[发明专利]用于对材料和结构进行非破坏性评估和监视的方法和设备

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请与以下共同未决且共同转让的美国专利申请相关并且要求这些申请的优先权：提交于2008年2月7日的、标题为“Method and device for actuating and sensing highly nonlinear solitary waves in surfaces，structures and materials”的第61/063,903号美国专利申请和提交于2008年4月21日的、标题为“Method and Apparatus for Nondestructive Evaluations and Structural Health Monitoring of Materials and Structures”的第61/124,920号美国专利申请；通过引用将这些申请的全部内容合并于此。

技术领域

本公开内容涉及一种用于激发具有可选脉冲性质的高度非线性脉冲、将这些脉冲发射到结构或材料中、并检测来自结构或材料的这些脉冲的方法和设备。更具体而言，本公开内容描述了一种用于激发具有期望形状、幅度、频率和/或持续时间的、可选数目的可控的高度非线性脉冲(然后其可被用于非破坏性评估和/或结构健康监视)的方法和设备。

背景技术

可以通过使用冲击测试来实现材料或结构的非破坏性评估。在冲击测试中，通常利用冲击装置击打材料或结构，然后测量穿过材料或结构的声波，以提供材料或结构内的缺陷的某种指示。参见例如在1992年11月24日授予Sansalone等人的第5,165,270号美国专利。在第5,165,270号美国专利中，冲击装置是多个不同重量的球体，每个球体被设计成产生不同持续时间的冲击，由此将不同的应力波传递到待测试的结构中。依赖于冲击持续时间，不同的应力波具有不同的频率值。每个球体被设置在弹簧钢杆的一端上。在测试开始时，所选球体处于息止位。利用一对钳夹将球体从息止位回撤到结构上方的给定高度。此动作使弹簧钢杆偏斜，由此增大了冲击球体的势能。在预定释放点释放球体，使得它冲击结构并向结构传递给定能量。该冲击产生从结构的外表面和/或内部缺陷反射的应力波(声波)。反射波由换能器检测，换能器将波造成的法向表面位移转换成电信号。然后，电信号被处理以提供指示结构的厚度或者设置在其中的缺陷的幅度/频率谱。

其它冲击测试设备和技术在本领域中也是已知的，但是通常使用与上述方法类似的方法，即，击打待测试的材料并测量应力波传播。在冲击测试技术中使用的冲击装置(即，击打器)通常成本为数百美元或更多并且需要耦合到信号调节器。线路供电的信号调节器被用来向传感器供电并调节它们的输出信号以便发送到读出及记录仪器。冲击锤被用于将冲力递送到测试样品中，信号调节器被用来提供所施加的力的幅度和频率内容的电测量信号。用于非破坏性评估的锤和调节器可能很昂贵。如下文所述的本发明的实施例可以提供用于对材料和结构进行非破坏性评估的更低成本的设备。

发明内容

本公开内容描述了一种用于对结构和材料进行非破坏性评估(NDE)的方法和设备，其使用高度非线性介质来生成和检测撞击材料或结构的一个或多个高度非线性脉冲(或高度非线性波)。该设备包括：诱发高度非线性的、弱非线性的或线性的应力波在待检查的材料、系统或结构中的传播的脉冲激发器；和/或用于观察和检测来自被测试的材料/结构的输出波的检测器。该NDE方法包括：仅使用可调谐的高度非线性设备作为脉冲激发器来检测输出脉冲，或者将可调谐的高度非线性设备与加速度计或非线性传感器相结合使用来检测输出脉冲。

本发明的实施例依赖于使用可在高度非线性系统(即，可包括粒状材料、分层材料、纤维材料或多孔材料的系统)中形成并行进的高度非线性波(HNW)，包括高度非线性孤立波(HNSW)。与在使用基于声音、超声或冲击的技术的现有技术系统中使用的常规应力波相比，HNW在可任意调整的、简单的且可再现的设置中在波长、波速(与波长幅度和材料性质成比例)、所生成的脉冲的数目和幅度控制方面提供了显著更高的可调谐性。