[发明专利]多裂纹的非线性超声定位方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及利用超声波进行材料无损检测的新型方法，尤其是对多裂纹的非线性超声定位方法。

二、背景技术

无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用，日本最近制定的21世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中，把无损检测放在十分重要的位置。

无损检测是指在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测，它是把一定的物理量加到被检物上去再使用特定的检测装置来检测这种物理量的穿透、散射、反射、漏泄、渗透等现象的变化，从而检查被检物有没有异常，常用的无损检测技术有：射线探伤、超声检测、渗透探伤以及磁粉探伤等。他们各有特点和适用性，一种方法通常难以满足要求，通常有各自的局限性，需要不同的方法互相补充。

自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。超声检测是工业上无损检测的方法之一，超声波进入物体遇到缺陷时，一部分声波会产生反射，发射和接收器可对反射波进行分析，就能异常精确地测出缺陷来，并且能显示内部缺陷的位置和大小，测定材料厚度等。

但是，对于金属内闭合微裂纹，传统的检测技术以及线性超声检测技术难以检测，所以这种裂纹的漏检是造成航天器与飞机失实的主要原因之一。目前，国内外许多研究机构也把金属内闭合裂纹的无损检测作为重点课题进行研究。经过最近若干年的努力，力学、声学和材料学领域的科学家和工程师们在这方面取得了一些进展，人们发现微孔和微裂纹与超声波透过材料传播的非线性效应密切相关，一系列的试验表明：微孔和微裂纹总是伴随着某种形式的材料非线性力学行为，从而引起超声波传播的非线性，即高频谐波的产生。一般而言，金属内闭合微裂纹在超声激励下将产生非线性超声振动，通过对其分析、研究可以对金属内闭合微裂纹进行有效的判断和检测。相对于基频来说，高频谐波参量对材料微孔和微裂纹等更为敏感。因此，通过测量高次谐波系数，可以评价材料的微孔和微裂纹，这为超声无损检测与评价技术的发展提供了新的思路。

然而，利用非线性声学进行裂纹检测尚处于起步阶段，虽然大量的实验证实高次谐波参量对于材料微裂纹比线性参量来的更为敏感，但是，目前的非线性声学无损检测水平还只停留在判断材料内部微裂纹的有无之上，而对于多裂纹的准确定位以及其大小的判断却无能为力。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种新型的多裂纹非线性超声定位方法，充分发挥高次谐波对材料内部微裂纹的敏感特性，而达到利用非线性超声对材料内部裂纹的检测目的。降低无损检测的成本，也使多个闭合微裂纹的非线性超声定位成为可能。

本发明的技术方案：多裂纹的非线性超声定位方法，构造材料的不对称边界条件，利用不对称边界条件所引起的共振频率的不等间隔特性，以及由于材料内部裂纹振动的非线性所产生的高次谐波不能满足材料的共振频率却要满足边界条件而引起的各条裂纹两端的振动幅度的差异来进行的多条裂纹定位，使被测材料处于不对称的边界条件下，分析高次谐波的大小进行裂纹定位以及裂纹大小的判断，具体方法是：使用接触检测技术，被测材料制备成长为L，密度为ρ的棒，其总质量为M，横截面积为S，杨氏模量为E，被测材料一端耦合上超声换能器，激发换能器的检测频率为材料的共振频率，材料的另一端加上一质量负载m，以使得这一端处于带有负载的边界条件下，且使材料处于不对称的边界条件下；用圆频率为ω的声源激励此棒，然后使用加速度计或应力计沿振动传播方向进行扫描，分析扫描中得到的高次谐波的振动幅度以及相位随位置的变化关系，来达到裂纹的定位目的。