专利名称：一种基于非线性声学的材料无损检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体材料无损检测方法及设备领域，具体涉及的是利用声波在材料和结构中传播产生的非线性声学特性对材料的内部结构和缺陷进行检测的方法和装置。
背景技术：
目前，超声(或声学)无损检测技术已经在材料无损检测领域得到了广泛的应用。当前的声学无损检测技术主要以线性超声为主，主要应用的技术有超声C扫描检测、相控阵超声检测、超声导波检测、激光超声检测等[I] [2]。这些超声检测方法均是采用线性超声，即检测使用的检测超声波幅值极�。沙ùナ辈挠Ε陀Ρ渚≈担耸苯橹手谐ǖ拇プ裱咝杂α�-应变关系。线性超声对于材料中的微小缺陷，如微裂纹、界面脱层、脱粘等，往往不是很敏感，尤其是当缺陷并未形成明显的界面时，线性超声 则无能为カ。而早期微缺陷的无损检测对复合材料和构件的可靠性评估及寿命预测更为重要，因此需要大力发展针对微缺陷的超声无损检测方法和技木。非线性超声检测正是在这种背景下逐渐发展起来的。非线性超声检测是利用超声波在材料中传播时，介质或微小缺陷与它相互作用产生的非线性响应信号，来进行材料性能的评估和微小缺陷的检测，本质上反映的是微小缺陷对声波非线性的影响。非线性超声检测使用大幅度的超声波(有限幅度超声)，超声波传播时受介质应力-应变关系非线性的影响增强，超声非线性响应信号幅度变大，在传统超声的线性波动方程中増加了谐波部分。把波动方程中的二次谐波与基波(即线性项)的系数比值定义为非线性声參量B/A，它的大小反映了超声在传播过程中非线性效应的强弱。已有的研究表明，超声波在复合材料界面缺陷处传播显示出非常明显的非线性，出现较多的非常规谐波和非线性波形畸变，而在材料均匀处则不会产生这些谐波和畸波[3] [4]。近年来，国内外学者在利用非线性超声检测材料微缺陷方面进行了一系列的研究。日本超声材料诊断实验室Kawashima等对材料的粘结界面、焊接薄壁和焊缝接触面等微小裂纹进行了试验研究，采用高能量的脉冲信号产生大振幅的入射波，通过具有带通滤波的接收放大器来提取二次谐波信号，再结合常规的C扫描成像系统，实现了对微裂纹的检测[6] [7]。国内南京大学陈建军、毛ー崴等利用非线性接触声学(Contact AcousticNonlinearity, CAN)对预制的复合材料界面缺陷进行验证检测，探測到的缺陷位置和形状与预制的结果非常相近[8]。但是，在上述非线性声学检测研究中所采用的用以激励待测试件的发射信号均为猝发声(Tone Burst)信号[6] [7] [9] [10]，即在连续单频信号中通过脉冲门控装置截取的若干个连续完整周期的信号，如图I所示。Tone Burst信号是对连续单频信号通过矩形窗加窗处理的结果，其频谱为sine函数形式，其在频率域上存在大量旁瓣，频率展宽严重。因此Tone Burst信号与其高次谐波在频域上存在较为严重的混叠，如图2所示。这种频域混叠会导致在系统接收到的信号中无法将基频信号与高次谐波信号有效地分离开，从而大大影响对非线性信号的检测性能。
特别是考虑到由于材料的声学非线性往往很弱，通常B/A的量级为O. I甚至更�。诩觳庀低辰邮盏降男藕胖懈叽涡巢ǔ煞帜芰吭缎∮诨党煞�。此外，当声信号在材料的传播过程中，衰减一般与声信号的频率近似成负指数关系，即频率越高衰减越大。因此，高次谐波信号在材料中的衰减也较基频信号更为严重，甚至造成谐波信号完全淹没在基频信号的频域扩展中而无法检測。因此减少基频信号以及各次谐波信号间的频域混叠对于非线性检测系统的性能至为关键。为了減少Tone Burst信号的基频以及高次谐波信号的频域混叠，通常在时域采用较长的矩形窗，即采用更多的信号周期，从而降低Tone Burst信号在频域上的旁瓣。然而更长的发射脉冲同时也意味着轴向分辨率的降低，这意味着对于微小缺陷检测能力的下降。因此使用传统Tone Burst发射信号的非线性声学检测系统存在着非线性检测能力与轴向分辨能力二者相互制约这ー难以克服的问题，从而大大制约了其发展和应用。參考文献 [I]周正干，复合材料的超声检测技术，航空制造技术，2009 (8) :70-73[2]葛邦，杨涛，高殿斌，李明，复合材料无损检测技术研究进展，玻璃钢/复合材料，2009 (6) :67-71[3]朱金林，刘晓宙，周到，龚秀芬，声波在有裂纹固体中的非经典非线性传播，声学学报，2009, 34:234-241[4] I Solodov, Nonlinear Acoustic NDT !Approaches, Methods, andApplications,5thInternational Workshop NDT in Progress,Prague,CzechRepublic,2009[5]周正干，刘斯明.非线性无损检测技术的研究、应用和发展.机械工程学报，2011，47 ⑶:2 — 11[6]K. Kawashima, M. Murase, Y. Ohara, et al, Nonlinear C-Scan AcousticMicroscope and its Application to しharacterization of Diifusion-BondedInterfaces of Different Metals, Nov2004 Vol. 9 No. 11, WCNDT 2004 Edition[7]K. Kawashima, M. Murase, R. Yamada, et al, Nonlinear ultrasonic imaging ofimperfectly bonded interfaces, Ultrasonics, 2006，44:el329 - el333[8]陈建军，毛ー崴，接触非线性方法检测界面粘接状态的研究，声学技术増刊，2004 33-34[9]Ted Christopher, Experimental investigation of finite amplitudedistortion-based, second harmonic pulse echo ultrasonic imaging, IEEE Trans.UFFC, VOL. 45，NO. I, JANUARY 1998，p. 158-162[10]P. ffu, T. Stepinski, Ultrasonic Harmonic Imaging inNondestructive Evaluation:Preliminary Experimental Study, IEEE UltrasonicsSymposium, 2000:801-90
发明内容
本发明的目的在于提供一种非线性声学无损检测方法与装置，其能够降低接收信号中基频信号以及各次谐波信号之间的频率混叠，提高系统对非线性成分的检测能力，同时不造成系统轴向分辨能力的下降。本发明提供的技术方案如下一种基于非线性声学的材料无损检测方法，包括如下步骤I)将被测试件装夹于检测装置的夹具上以进行扫描；2)检测装置中的发射信号生成単元生成发射信号，并通过功率放大器和匹配网络驱动发射换能器发射声信号；3)接收单元将接收到的散射或透射信号经过放大、滤波和数字化后，进行多通道带通滤波和匹配滤波处理，将接收信号中的基频和各次谐波信号分离出来；4)对分离出来的各次谐波信号进行进一歩后处理并存储；5)改变扫描位置，重复步骤2) _4)，对被测试件的每个指定位置进行声学检测；6)若全部扫描完成，则对所获得的全部位置上的各次谐波数据进行分析、图像合成并显示及存储,完成整个检测过程；其中，步骤2)中的发射信号是通过使用高斯窗函数对单频信号加窗从而得到的高斯包络信号。所述的检测方法，所述高斯包络信号的形式如下
权利要求
1.一种基于非线性声学的材料无损检测方法，包括如下步骤1)将被测试件装夹于检测装置的夹具上以进行扫描；2)检测装置中的发射信号生成单元生成发射信号，并通过功率放大器和匹配网络驱动发射换能器发射声信号；3)接收单元将接收到的散射或透射信号经过放大、滤波和数字化后，进行多通道带通滤波和匹配滤波处理，将接收信号中的基频和各次谐波信号分离出来；4)对分离出来的各次谐波信号进行进一步后处理并存储；5)改变扫描位置，重复步骤2)-4)，对被测试件的每个指定位置进行声学检测；6)若全部扫描完成，则对所获得的全部位置上的各次谐波数据进行分析、图像合成并显示及存储，完成整个检测过程；其中，步骤2)中的发射信号是通过使用高斯窗函数对单频信号加窗从而得到的高斯包络信号。
2.如权利要求I所述的检测方法，其特征是，所述高斯包络信号的形式如下
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征是，a的值根据实际检测应用对轴向分辨力的需求通过实验确定。
4.如权利要求2所述的检测方法，其特征是，步骤3)中，即对接收信号信号的处理上， 先使用带通滤波器组分别将接收信号中的基频和各阶谐波成分分离，然后对分离后的基频和各次谐波信号分别使用相应的匹配滤波器进行匹配滤波处理；其中，匹配滤波器的结构采用拷贝相关器结构，并将发射的高斯包络信号及其各阶高次谐波信号作为拷贝相关器的参考信号。
5.如权利要求I所述的检测方法，其特征是，步骤5)中，通过扫描装置的运动，改变发射换能器与试件的在X-Y平面上的相对位置，从而实现对整个被测试件的X-Y平面二维扫描；通过发射换能器在沿声束方向上的机械扫描，并结合本方法具有的较高的轴向分辨率的优点，可以实现在对试件在轴向上的扫描，从而可以完成对试件的三维非线性声学特性扫描，借以实现对试件中微缺陷的三维精确定位。
6.一种基于非线性声学的材料无损检测装置，包括用于对试件进行机械扫描的扫描平台、信号发生单元(I)、发射数/模转换器(2)、发射功率放大器及匹配网络(3)、同步单元(4)、接收信号处理单元(5)、发射换能器(7)、接收换能器(8)、接收前置放大器(9)、接收模 /数转换单元(10)，其特征是，所述信号发生单元(I )，用于产生高斯包络发射信号，该单元生成发射信号所有采样点的数据，然后将生成数据送入发射数/模转换器(2)中转换成模拟信号；信号发生单元(I) 与发射功率放大器及匹配网络(3)相连接，将生成的信号送入发射功率放大器进行放大；另外，信号发生单元(I)还与同步单元(4)相连接，将生成的发射信号通过同步单元送到接收信号处理单元(5)，作为接收信号处理单元中匹配滤波器的参考信号；所述发射换能器(7)，与发射功率放大器及匹配网络(3)相连接，在发射功率放大器的激励下发射声信号；所述接收换能器(8)，将接收到的声信号转换为电信号，然后送入接收前置放大器(9) 进行放大；所述接收模/数转换单元(10)，将接收前置放大器(9)放大后的接收信号数字化后送给接收信号处理单元(5);所述接收信号处理单元(5)，从接收信号模/数转换单元(10)取得数字化后的接收信号；该单元还与同步单元(4)相连接，通过同步单元(4)实现与数据发生单元(I)的同步；所述接收信号处理单元(5)，包括接收信号处理通路上的带通滤波器组(12)，用于分离接收信号中的基频和各次谐波成分；还包括位于带通滤波器组之后的匹配滤波器组(6)，用于处理被前述滤波器分离后的基频和各次谐波信号。
7.如权利要求6所述的检测装置，其特征是，还包括后处理单元(11)，接收信号处理单元(5)与后处理单元(11)相连接，将处理后的接收信号送给后处理单元(11)进行后处理， 所述后处理包括信号的处理和显示。
8.如权利要求6所述的检测装置，其特征是，发射换能器(7)和接收换能器(8)的布置方式包括收发换能器分离的透射方式、收发分离且倾斜对置的反射方式以及收发换能器合一的反射方式。
9.如权利要求6所述的检测装置，其特征是，所述信号发生单元(1)，其中数据的产生通过运行在处理器上的程序实现，或者通过可编程器件中的逻辑实现。
全文摘要
本发明公开了一种基于非线性声学的材料无损检测方法和装置。包括使用高斯包络对基频信号进行加窗形成发射信号；在接收端对接收信号中的各次谐波成分分别采用相应带通滤波器进行滤波以实现对不同频率分量的分离；并且对分离后的各次谐波分量进行相应的匹配滤波处理实现对各谐波分量的最优检测。本发明提出的非线性声学检测方法具有信号中各次谐波分量之间频域混叠�。窍咝约觳饽芰Ω撸本哂薪细咧嵯蚍直婺芰Φ挠诺�。
文档编号G01N29/44GK102692453SQ201210192940
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者李法新, 高鹏 申请人:北京大学
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