空氣耦合斜入射非線性檢測(cè)方法研究

常俊杰，余 盼，羅文斌,3，鐘海鷹，楊鄭弘

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江西 南昌 330063; 2.日本探頭株式會(huì)社，日本 橫濱 232-0033;3.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引 言

目前，超聲波被廣泛應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域。其中空氣耦合超聲檢測(cè)因其非接觸、不需耦合劑以及可在不損傷材料的情況下完成檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很大發(fā)展[1]。雖然激光和電磁超聲也可實(shí)現(xiàn)非接觸探測(cè)，但它們對(duì)被檢材料屬性有一定限制，且其超聲波集束的焦點(diǎn)與指向性難于控制而增加了檢測(cè)的技術(shù)難度。空氣耦合超聲檢測(cè)不但能夠彌補(bǔ)這方面的不足，而且可以實(shí)現(xiàn)快速在線檢測(cè)，具備良好的應(yīng)用前景。

在一般情況下，探傷檢測(cè)常采用垂直入射的方式，但由于受到試件形狀和側(cè)壁干涉等影響，在很多時(shí)候其應(yīng)用就受到了限制，而且空氣與常見金屬（如鋼、鋁等）的聲阻抗存在著近106級(jí)的差異，導(dǎo)致垂直入射時(shí)的界面損失高達(dá)45 dB，上下兩個(gè)界面共損失90 dB[2]，因此在很多情況下垂直入射法并不適用。傳統(tǒng)的線性超聲檢測(cè)通過時(shí)域信號(hào)對(duì)缺陷特征進(jìn)行分析，當(dāng)缺陷尺寸小于二分之一波長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波，導(dǎo)致信號(hào)反射和衰減等線性現(xiàn)象減弱[3-4]，從而難以檢測(cè)出這些微小缺陷，這也反映出傳統(tǒng)線性超聲波對(duì)材料微觀缺陷不夠敏感的缺點(diǎn)。

現(xiàn)代國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于斜入射非線性檢測(cè)方法有諸多研究，1936年Reissner從理論上推導(dǎo)出了縱波斜入射于浸在水中的板件的投射系數(shù)[5]；Sanders和Thomson等人通過試驗(yàn)證實(shí)了此理論也適用于浸在空氣中的板件透射系數(shù)的計(jì)算[6-7]；非線性聲學(xué)的概念在1755年被提出，自 1960年以來研究者開始利用聲學(xué)的非線性特性對(duì)材料進(jìn)行性能評(píng)估[8]；Hikata 等人發(fā)現(xiàn)了超聲波在鋼板中會(huì)產(chǎn)生諧波[9]；Sohn等基于超聲非線性響應(yīng)，提出了一種疲勞裂紋非線性檢測(cè)方法[10]；陳振華等人對(duì)薄板點(diǎn)焊采用濾波技術(shù)從接收信號(hào)中獲取高次諧波對(duì)微小缺陷進(jìn)行更加準(zhǔn)確地檢測(cè)[11]；西安建筑科技大學(xué)宋林等人建立了在不同頻率下透射系數(shù)與非線性超聲系數(shù)之間呈單調(diào)遞增的關(guān)系[12]。

雖然非線性檢測(cè)是當(dāng)前聲學(xué)檢測(cè)的一個(gè)熱點(diǎn)方向，而空氣耦合超聲因其非接觸，無損害、無損傷，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)受到了無損檢測(cè)工作者的青睞，然而他們涉及空氣耦合超聲的非線性檢測(cè)相關(guān)內(nèi)容非常少。綜上分析，本文將斜入射非線性檢測(cè)法應(yīng)用于空氣耦合超聲檢測(cè)中，采用具有一定傾斜角度的入射超聲波對(duì)鋼板進(jìn)行缺陷檢測(cè)并將檢測(cè)方式應(yīng)用于微觀缺陷的非線性檢測(cè)試驗(yàn)中，最后通過數(shù)值分析與試驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法驗(yàn)證了斜入射條件下非線性空氣耦合超聲檢測(cè)的可行性及高效性。

1 非線性試驗(yàn)原理

近年來國(guó)內(nèi)外非線性聲學(xué)的理論研究表明了微小缺陷非線性超聲檢測(cè)的可行性。非線性超聲檢測(cè)方式不同于以往傳統(tǒng)線性檢測(cè)，它通過分析缺陷處的頻域信號(hào)來進(jìn)行判別。非線性超聲檢測(cè)原理主要是當(dāng)聲波傳輸?shù)皆嚰械膿p傷區(qū)域時(shí)，介質(zhì)中的微小缺陷會(huì)與高能有限振幅聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，發(fā)生波形畸變（產(chǎn)生基頻波的二次及高次諧波信號(hào)），造成基波能量轉(zhuǎn)移[13-14]。因不同程度和不同大小的微觀缺陷所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)會(huì)存在差異，其二階非線性系數(shù)也會(huì)隨之變化[15]，因此，通過對(duì)超聲二階非線性系數(shù)進(jìn)行分析就可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部微觀缺陷的定性。

本文將非線性聲學(xué)理論和斜入射空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于空氣耦合的非線性檢測(cè)。在試驗(yàn)過程中只需要捕捉到超聲波遇到微觀缺陷時(shí)所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)非線性效應(yīng)進(jìn)行數(shù)字化分析，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀缺陷的檢測(cè)。當(dāng)單頻正弦信號(hào)波在試件中傳播一定距離后遇到微觀缺陷而引起非線性響應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的二次諧波如下式所示：

由上公式化簡(jiǎn)可得到非線性系數(shù)的表達(dá)：

式中：cl、cr、cs——縱波、橫波、瑞利波的聲速；

A1、A2——基頻波、倍頻波的幅值；

γ——聲學(xué)非線性系數(shù)；

ω——頻率；

文章通過設(shè)計(jì)懸垂控制器結(jié)構(gòu)、攝影測(cè)量及較為有效的圖像背景差分法進(jìn)行圖像處理，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將電纜位置信息轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，下一步將進(jìn)行算法優(yōu)化，提高信號(hào)轉(zhuǎn)換精度.

x——信號(hào)傳播距離。

由于在同一個(gè)試件中f(ω)的值是相同的，所以本文用相對(duì)非線性系數(shù)γ'表示在不同角度下非線性系數(shù)的變化[16]，以此來評(píng)價(jià)材料損傷情況。

2 試 驗(yàn)

2.1 斜入射和垂直入射的對(duì)比試驗(yàn)

雖然空氣耦合超聲檢測(cè)為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用帶來許多便利，但當(dāng)試件需要以較高的靈敏度和信噪比才可檢測(cè)缺陷時(shí)，垂直入射檢測(cè)方式不再滿足要求，圖1為垂直入射與斜入射的檢測(cè)示意圖。其中d為鋼板的厚度。

圖 1 不同方式的檢測(cè)方法

由表1材料參數(shù)經(jīng)過計(jì)算可得到垂直入射鋼板的透射情況，如圖2所示。其透射率隨著頻厚積的改變呈周期性變化，當(dāng)板厚是半波長(zhǎng)的倍數(shù)位置時(shí)會(huì)發(fā)生全透射，且與鋼板所接觸介質(zhì)無關(guān)。圖3顯示了聲波在鋼板中透射率對(duì)入射角的依賴關(guān)系，伴隨入射角的逐漸增大，透射率在達(dá)到最高值后突然減小，此時(shí)恰對(duì)應(yīng)于蘭姆波S0和A0模態(tài)的臨界角。

表 1 材料參數(shù)

圖 2 垂直入射鋼板的透射率

圖 3 入射角與透射率的關(guān)系

基于以上介紹，現(xiàn)進(jìn)行探傷檢測(cè)試驗(yàn)，首先采用縱波垂直入射的方法進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)試件為鋼板，板件尺寸為400 mm×400 mm×3 mm。發(fā)射與接收探頭為空氣耦合超聲探頭，晶片尺寸為20 mm×14 mm，頻率400 kHz。在試件上下兩側(cè)的同一垂線位置處各固定放置一個(gè)空氣耦合超聲探頭，上端為發(fā)射探頭，下端為接收探頭，且此試驗(yàn)裝置可以調(diào)節(jié)探頭的角度位置，為后面斜入射檢測(cè)試驗(yàn)提供方便。超聲發(fā)射接收器對(duì)其施加300 V的電壓，經(jīng)內(nèi)置帶通濾波器濾波和外置信號(hào)放大器對(duì)信號(hào)增幅后由接收器接收并顯示信號(hào)波，整體試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。調(diào)整兩探頭之間的縱向距離至18 mm，使探頭與試件水平面垂直，隨后逐漸調(diào)整入射角，角度每增加1° 采集一次信號(hào)波，其中當(dāng)垂直入射與入射角為8°時(shí)分別采集到的試驗(yàn)信號(hào)如圖5所示。

圖 4 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

圖 5 試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)

圖 5（a）和圖 5（b）分別是入射角為 0°和8°時(shí)的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，其歸一化幅值對(duì)應(yīng)于0.1和0.7。從兩幅圖的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)因入射角度的改變，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在明顯差異，且在入射角為8°時(shí)，檢測(cè)效果更好。試驗(yàn)采集了16組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論檢測(cè)試件是否存在缺陷，透射波信號(hào)值均會(huì)隨著入射角度的改變呈先增大后減小的總趨勢(shì)，且在8°附近時(shí)峰值達(dá)到最大，即透射率最高。

圖 6 鋼板試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

由圖7頻散曲線圖得到在頻厚積為1.2 MHz·mm時(shí)A0模態(tài)所對(duì)應(yīng)的相速度為2 469 m/s，根據(jù)Snell定理得出此時(shí)的臨界角為7.92°，恰好對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)中在入射角為8°時(shí)得到最大透射率的情況。試驗(yàn)證明，在斜入射條件下超聲波在傳播過程中可能會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致透射率增大。

圖 7 頻散曲線

試驗(yàn)中雖然通過試驗(yàn)裝置較精確地調(diào)整了角度，但通過采集的實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示并未達(dá)到A0模態(tài)臨界角處的全透射以及S0模態(tài)臨界角附近的較高透射率。這是由于試驗(yàn)設(shè)備發(fā)射接收的信號(hào)波并不是理想簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而是帶有一定頻寬的信號(hào)波，并且由于空氣耦合探頭的晶片尺寸有限，其產(chǎn)生的聲場(chǎng)也不是理想平面波，以上各原因?qū)е略囼?yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果存在一定誤差。基于以上驗(yàn)證，在非接觸空氣耦合無損檢測(cè)應(yīng)用中，斜入射檢測(cè)可以提高超聲波的透射率。本文進(jìn)一步對(duì)空氣耦合超聲非線性檢測(cè)微小缺陷及入射角度產(chǎn)生的影響進(jìn)行探討。

2.2 非線性檢測(cè)微損傷試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為A316L型奧氏體不銹鋼，試件經(jīng)過0.5 h的1 100 ℃高溫?zé)崽幚恚怪斐筛邷仄趽p傷而產(chǎn)生微觀缺陷。熱機(jī)械疲勞加工是由機(jī)械和溫度循環(huán)疊加完成，通過IN ST RON液壓伺服試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械循環(huán)，由拋物線內(nèi)壁燈和加熱爐實(shí)現(xiàn)溫度循環(huán)，加熱完畢后以自然對(duì)流的方式進(jìn)行溫度冷卻，經(jīng)由以上工序加工試件內(nèi)部形成了微觀缺陷。試驗(yàn)選擇Japan Probe公司生產(chǎn)的超聲發(fā)射接收器JPR-600C（為了發(fā)射寬頻帶的超聲，發(fā)射波形為線性調(diào)頻波），設(shè)置調(diào)頻比為200%、中心頻率1 MHz、波數(shù)為8，發(fā)射波形如圖8所示。使用發(fā)射探頭為1 MHz的空氣耦合超聲平探頭，接收探頭為2 MHz的空氣耦合超聲平探頭。采用垂直入射與斜入射兩種檢測(cè)方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與上述試驗(yàn)相同，每間隔1°采集一次數(shù)據(jù)。

圖 8 發(fā)射波形（線性調(diào)頻波）

2.3 結(jié)果分析

選擇有限幅度法，通過高能輸出單一頻率的大振幅超聲波，使得波在材料傳播中與缺陷相互作用產(chǎn)生波形畸變，形成高次諧波，最后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析得出基波和高次諧波的幅值。圖9為在垂直入射和斜入射角為5°時(shí)分別檢測(cè)到的信號(hào)波，用Matlab對(duì)時(shí)域信號(hào)的標(biāo)注部分做傅里葉變換得到圖9（b）和圖9（d）兩幅頻譜圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在斜入射情況下時(shí)域接收信號(hào)幅值增大24%，二次諧波幅值由0.018 2變?yōu)?.047 7，提高了162%。

圖 9 非線性空氣耦合超聲檢測(cè)

由式（4）獲取在每個(gè)角度下所對(duì)應(yīng)的相對(duì)非線性特征參數(shù)，用以評(píng)價(jià)材料的微小缺陷。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2。由表可知在斜入射條件下，檢測(cè)信號(hào)的基頻幅值基本沒有發(fā)生變化，而倍頻幅值出現(xiàn)先增大后減小的總趨勢(shì)，并且當(dāng)入射角為5°時(shí)非線性檢測(cè)信號(hào)倍頻幅值達(dá)到最大。由圖10可明顯看出隨著斜入射角度的逐漸增加，二階非線性系數(shù)同樣呈現(xiàn)先增大后減小的總趨勢(shì)。入射角在0°～5°的范圍內(nèi)相對(duì)非線性系數(shù)遞增，即檢測(cè)到缺陷處產(chǎn)生的非線性響應(yīng)愈加顯著。因?yàn)橥干湎禂?shù)與非線性超聲系數(shù)之間呈單調(diào)遞增的關(guān)系，所以試驗(yàn)有效驗(yàn)證了以斜入射的方式應(yīng)用于非線性檢測(cè)微觀缺陷時(shí)可以提高超聲波的透射率和檢測(cè)靈敏度。

表 2 頻譜數(shù)值及相對(duì)非線性系數(shù)

圖 10 入射角度與相對(duì)超聲非線性系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)束語

通過以上空氣耦合斜入射與非線性超聲檢測(cè)試驗(yàn)，分析得出以下結(jié)論：

1）縱波垂直入射鋼板的透射率隨著頻厚積的變化呈周期性改變，當(dāng)板厚是板材料縱波半波長(zhǎng)的倍數(shù)時(shí)可發(fā)生全透射，這與試件所接觸介質(zhì)沒有任何關(guān)系。

2）以斜入射檢測(cè)方式用于檢測(cè)缺陷比普通穿透法更容易得到波形清晰、幅值更大的信號(hào)。由斯涅爾定律的相位匹配條件，聲波發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換且入射角度在對(duì)應(yīng)于蘭姆波A0模態(tài)的臨界角時(shí)檢測(cè)信號(hào)最佳。

3）當(dāng)缺陷尺寸為微觀缺陷時(shí),可利用空氣耦合超聲非線性檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，且在斜入射條件下能夠得到更佳的二階非線性系數(shù)，提高信號(hào)的透射率和非線性檢測(cè)的應(yīng)用范圍。