非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)分辨力和靈敏度的確定方法

特種設(shè)備中的金屬構(gòu)件的服役環(huán)境往往極為復(fù)雜，可能出現(xiàn)的損傷形式包括塑性損傷、疲勞損傷、蠕變損傷等。金屬構(gòu)件的損傷過程通常會(huì)經(jīng)歷初期的微損傷到微裂紋，再由微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展形成宏觀開裂。一般認(rèn)為，微損傷和微裂紋時(shí)期屬于金屬材料壽命周期的早期階段，而目前包括超聲、射線、磁粉、滲透和聲發(fā)射檢測(cè)等在內(nèi)的傳統(tǒng)方法均只能實(shí)現(xiàn)對(duì)晚期階段的宏觀開裂的檢出。因此，尋求一種針對(duì)材料壽命周期早期階段的檢測(cè)方式顯得極為重要。針對(duì)上述問題，非線性超聲檢測(cè)技術(shù)在眾多無損檢測(cè)方法中脫穎而出。根據(jù)非線性的來源不同，可分為經(jīng)典非線性效應(yīng)和接觸非線性效應(yīng)，其中微損傷階段對(duì)應(yīng)經(jīng)典非線性效應(yīng)；微裂紋階段對(duì)應(yīng)接觸非線性效應(yīng)。經(jīng)典非線性效應(yīng)來自材料本身，是材料介質(zhì)的固有屬性，一般認(rèn)為與晶格的非簡(jiǎn)諧性有關(guān)，并且會(huì)隨著損傷的累積逐漸增強(qiáng)。現(xiàn)有理論認(rèn)為接觸非線性效應(yīng)的來源可看作超聲波在穿過界面處時(shí)產(chǎn)生的“呼吸效應(yīng)”，當(dāng)超聲波傳播到界面處時(shí)，超聲波的壓縮相和拉伸相導(dǎo)致裂紋界面出現(xiàn)周期性開合現(xiàn)象，產(chǎn)生了接觸非線性效應(yīng)。按照具體檢測(cè)方法，非線性超聲檢測(cè)技術(shù)又可分為二次諧波檢測(cè)技術(shù)、非線性混頻檢測(cè)技術(shù)以及基于相控陣的非線性超聲成像技術(shù)等。由于二次諧波法在實(shí)際檢測(cè)中最易實(shí)現(xiàn)，故其應(yīng)用最為廣泛。實(shí)際檢測(cè)環(huán)節(jié)中，非線性超聲技術(shù)應(yīng)用面臨的最大技術(shù)困難是檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性差。而檢測(cè)分辨力及檢測(cè)靈敏度亦為影響檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性的兩個(gè)關(guān)鍵要素。這兩個(gè)指標(biāo)受測(cè)量?jī)x器選擇、部件連接方式、耦合劑種類、信號(hào)處理方法選擇等因素影響。在傳統(tǒng)線性超聲框架內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)分辨力是指檢測(cè)系統(tǒng)能夠分辨一定大小的兩個(gè)相鄰缺陷的能力，主要受超聲波的脈沖寬度影響。檢測(cè)靈敏度是指整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)最小缺陷的能力，主要由超聲波的頻率決定。同時(shí)，在一系列標(biāo)準(zhǔn)中明確了二者的測(cè)定方法。而在非線性超聲領(lǐng)域，尚無明確的關(guān)于檢測(cè)靈敏度及檢測(cè)分辨力的定義，目前的研究者們只是通過一定的工裝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等方法來提高其檢測(cè)能力。同時(shí)，從二次諧波檢測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法中可以看出，該技術(shù)存在如下的弊端：由于系統(tǒng)電路、耦合劑等的影響，接收信號(hào)中會(huì)或多或少的包含非損傷帶來的非線性效應(yīng)，即系統(tǒng)非線性效應(yīng)，其表現(xiàn)形式同樣為二次諧波，故系統(tǒng)非線性效應(yīng)難以徹底排除?；诖?，文章設(shè)計(jì)了確定非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)分辨力和檢測(cè)靈敏度的方法，并利用型號(hào)為RAM-5000SNAP的非線性超聲測(cè)試設(shè)備和設(shè)計(jì)的試件，通過試驗(yàn)方式驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)、儀器部件連接方式和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)檢測(cè)分辨力和檢測(cè)靈敏度的影響，同時(shí)找到了去除系統(tǒng)非線性效應(yīng)影響的方法。1試驗(yàn)原理二次諧波法中，將材料本身的非線性系數(shù)表示為：則測(cè)量得到的相對(duì)非線性系數(shù)β′可記為材料非線性部分βm引入的以及系統(tǒng)非線性βs引入的函數(shù)之和的形式：可以看出，在非線性超聲檢測(cè)方式、參數(shù)不變的情況下，即f(βs)、k不變，固定βm或X，相對(duì)非線性系數(shù)β′可與聲波傳輸距離X或材料非線性βm呈線性關(guān)系。由于實(shí)際中很難加工出材料非線性βm呈線性變化的若干試件，故選用了加工不同試件厚度X的方式去構(gòu)造線性系統(tǒng)。即由檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)、若干不同厚度試件組成一個(gè)線性系統(tǒng)：y=Kx+B（其中K>0，B>0，x≥0），其描述方式如下：系統(tǒng)的檢測(cè)分辨力設(shè)x1、x2為兩個(gè)不同試件的厚度，且x1<x2，則系統(tǒng)的檢測(cè)分辨力大對(duì)應(yīng)于不同非線性源的區(qū)分度大，該線性系統(tǒng)下等同于x1、x2固定情況下的(Kx2+B)/(Kx1+B)值，推導(dǎo)可得到隨著斜率截距之比(K/B)的增大檢測(cè)分辨力提高，故可用(K/B)表征檢測(cè)分辨力。系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度檢測(cè)靈敏度為系統(tǒng)相同輸入變化量引起的輸出量變化，即Δx引起的Δy的改變，則在該線性系統(tǒng)情況下隨著斜率K的增大檢測(cè)靈敏度增加，故可用K表征檢測(cè)靈敏度。系統(tǒng)非線性的確定由相對(duì)非線性系數(shù)β′與聲波的傳播距離X的線性關(guān)系，可得該直線的截距即為系統(tǒng)非線性引起的相對(duì)非線性系數(shù)部分（材料引入的部分為0），即為f(βs)。在實(shí)際檢測(cè)中，將測(cè)得的相對(duì)非線性系數(shù)βm′減去該部分即可得到真實(shí)的只包含材料引起的相對(duì)非線性系數(shù)。2非線性超聲檢測(cè)試驗(yàn)01試件制備按照上述試驗(yàn)原理構(gòu)想，設(shè)計(jì)了4個(gè)不同厚度的鋁合金6061-T6長(zhǎng)方體金屬塊，其實(shí)物如圖1所示，試件橫截面均為邊長(zhǎng)為30mm的正方形，厚度分別為20，25，30，35mm。4個(gè)試件的上下表面均用銑刀銑平，保證表面條件相同。如果沒有系統(tǒng)非線性效應(yīng)的影響，則應(yīng)有各試件測(cè)得的相對(duì)非線性系數(shù)之比β20′∶β25′∶β30′∶β35′=20∶25∶30∶35=1∶1.25∶1.5∶1.75。圖1不同厚度試件實(shí)物02檢測(cè)試驗(yàn)非線性超聲試驗(yàn)系統(tǒng)整體布置方式如圖2(a)所示，由RAM-5000SNAP系統(tǒng)產(chǎn)生高能射頻脈沖串，電信號(hào)經(jīng)歷終端匹配負(fù)載、衰減器以及低通濾波器后驅(qū)動(dòng)標(biāo)稱中心頻率為5MHz的窄帶發(fā)射壓電換能器，并將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波信號(hào)傳入試件。聲波在試件傳播過程中將與材料相互作用，在試件的另一端由標(biāo)稱中心頻率為10

MHz的寬帶接收壓電換能器接收聲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。圖2非線性超聲試驗(yàn)系統(tǒng)示意及發(fā)射、接收傳感器的掃頻結(jié)果發(fā)射、接收傳感器掃頻結(jié)果如圖2(b)、(c)所示，可以看出發(fā)射換能器峰值頻率接近5MHz，而接收換能器在5MHz、10MHz都具有較好的響應(yīng)，能夠滿足同時(shí)接收基波與二次諧波的能力。之后電信號(hào)分兩路輸入到RAM系統(tǒng)的接收器1、2通道，其中一路未經(jīng)濾波為基波時(shí)域信號(hào)，由于基波幅值相對(duì)較大，這里采用了信號(hào)采樣器以降低其幅值使之與接收器匹配；另一路通過帶通濾波器（頻率為10MHz）進(jìn)行濾波并被有效放大，繼而獲得諧波信號(hào)。試驗(yàn)過程中同時(shí)采用TektronixTDS3054C示波器觀察并記錄兩通道的時(shí)域信號(hào)。設(shè)置了3組對(duì)比試驗(yàn)，以比較不同試驗(yàn)參數(shù)和不同儀器部件連接方式的檢測(cè)分辨力和檢測(cè)靈敏度。對(duì)比試驗(yàn)一中，聲波脈沖串長(zhǎng)度固定為2.8μs，改變聲波的發(fā)射頻率，其他參數(shù)不變。對(duì)比試驗(yàn)二中，在發(fā)射頻率固定為5MHz且其他參數(shù)不變的情況下，分別以在發(fā)射換能器前加入低通濾波器與不加低通濾波器的方式完成非線性試驗(yàn)并進(jìn)行測(cè)量。對(duì)比試驗(yàn)三中，分別采用相敏檢波和快速傅里葉變換的方式處理接收信號(hào)。試驗(yàn)所用耦合劑為高純度甘油，同時(shí)為了保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，自行設(shè)計(jì)了夾具系統(tǒng)，通過具有相同位置開孔的上下兩塊有機(jī)玻璃模具保證兩換能器的共線，并且每次測(cè)量均采用相同質(zhì)量的砝碼置于有機(jī)玻璃上方，保證換能器與試件間的接觸壓力一致，間接保障了每次測(cè)量中耦合條件的一致，夾具系統(tǒng)及試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖3所示。圖3夾具系統(tǒng)及試驗(yàn)裝置實(shí)物對(duì)比試驗(yàn)一首先對(duì)不同頻率下（3~7MHz）的基波、二次諧波幅值進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算相應(yīng)的相對(duì)非線性系數(shù)，變化曲線如圖4所示，其中黑色線為基波幅值隨頻率的分布，紅色線為二次諧波幅值隨頻率的分布，藍(lán)色線為計(jì)算出的不同頻率下的相對(duì)非線性系數(shù)。圖4基波、二次諧波幅值、相對(duì)非線性系數(shù)隨頻率的變化曲線由圖4可以看出，不同頻率下相對(duì)非線性系數(shù)差異由系統(tǒng)總體決定，常規(guī)選擇的5MHz發(fā)射頻率相較于最大情況只有一半左右，不同頻率下系統(tǒng)所激發(fā)的非線性效應(yīng)有所差異。對(duì)4.5~6.0MHz頻域內(nèi)進(jìn)行細(xì)掃，采樣時(shí)經(jīng)256次平均及4次重復(fù)性試驗(yàn),所得結(jié)果如圖5所示。最終選定了最常見的5MHz及非線性效應(yīng)較強(qiáng)的5.6MHz作為驗(yàn)證、衡量上述關(guān)于檢測(cè)分辨力和檢測(cè)靈敏度的聲波發(fā)射頻率。圖5相對(duì)非線性系數(shù)隨頻率的變化曲線兩種激勵(lì)頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波時(shí)域信號(hào)如圖6所示，為了提高信號(hào)的信噪比，已利用示波器將接收時(shí)域信號(hào)平均了256次。在時(shí)域信號(hào)中可以看出，隨著試件厚度的增加，即聲波傳播距離的增加，基波幅值近似保持不變，而二次諧波幅值逐漸放大，且5.6MHz情況下的諧波幅值更大，非線性效應(yīng)更強(qiáng)。圖6兩種激勵(lì)頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波接收時(shí)域信號(hào)通過系統(tǒng)相敏檢波功能，對(duì)上述時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻域分析，兩種聲波發(fā)射頻率所得的不同試件頻譜特征如圖7所示，可見接收信號(hào)能量集中于發(fā)射頻率的5，5.6MHz以及二次諧波的10，11.2MHz頻率處。圖7兩種激勵(lì)頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波接收信號(hào)的頻域特征接下來驗(yàn)證所搭建非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性，理論上非線性系數(shù)為材料的固有屬性，故在改變輸入電壓的情況下，由接收信號(hào)的基波幅值A(chǔ)1與二次諧波幅值A(chǔ)2所組成的相對(duì)非線性系數(shù)不應(yīng)改變，如圖8所示，可以看出各試件在兩種發(fā)射頻率下的相對(duì)非線性系數(shù)均不隨輸入電壓改變，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。圖8相對(duì)非線性系數(shù)隨系統(tǒng)輸出水平的變化曲線對(duì)各個(gè)試件按照上述試驗(yàn)方式，進(jìn)行4次重復(fù)性測(cè)試，每次測(cè)試過程都會(huì)完全移開探頭并重新添加耦合劑。其中誤差棒為4次試驗(yàn)結(jié)果的均方根值，可以看出試驗(yàn)的重復(fù)性良好。將兩個(gè)發(fā)射頻率下，相對(duì)非線性系數(shù)與試件厚度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖9所示。圖9兩個(gè)聲波發(fā)射頻率下相對(duì)非線性系數(shù)隨試件厚度的變化曲線在聲波發(fā)射頻率為5MHz時(shí)，斜率截距之比為0.1542，斜率為0.00391。聲波發(fā)射頻率為5.6MHz時(shí)，斜率截距之比為0.1539，斜率為0.00744?？梢钥闯觯瑑煞N聲波發(fā)射頻率下的斜率截距之比接近，即檢測(cè)分辨力接近，而5.6MHz情況下的斜率更高，則說明其檢測(cè)靈敏度更高，故聲波發(fā)射頻率為5.6MHz的試驗(yàn)參數(shù)更優(yōu)。對(duì)比試驗(yàn)二對(duì)比試驗(yàn)二中，最終得到的兩種連接方式下，相對(duì)非線性系數(shù)與試件厚度的線性擬合關(guān)系如圖10所示。圖10兩種連接方式下相對(duì)非線性系數(shù)隨試件厚度的變化分別計(jì)算出兩種連接方式下斜率截距比為0.1542和0.1229，兩種連接方式的斜率分別為0.00391和0.00414?？梢钥闯?，相較于未加低通濾波器的連接方式，加入低通濾波器后系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度大致相同，但檢測(cè)分辨力明顯提高，故加入低通濾波器時(shí)檢測(cè)效果更優(yōu)。對(duì)比試驗(yàn)三通過快速傅里葉變換（FFT）方式處理圖6中的時(shí)域信號(hào)，所得頻域結(jié)果如圖11所示，可以看出其能量分布與圖7中利用相敏檢波得到的結(jié)果近似。圖11FFT得到的發(fā)射頻率5MHz及5.6MHz的接收信號(hào)頻域特征計(jì)算得到兩個(gè)發(fā)射頻率下各試件厚度的相對(duì)非線性系數(shù)如圖12所示，同時(shí)與相敏檢波（PSD）得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可見數(shù)據(jù)的處理方法對(duì)擬合結(jié)果影響不大。圖12兩種數(shù)據(jù)處理方法下相對(duì)非線性系數(shù)隨試件厚度的變化對(duì)比曲線3分析與討論試驗(yàn)中試件厚度依次為20，25，30，35mm，由于材料相同，表面狀況相同，故其非線性系數(shù)之比理論上應(yīng)為1∶1.25∶1.5∶1.75。由于系統(tǒng)非線性的干擾，實(shí)際測(cè)量值如表1所示，5，5.6MHz聲波發(fā)射頻率下所得相對(duì)非線性系數(shù)之比分別為1∶1.197∶1.361∶1.575及1∶1.177∶1.372∶1.561。表1相對(duì)非線性系數(shù)實(shí)際測(cè)量值由該線性系統(tǒng)相對(duì)非線性系數(shù)與試件厚度的關(guān)系可知，當(dāng)試件厚度為0時(shí)的相對(duì)非線性系數(shù)即為系統(tǒng)非線性部分引入的相對(duì)非線性系數(shù)，即擬合直線的截距部分。將測(cè)量相對(duì)非線性系數(shù)減去系統(tǒng)非線性所得的結(jié)果如表1所示，此時(shí)相對(duì)非線性系數(shù)之比分別為1∶1.261∶1.478∶1.761及1∶1.234∶1.492∶1.743，都接近于1∶1.25∶1.5∶1.75?？梢?，通過該方法去除系統(tǒng)非線性后，測(cè)量結(jié)果能真實(shí)反映非線性效應(yīng)的大小、表征超聲非線性強(qiáng)度的變化。4結(jié)語設(shè)計(jì)了確定非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)分辨力和檢測(cè)靈敏度的方法，利用型號(hào)為RAM-5000SNAP的非線性超聲測(cè)試