。1)、脈沖回波法。主要是根據(jù)超聲波在傳播途中遇到缺陷時反射回來的回波信息對缺陷進(jìn)行識別分析。其基本原理如圖2-2所示。當(dāng)被測位置無缺陷時，如圖2-2（a）所示，收到的回波信號僅包括發(fā)射波和底部回波。當(dāng)被測零件有缺陷時，缺點(diǎn)也會反射超聲，因此與完整試件相比，所接受到的回波信號還會多出一個由缺陷引起的回波，如圖2-2（b）所示。無缺陷有缺陷圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s12超聲波脈沖回波法2)、底波高度法。當(dāng)被測試件所用材料相同，且超聲波傳播方向高度一致時，底面回波的波幅理論上一致的；但是當(dāng)被測試件內(nèi)有缺陷時，則超聲波在穿透缺陷時會損耗一定的能量，因此會到達(dá)底面的能量會降低，即底面回波的波幅會下降。根據(jù)底面回波幅度的高低來區(qū)分被測配件的內(nèi)部缺點(diǎn)，稱為底波高度法。底波高度法對被測試件和測試條件有很高的要求，不僅要求材料、厚度不變，而且要求測試前后耦合條件一致。此外，該辦法還保存在缺陷定位和定量分析難等明顯優(yōu)缺點(diǎn)。所以該方法無法單獨(dú)使用，而是經(jīng)常與其他方法相配合使用，檢測一些微小的孔隙或裂紋。3)、多次底波法。如果試件很薄，當(dāng)用超聲檢查時，聲波會在發(fā)射表面和底部之間多次反射，形成多次回波，從而接受多次回波。若被測試件內(nèi)部含有孔隙、裂紋等缺陷，超聲波在穿透缺陷時，會損耗少許的能量，經(jīng)過被測面和底部之間多次反射以后，所損耗的能量積少成多，從而減少了底面回波的次數(shù)，也打破了底面回波多次反射間的能量衰減規(guī)律。該辦法通過最底部與完整試樣的回波數(shù)及衰減規(guī)律，可檢測是否存在缺陷，這種方法稱為多次底波法。多次底波法對被測試件和測試條件的要求與底波高度法近乎一致，唯一的不同點(diǎn)在于多次底波法更適用于薄試件。底波高度法與多次底波法的檢測靈敏度低于缺陷回波法。脈沖透射法脈沖傳輸法是基于對穿透試樣后接收波初至的幅值，頻率，時間差和波形特點(diǎn)的分析。主要用于建造行業(yè)樁基檢查，如橋梁樁基檢測等。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s13脈沖投射法檢測原理與脈沖反射法探頭放置位置不同，脈沖透射法的探頭放置位置如圖2-3所示，分別放置于被測試件的兩側(cè)且耦合良好，最終重要的一點(diǎn)是要求信號發(fā)射與接受探頭的聲軸位于同一直線。當(dāng)試件完好時，接受探頭接受到首波T。當(dāng)超聲遇到試樣中的缺陷時，由于缺點(diǎn)的保存在，超聲到達(dá)缺陷處時會發(fā)生反射，從而減少波的透射能量，最終導(dǎo)致接受到的首波信號波幅下降。另外，由于試件缺陷一般由空氣或其他傳播速度較慢的介質(zhì)填充，所以當(dāng)超聲波在穿透這些缺陷到達(dá)底面時，會使首波接受時間延長。共振法共振法主要用于通過超聲波共振檢查工件的缺陷或厚度。如果檢查中用的聲波的半波長是被測零部件厚度的整數(shù)倍，則此時會導(dǎo)致共振。利用這一原理，我們可以根據(jù)公式（2-1）對被測件的厚度進(jìn)行求解。 (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s11)其中，為超聲波波長；為被測件的固有頻率；和為相鄰兩個共振頻率；為被測試件的縱波聲速。當(dāng)被測件有缺陷時，會使其剛度降低，和也會隨之下降。超聲非線性系數(shù)與缺陷的關(guān)系超聲非線性系數(shù)的分析使用非線系數(shù)表征機(jī)械構(gòu)件早期缺陷（微塑性變形、微裂紋、孔洞以及殘余應(yīng)力等特征），是通過超聲非線性特性參數(shù)對金屬部件的材料非線性的特性，是金屬疲勞損傷分析反問題的范疇?；诠腆w材料的應(yīng)力-應(yīng)變聯(lián)系，表達(dá)了金屬構(gòu)件的材料非線性特點(diǎn)。本構(gòu)關(guān)系固體材料的非線性系數(shù)與結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)間存在一個定量關(guān)系。當(dāng)金屬材料內(nèi)部存在應(yīng)力或疲勞損傷時，二階彈性常數(shù)數(shù)值變化不大，但三階彈性常數(shù)數(shù)值卻會發(fā)生明顯的變化。由于三階彈性常數(shù)對微塑性變形更為過敏，因此金屬材質(zhì)具備微裂紋或殘余應(yīng)力的疲勞特性，因此非線性超聲檢測特征參數(shù)比線性超聲特征參數(shù)（如聲速、聲衰減等）對微塑性變形、微裂紋或殘余應(yīng)力等疲勞特征具有更高靈敏度。假如金屬材質(zhì)在變形過程中不保存在能量耗散，各種功都轉(zhuǎn)為彈性性質(zhì)。該彈性能與瞬時應(yīng)變和固體材料的形變歷史有關(guān)。假設(shè)彈性能僅與瞬時應(yīng)變有關(guān)，則有： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s12)式中，為單位體積的應(yīng)變能；為應(yīng)變張量；的系數(shù)為階彈性常數(shù)，如為二階彈性常數(shù)、為三階彈性常數(shù)。固體非線性高階彈性常數(shù)可表示公式（2-3）； (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s13)式中，為單位質(zhì)量內(nèi)能，為介質(zhì)密度。Breazeale等[35]利用超聲在固體中傳播的非線性特性用彈性常數(shù)表達(dá)。以連續(xù)介質(zhì)模型為例，領(lǐng)取了一維縱波在固體中傳播的非線性波動方程： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s14)式中，為質(zhì)點(diǎn)振動位移，為介質(zhì)密度，和分別為二、三階彈性常數(shù)。對沿方向傳播的超聲縱波，有，。將上述公式進(jìn)行相應(yīng)對比，二階超聲非線性系數(shù)與彈性常數(shù)之間具有定量關(guān)系，因此通過二階超聲非線性系數(shù)的檢測來獲取三階彈性常數(shù)，進(jìn)而評價固體介質(zhì)的非線性。超聲非線性系數(shù)反映了聲波在具有早起缺陷（微塑性變形、微裂紋或殘余應(yīng)力）的金屬構(gòu)件中傳播時發(fā)生畸變的程度，單頻諧波信號在具有非線性特性的金屬材質(zhì)中傳播時，會產(chǎn)生噪音。在頻域中，收到的超聲波信號的能量在基波被重新分布，諧波分量也被重新分布。（1）僅考慮二階超聲非線性系數(shù)時，那么接收信號的二次諧波幅值與成正比。（2）當(dāng)考慮三階超聲非線性系數(shù)時，接收信號的三次諧波幅值與成正比。當(dāng)換能器激勵聲波頻率以及收發(fā)換能器之間的距離固定不變時，如果接收信號的二次諧波幅值增加，則非線性系數(shù)的絕對值也相應(yīng)增加，畸變程度越明顯。因此，利用非線性超聲波檢測方法能檢測到接收到的超聲波信號中高次諧波幅值和基波幅值間的聯(lián)系，從而能預(yù)測金屬構(gòu)件疲勞損傷非線性特點(diǎn)的改變，預(yù)測金屬構(gòu)件的疲勞壽命。機(jī)械構(gòu)件缺陷引起超聲傳播非線性機(jī)理機(jī)械構(gòu)件早起缺陷與材料中的位錯、微塑性變形、微裂紋、殘余應(yīng)力等材料特性有關(guān)。機(jī)械構(gòu)件在循環(huán)載荷不斷變化的作用下，循環(huán)載荷的變化在主滑移面上形成位錯，隨著載荷循環(huán)周期的增加，位錯運(yùn)動促進(jìn)位錯累積形成位錯偶。位錯偶相互捕獲直至形成位錯偶的脈狀網(wǎng)絡(luò)，隨著循環(huán)周期的增加，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展直至位錯密度達(dá)到臨界值，形成持續(xù)滑移帶。金屬材質(zhì)的連續(xù)滑移帶能產(chǎn)生梯形平行壁。梯形由位錯偶形成，占滑移帶體積分量的10%。金屬材料內(nèi)部位錯可由二次位錯的內(nèi)應(yīng)力表征，也可由疲勞過程的塑性應(yīng)變幅度表示。隨著加載循環(huán)幾次的提高，二次位錯形成滑移帶的塑性硬化，隨著塑性應(yīng)變的積累，滑移帶形成了梯形結(jié)構(gòu)。在微裂紋萌生前，位錯的滑移與累積體現(xiàn)了金屬構(gòu)件疲勞損傷程度。當(dāng)金屬構(gòu)件中的位錯密度趨于飽和時，材質(zhì)的非線性特點(diǎn)更明顯。當(dāng)微裂紋形成時，微裂紋的上下兩端是封閉的；當(dāng)微裂紋擴(kuò)展時，微裂紋上下端面間距增大，微裂紋張開，引起超聲波高次諧波分量的衰減，導(dǎo)致了超聲波非線性特性參數(shù)的變化。非線性聲學(xué)系數(shù)二次諧波法聲學(xué)非線性系數(shù)高次諧波法最簡單的應(yīng)用是二次諧波法。它也是非線性超聲波檢查中研究最多，應(yīng)用最廣泛，最成熟的方法。這通常用于檢測金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，并檢查金屬結(jié)構(gòu)的損傷，二次諧波法的基本原理是，當(dāng)特定頻率的超聲波光束在材料內(nèi)傳播時，基本頻率波與材料的微觀結(jié)構(gòu)相互作用，如裂痕，孔洞，夾雜物等，在頻域內(nèi)會發(fā)生波形畸變，產(chǎn)生了二次諧波方法。當(dāng)超聲波縱波的光束傳播各向同性介質(zhì)（包括二次非線性）時，超聲波縱波的傳播非常復(fù)雜，超聲波縱波的一維分布如下： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s15)式中，表示材料密度，表示質(zhì)點(diǎn)位移，表示方向的正應(yīng)力，表示材料坐標(biāo)，表示時間。那么材料的二次非線性的本構(gòu)方程能夠表示為： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s16)式中，和分別是相應(yīng)的二階和三階材料彈性常數(shù)。因?yàn)?，所以非線性波動方程可以寫為： (STYLEREF1\s2-9)式中，是非線性參數(shù)，是材料的縱波聲速。波動方程（2-5）的解析解為： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s18)式中，對為頻率為的基頻波圓頻率，為基頻波波數(shù),為基頻波幅值，二次諧波幅值為。用數(shù)學(xué)變化，二次法非線性系數(shù)的聲學(xué)表達(dá)式能表示為： (STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s19)由式（2-9）可知，只要測基頻波的振幅和二次諧波的振幅，結(jié)合已知的波數(shù)，傳播距離等物理量，可得出二次諧波法的聲學(xué)非線性系數(shù)。共線混頻非線性系數(shù)混頻法也叫波束混疊方法。其基本原理是：在兩側(cè)向被測材料輸入兩個不同頻率的超聲。當(dāng)材料處在理想狀態(tài)且沒有缺陷時，倆超聲將繼續(xù)以其原始頻率在材料中傳染而不受影響。當(dāng)材料中存在微小缺陷時，兩個超聲場將在材料中相互作用，這就產(chǎn)生了頻率為的分量部分，出現(xiàn)超聲混合現(xiàn)象。圖2-4為超聲波混疊法的原理示意圖。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s14波束混疊法的基本原理通過對前一節(jié)的分析，當(dāng)超聲波在含有小缺陷的材料中傳播時，會產(chǎn)生非線性現(xiàn)象，并且在接收信號的頻域中產(chǎn)生二次諧波。當(dāng)激發(fā)的超聲波信號作用于不同頻率的材料時，非線性現(xiàn)象與單頻率激勵下不同，在接收信號的頻域中產(chǎn)生波束隔離。使用兩個不同頻率的激發(fā)信號同時激發(fā)材料，導(dǎo)致復(fù)雜的內(nèi)部聲場耦合現(xiàn)象。在復(fù)聲場耦合的情況下形成的非線性波方程不能獲得準(zhǔn)確的解析解和。在此基礎(chǔ)上，本文解決了非線性波方程，而不考慮衰減因子，忽略了高階非線性系數(shù)。金屬材料中，對于一維情況的分析，則比較容易。本文以沿方向傳播的一維縱波為例，忽略衰減，在各向同性介質(zhì)中，其波動方程如式所示(STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s110)其中表示質(zhì)點(diǎn)位移，是超聲波的傳播距離，是超聲波的波速，是超聲非線性參數(shù)。設(shè)定波動方程解的可寫為(STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s111)其中表示線性位移，由材料非線性引起的位移。如果其位移與聲波傳播的距離呈現(xiàn)正相關(guān)，則(STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC\s112)公式（2-12）中，是一個待確定的未知函數(shù)，其中。在兩個不同頻率的超聲波信號的情況下，其形式是(STYLEREF1\s2-SEQ(\*ARABIC