影响超微氧化锆陶瓷超声检测因素探讨.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()影响超微氧化锆陶瓷超声检测因素探讨刘飞扬,胡振宇,熊芸薇,宋紫微,陈汉新(武汉工程大学 机电工程学院,湖北武汉 )摘要:基于对影响超声非线性检测因素的探讨,考察利用超声检测非线性氧化锆陶瓷的可行性.实验数据表明:脉冲激励串数从增加到 时,非线性系数下降 ;加窗处理后的非线性系数不足原值的;不断增加输入电压,基波的平方与二次谐波呈线性相关,相关程度为 .非线性系数的单调变化表明应用超声非线性无损评价氧化锆陶瓷是可行的.关键词:氧化锆陶瓷;非线性系数;非线性超声检测中图分类号:T P T B 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:刘飞扬(),男,安徽合肥人,在读硕士研究生,研究方向:故障诊断及无损检测.引言伴随着工业的发展,氧化锆陶瓷因为具有高硬度、耐高温等优良特性,使得其在工业发展的过程中被广泛地运用到航天、船舶等制造业中.但在实际生产和研究的过程中发现,氧化锆陶瓷可能会产生翘曲等缺陷.在不损坏氧化锆陶瓷本身的情况下,为了实现对氧化锆陶瓷的有效评估,可以使用无损检测技术来检测缺陷.N a g y采用非线性系数对材料损伤进行非线性表示,并指出在整个损伤实验过程中线性参数没有显著的变化.在本文中我们分析了非线性超声信号产生机理及特点,讨论了发射脉冲模式、脉冲激励串个数、窗函数处理和输入电压大小对非线性超声检测的影响.非线性超声检测的原理在非线性超声检测过程中材料的线性特征不会发生显著变化,而超声波能够反馈材料的非线性变化,故以此来评价材料的损伤.B r e z e a l e等从连续介质模型得到一维非线性纵波方程:utKux(KK)uxux()其中:为介质密度;u为由于声波激励使得固体中任一位置的微体积元发生形变从而产生的微小位移;t为时间;K为当能量在x方向传播时材料的二阶弹性模量;K为材料在内部结构的影响下产生的三阶弹性模量.定义非线性系数:(KK)/K()当给各向同性的固体材料施加一束正弦波时,有:u(x,t)As i n t()其中:A为波的幅值;为角频率.得到公式()的二阶近似解为:u(x,t)As i n(k x t)(kAx)c o s(k x t)()其中:k为波数,其表达式如下:kc()其中:c为波速.从公式()可以看出,超声波经过样品之后,波形发生了畸变,除基波外,还产生了二次谐波.联合式(),由此得出超声非线性系数:AAkx()其中:AA,为基波幅值;A为二次谐波幅值.由式()可以看出,对于一组实验,在确定了超声波波数k和传播距离x时,二阶非线性系数与A和A的比值成正比.故为了计算方便,定义二阶相对超声非线性系数为:AA()实验方法 非线性超声检测系统采用R I T E C公司研制的R AM S NA P发射器进行非线性超声检测实验研究,R AM S NA P所采用的门控放大技术是通过运用脉冲群加强入射能量,使发射的波更加有效.非线性超声系统原理示意图如图所示.研究对象和样本实验所用材料为 mm mm mm的氧化锆薄板,密度为 g/c m,如图所示.本次研究氧化锆来自于生产厂商有缺陷试件,因此检测实验能更加接近实际.图非线性超声系统原理示意图图氧化锆陶瓷样品影响非线性超声检测的因素探讨在非线性超声检测过程中,检测系统工作时会产生比较大的随机噪声,对信号产生影响甚至导致难以观测到有效信号,从而引起检测的误差.本文对非线性超声波检测技术进行了深入分析并提出了相应的抑制噪声的基本方法.非线性超声检测信号模式的选择单脉冲激励、连续波激励和脉冲激励串是非线性超声检测中最常见的超声激励方式.单脉冲是一个单一脉冲的超声波,因为激发信号过于简单使得在实验过程中难以识别是材料本身还是缺陷引发的响应.连续波激励的优点是可以获得单一频率传输波,这对检测接收端的谐波成分非常有利,缺点是高功率波难以连续激发,缺陷定位困难.因此,在非线性超声检测中采用连续脉冲和单脉冲结合的脉冲链模式,它结合了两者的优点,在稳定的前提下能够更好地检测损伤.脉冲激励串对非线性超声检测的影响进行非线性超声检测时,为了确保回波信号之间能够相互区分开来,要求接收信号的脉冲激励串长度应小于二次回波间的时间间隔,因此,需要合理选择脉冲激励串的数目n.考虑到本次研究样本为超微材料氧化锆,所以将本次实验采用的脉冲激励串个数范围扩大,设定为,间隔为.非线性系数随脉冲激励串个数的变化如图所示.由图可以看出:随着脉冲串的增加呈递减,当脉冲激励串个数由增加到,下降 ,表明用于非线性超声检测的脉冲激励串个数在适当的情况下增加能够有效地降低系统干扰.图脉冲激励串个数对的影响图为含有不同脉冲激励串的发射信号幅频曲线.由图可以看出:脉冲激励串越多,幅值越高,主频(MH z)附近带宽越窄.图不同脉冲激励串的发射信号幅值曲线 加窗处理对非线性超声检测的影响超声波探头带宽有限,当变频器输出频率发生变化时,会产生谐波和相位偏移等现象.为了充分利用变频器的频带,通过加窗处理来降低旁瓣,保证发射信号的频带与探头的固有频率相一致.本实验研究了窗函数对非线性超声检测的影响.加汉宁窗处理对非线性系数的影响如图所示,可以观察出加窗处理后使得相同激励串下的非线性有明显的降低.图加汉宁窗处理对非线性系数影响通过将不同脉冲激励串的发射信号加窗处理,使得加窗后信号的基波幅值降低,同时减小了主频信号附近的旁瓣信号.它相当于通过汉宁窗口进行滤波和降噪,使得信号的组成更加简单,同时也降低了主频率的幅值.当激励串为个时,处理后的为原值的 年第期刘飞扬,等:影响超微氧化锆陶瓷超声检测因素探讨 ;激励串为 个 时,处 理 后 的为 原 值 的 .结果表明,脉冲激励串的增加意味着发射能量的增加,同时也能够相应地降低.输入电压对非线性超声检测的影响从公式()一维纵波非线性波动方程的二阶近似解可以看出,二次谐波信号幅值与基波信号幅值的平方呈线性关系.为了让接收信号在实验中更加明显,在非线性检测中尽可能地增加信号的输入电压值,造成基波幅值A和二次谐波幅值A发生波动,输入电压对A和A影响如图所示.图输入电压对A和A影响从图中可以看出:输入电压不断地增大,基波幅值平方A与二次谐波幅值A也在不断增大.通过图拟合发现,A与A两者近似呈线性关系,相关程度达到 ,这进一步表明输入电压大小不会增加系统本身的非线性.图A与A的拟合关系图中给出了不同输入电压下A和A的线性相关关系,而图给出了输入电压对的影响.由图可以看出:非线性系数随输入电压的变化而存在波动,但在一个可接受的范围内(平均值倍方差),误差可以不考虑.图输入电压对的影响结论本文从理论和实际出发,探讨了非线性超声检测的原理,以此理论为根基,构建了针对氧化锆陶瓷的R AM S NA P非线性超声检测系统,以超微氧化锆陶瓷为研究对象,经过分析处理信号的不同参数对于检测结果的影响,得到以下结论:对于超微材料的氧化锆陶瓷应结合实际需求选择合适的脉冲激励串个数,避免对非线性检测造成影响.在采用汉宁窗的条件下,能够相对地降低旁瓣电平,且适当地增加脉冲激励串个数有利于提高系统的灵敏性,降低系统对于检测的干扰,能够在实验过程中更方便地找到二次谐波.在进行非线性检测实验时在条件允许的情况下增加输入电压,有利于实验的观察,同时对实验的非线性影响较小.参考文献:N a g yPBF a t i g u e d a m a g e a s s e s s m e n t b y n o n l i n e a ru l t r a s o n i c m a t e r i a l s c h a r a c t e r i z a t i o nJU l t r a s o n i c s,():江念,王召巴,金永,等复合结构界面粘接质量的非线性超声检测J兵工学报,():B r e a z e a l eM A,P h i l i p J D e t e r m i n a t i o n o f t h i r d o r d e re l a s t i cc o n s t a n t s f r o m u l t r a s o n i c h a r m o n i c g e n e r a t i o nm e a s u r e m e n t sJ P h y s i c a lA c o u s t i c s,:D i s c u s s i o no nF a c t o r sA f f e c t i n gU l t r a s o n i cT e s t i n go fU l t r a F i n eZ i r c o n i aC e r a m i c sL I UF e i y a n g,H UZ h e n y u,X I O N GY u n w e i,S O N GZ i w e i,C H E NH a n x i n(S c h o o l o fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h en o n l i n e a ru l t r a s o n i ct e s t i n g,t h ef e a s i b i l i t yo fu l t r a s o n i ct e s t i n go fn o n l i n e a r z i r c o n i ac e r a m i c sw a s i n v e s t i g a t e d T h ee x p e r i m e n t a l d a t as h o wt h a tw h e nt h en u m b e ro fp u l s ee x c i t a t i o ns t r i n g s i n c r e a s e sf r o mt o,t h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n td e c r e a s e sb y ;t h en o n l i n e a rc o e f f i c i e n ta f t e rw i n d o w i n gi sl e s st h a n o ft h eo r i g i n a l v a l u e;t h es q u a r eo f t h ef u n d a m e n t a lw a v ei sl i n e a r l yr e l a t e dt ot h es e c o n dh a r m o n i cw i t hac o r r e l a t i o nd e g r e eo f w h e nt h e i n p u tv o l t a g e i sc o n t i n u o u s l y i n c r e a s e d T h em o n o t o n i cv a r i a t i o no fn o n l i n e a rc o e f f i c i e n ts h o w st h a t i t i sf e a s i b l et oa p p l yu l t r a s o n i cn o n l i n e a rn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nt oz i r c o n i ac e r a m i c s K e y w o r d s:z i r c o n i ac e r a m i c s;n o n l i n e a r c o e f f i c i e n t;n o n l i n e a ru l t r a s o n i c t e s t i n g机 械 工 程 与 自 动 化 年第期