高次諧波法檢測(cè)微裂紋概述目錄TOC\o"1-3"\h\u4500高次諧波法檢測(cè)微裂紋概述 129761(1)縱波 229481(2)Lamb波 315446(3)表面波和導(dǎo)波 4材料內(nèi)部早期的位錯(cuò)、滑移以及微觀缺陷等非線性特征都會(huì)引起超聲波的非線性效應(yīng)。過(guò)去的線性超聲實(shí)驗(yàn)在固體中傳導(dǎo)時(shí)也有非線性響應(yīng)，不過(guò)效果非常小可以忽略不計(jì)?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)所使用的超聲波峰值很高，在固體中傳播時(shí)會(huì)存在很強(qiáng)烈的非線性響應(yīng)，導(dǎo)致超聲波發(fā)生調(diào)制，并最終生成二次諧波。超聲波與各向同性的介質(zhì)發(fā)生作用，其運(yùn)動(dòng)方程為：(1)式中，是材料的密度，是方向的位移，是傳播時(shí)間，是方向的應(yīng)力，是超聲波的傳播距離?？紤]非線性響應(yīng)，并舍去高次項(xiàng)，方向的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：(2)其中的正應(yīng)變定義為：(3)聯(lián)立解得：(4)(5)式中，是超聲波波速，是二階非線性系數(shù)，是三階非線性系數(shù)。該方程沒(méi)有一般解析解，一般采用微擾近似理論進(jìn)行求解，即將所求參數(shù)進(jìn)行冪級(jí)數(shù)展開進(jìn)行求解，得到：(6)式中,為基波幅值，為波數(shù)，為角頻率，定義上式第二項(xiàng)系數(shù)為二次諧波峰值，第三項(xiàng)系數(shù)為三次諧波峰值，則(7)一般的非線性超聲效應(yīng)，二次諧波的峰值是基波值的百分之一以內(nèi)，三次諧波的值非常微小，因此二次諧波的峰值在大多數(shù)情況下就能說(shuō)明非線性效應(yīng)的大小。當(dāng)激發(fā)頻率一定時(shí)，超聲波的波數(shù)也就確定，在傳播距離不變的情況下，通過(guò)計(jì)算得到非線性系數(shù)就可以說(shuō)明材料內(nèi)部的微裂紋擴(kuò)張狀況，為(8)由式(8)可知，二階相對(duì)非線性系數(shù)與基波幅值成反比，與二次諧波幅值成正比。因此，在實(shí)驗(yàn)中我們可以測(cè)量基波幅值和二次諧波幅值就可以表征材料內(nèi)部的微裂紋缺陷狀況。圖4高次諧波法(1)縱波王冠等使用有限元技術(shù)對(duì)微裂紋附近與超聲波的非線性作用進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明板材的疲勞程度、微裂紋形態(tài)參數(shù)(長(zhǎng)度、寬度、接觸面積)、非線性系數(shù)等數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，所以非線性系數(shù)的大小可以定量分析金屬的疲勞裂紋。焦敬品等對(duì)板狀材料中微裂紋的超聲非線性效應(yīng)進(jìn)行了有限元仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了超聲波接收效果受到裂紋方向的改變，仿真數(shù)據(jù)表明反射波形中的高次諧波直線方向的增加量比裂紋方向高出一倍，但穿透波形的高次諧波分量在直線方向幾乎沒(méi)有增加。閻紅娟等建立微裂紋非線性彈簧模型，研究在循環(huán)載荷作用下微裂紋尺度變化（主要是長(zhǎng)寬變化）對(duì)超聲波信號(hào)檢測(cè)信號(hào)的幅值改變，確定相對(duì)非線性系數(shù)受微裂紋尺度變化的影響，發(fā)現(xiàn)相對(duì)非線性系數(shù)受微裂紋長(zhǎng)度影響為正相關(guān)，寬度呈負(fù)相關(guān)。Wu等利用非線性瞬時(shí)基線識(shí)別定位鋁板中的疲勞裂紋，然后采用損傷指數(shù)值(每個(gè)路徑的光譜變化)表征裂紋的尺寸參數(shù)。楊斌通過(guò)研究微裂紋取向與和頻非線性之間的聯(lián)系，得到了微裂紋角度變化與非線性系數(shù)的坐標(biāo)數(shù)值，進(jìn)行了有限元仿真和金屬實(shí)物實(shí)驗(yàn)后，得到了非線性系數(shù)隨著微裂紋角度增大而增大的結(jié)論，而且發(fā)現(xiàn)和頻非線性系數(shù)比過(guò)去的二階非線性系數(shù)更準(zhǔn)確。Lamb波RyosukeNakase等將低功率脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的超聲脈沖波和低頻對(duì)稱模式下的蘭姆波結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種用于薄板無(wú)損檢測(cè)的新型微裂紋尖端檢測(cè)系統(tǒng)。NiteshP.Yelve和Wan通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，研究了蘭姆波與薄鋁板中橫向呼吸裂紋通過(guò)非線性效應(yīng)產(chǎn)生的二次和高次諧波，同時(shí)還觀測(cè)到裂紋尺度會(huì)影響類非線性效應(yīng)的大小。Hong等證實(shí)了利用非線性蘭姆波的時(shí)域信號(hào)特征來(lái)定位小尺度疲勞裂紋的可行性和有效性，與基于線性導(dǎo)波飛行時(shí)間(TOF)的檢測(cè)相比，提高了靈敏度和檢測(cè)精度。Liu等采用Duffing-Holmes系統(tǒng)對(duì)非線性蘭姆波進(jìn)行增強(qiáng)，并用李亞普諾夫指數(shù)定量表征裂紋尺寸，能夠在強(qiáng)噪聲干擾下準(zhǔn)確識(shí)別量化結(jié)構(gòu)微裂紋，提高檢測(cè)的靈敏度和精度。Zhao等探究了在非集中分布的材料中，改變材料的密度、裂紋的尺度大小對(duì)材料非線性蘭姆波效應(yīng)影響的研究，證明了蘭姆波系統(tǒng)的S0模式可以對(duì)微裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行檢測(cè)。Zhou等提出了一種結(jié)合非線性蘭姆波和時(shí)間反轉(zhuǎn)算子分解的疲勞裂紋選擇性檢測(cè)和定量檢測(cè)方法，同時(shí)開創(chuàng)性地開發(fā)了一種定位非線性散射體的算法，其理論基礎(chǔ)為全聚焦成像法。焦敬品等基于赫茲接觸理論，對(duì)含有微裂紋的金屬板中非線性蘭姆波二次諧波分別通過(guò)有限元仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了研究，研究疲勞裂紋尺度變化對(duì)蘭姆波非線性響應(yīng)的影響，得到的數(shù)據(jù)表明高次諧波幅值隨微裂紋長(zhǎng)度增大而增大。Ma等在微裂紋還沒(méi)有擴(kuò)展為宏觀裂紋時(shí)，使用非線性蘭姆波檢測(cè)裂紋的生長(zhǎng)，確定其開始和增長(zhǎng)機(jī)制。Yang等對(duì)蘭姆波與疲勞裂紋的非線性相互作用進(jìn)行了三維有限元模擬和實(shí)驗(yàn)理論分析，研究疲勞裂紋長(zhǎng)度與入射波波長(zhǎng)之比以及激勵(lì)頻率對(duì)二次諧波產(chǎn)生和幅值的影響。張青松等，構(gòu)建了包含微裂紋超聲非線性響應(yīng)效果的各向異性材料的3D模型，探索蘭姆波在復(fù)合材料中的非線性效應(yīng)受到微裂紋大小影響的作用，通過(guò)改變微裂紋尺度檢測(cè)到非線性參量的變化。賈璐等通過(guò)楔塊入射法獲得特定模式的蘭姆波，并利用有限元方法數(shù)值模擬了非線性蘭姆波與分層板中不同長(zhǎng)度、位置微裂紋之間的相互作用。柏林等提出了利用Duffing振子和Lyapunov指數(shù)，可以對(duì)蘭姆波非線性效應(yīng)進(jìn)行降噪并且更方便定量說(shuō)明，能夠在實(shí)驗(yàn)設(shè)備噪音較大的情況下提高非線性蘭姆波的探傷準(zhǔn)確性。Lv等采用三維有限元模型模擬討論微裂紋取向?qū)Ξa(chǎn)生的和頻蘭姆波傳播方向的影響，研究了微裂紋和Lamb之間的非線性相互作用。表面波和導(dǎo)波AlexeyM.Lomonosov等基于激光激發(fā)的寬帶瑞利波實(shí)驗(yàn)測(cè)量的反射系數(shù)和透射波相位滯后的頻率依賴性，測(cè)量表面微裂紋的尺度，以其半徑長(zhǎng)度為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。Zhang等研究了常見(jiàn)硅化物表面裂紋和微裂紋（以玻璃為例）,發(fā)現(xiàn)裂紋尺度（長(zhǎng)和寬）和位錯(cuò)群的數(shù)量會(huì)嚴(yán)重影響超聲非線性參數(shù)。FlorianMorlock和DanielT.Zeitvogel等采用非線性瑞利表面波分別表征了304不銹鋼和冷軋?zhí)妓劁撛诤附舆^(guò)程和外部環(huán)境運(yùn)行中的應(yīng)力腐蝕微裂紋(SCC)。Guo等提出了一種用于管道疲勞裂紋檢測(cè)的非線性導(dǎo)波與時(shí)間反演相結(jié)合的三維成像技術(shù)，具有良好的空間回聚焦能力，其中缺陷定位和尺寸確定的準(zhǔn)確性取決于裂紋方向和