常俊杰，余 盼，羅文斌,3，鐘海鷹，楊鄭弘

(1.南昌航空大學 無損檢測技術(shù)教育部重點試驗室，江西 南昌 330063; 2.日本探頭株式會社，日本 橫濱 232-0033;3.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

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

在一般情況下，探傷檢測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級的差異，導(dǎo)致垂直入射時的界面損失高達45 dB，上下兩個界面共損失90 dB[2]，因此在很多情況下垂直入射法并不適用。傳統(tǒng)的線性超聲檢測通過時域信號對缺陷特征進行分析，當缺陷尺寸小于二分之一波長時會產(chǎn)生繞射波，導(dǎo)致信號反射和衰減等線性現(xiàn)象減弱[3-4]，從而難以檢測出這些微小缺陷，這也反映出傳統(tǒng)線性超聲波對材料微觀缺陷不夠敏感的缺點。

現(xiàn)代國內(nèi)外學者對于斜入射非線性檢測方法有諸多研究，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等人通過試驗證實了此理論也適用于浸在空氣中的板件透射系數(shù)的計算[6-7]；非線性聲學的概念在1755年被提出，自 1960年以來研究者開始利用聲學的非線性特性對材料進行性能評估[8]；Hikata 等人發(fā)現(xiàn)了超聲波在鋼板中會產(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方法[10]；陳振華等人對薄板點焊采用濾波技術(shù)從接收信號中獲取高次諧波對微小缺陷進行更加準確地檢測[11]；西安建筑科技大學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]。

雖然非線性檢測是當前聲學檢測的一個熱點方向，而空氣耦合超聲因其非接觸，無損害、無損傷，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點受到了無損檢測工作者的青睞，然而他們涉及空氣耦合超聲的非線性檢測相關(guān)內(nèi)容非常少。綜上分析，本文將斜入射非線性檢測法應(yīng)用于空氣耦合超聲檢測中，采用具有一定傾斜角度的入射超聲波對鋼板進行缺陷檢測并將檢測方式應(yīng)用于微觀缺陷的非線性檢測試驗中，最后通過數(shù)值分析與試驗驗證兩種方法驗證了斜入射條件下非線性空氣耦合超聲檢測的可行性及高效性。

1 非線性試驗原理

近年來國內(nèi)外非線性聲學的理論研究表明了微小缺陷非線性超聲檢測的可行性。非線性超聲檢測方式不同于以往傳統(tǒng)線性檢測，它通過分析缺陷處的頻域信號來進行判別。非線性超聲檢測原理主要是當聲波傳輸?shù)皆嚰械膿p傷區(qū)域時，介質(zhì)中的微小缺陷會與高能有限振幅聲波產(chǎn)生強烈的非線性效應(yīng)，發(fā)生波形畸變（產(chǎn)生基頻波的二次及高次諧波信號），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)會存在差異，其二階非線性系數(shù)也會隨之變化[15]，因此，通過對超聲二階非線性系數(shù)進行分析就可以實現(xiàn)材料內(nèi)部微觀缺陷的定性。

本文將非線性聲學理論和斜入射空氣耦合超聲檢測技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于空氣耦合的非線性檢測。在試驗過程中只需要捕捉到超聲波遇到微觀缺陷時所產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，進而對非線性效應(yīng)進行數(shù)字化分析，就可實現(xiàn)對微觀缺陷的檢測。當單頻正弦信號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，產(chǎn)生的二次諧波如下式所示：

由上公式化簡可得到非線性系數(shù)的表達：

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——聲學非線性系數(shù)；

ω——頻率；

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

x——信號傳播距離。

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

2 試 驗

2.1 斜入射和垂直入射的對比試驗

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

圖 1 不同方式的檢測方法

由表1材料參數(shù)經(jīng)過計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，當板厚是半波長的倍數(shù)位置時會發(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入射角的依賴關(guān)系，伴隨入射角的逐漸增大，透射率在達到最高值后突然減小，此時恰對應(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)進行探傷檢測試驗，首先采用縱波垂直入射的方法進行檢測，試驗試件為鋼板，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，且此試驗裝置可以調(diào)節(jié)探頭的角度位置，為后面斜入射檢測試驗提供方便。超聲發(fā)射接收器對其施加300 V的電壓，經(jīng)內(nèi)置帶通濾波器濾波和外置信號放大器對信號增幅后由接收器接收并顯示信號波，整體試驗系統(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° 采集一次信號波，其中當垂直入射與入射角為8°時分別采集到的試驗信號如圖5所示。

圖 4 試驗裝置系統(tǒng)

圖 5 試驗檢測信號

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

圖 6 鋼板試驗檢測數(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A0模態(tài)所對應(yīng)的相速度為2 469 m/s，根據(jù)Snell定理得出此時的臨界角為7.92°，恰好對應(yīng)于試驗中在入射角為8°時得到最大透射率的情況。試驗證明，在斜入射條件下超聲波在傳播過程中可能會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致透射率增大。

圖 7 頻散曲線

試驗中雖然通過試驗裝置較精確地調(diào)整了角度，但通過采集的實際數(shù)據(jù)結(jié)果顯示并未達到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。這是由于試驗設(shè)備發(fā)射接收的信號波并不是理想簡諧振動，而是帶有一定頻寬的信號波，并且由于空氣耦合探頭的晶片尺寸有限，其產(chǎn)生的聲場也不是理想平面波，以上各原因?qū)е略囼灲Y(jié)果與理論計算的結(jié)果存在一定誤差?；谝陨向炞C，在非接觸空氣耦合無損檢測應(yīng)用中，斜入射檢測可以提高超聲波的透射率。本文進一步對空氣耦合超聲非線性檢測微小缺陷及入射角度產(chǎn)生的影響進行探討。

2.2 非線性檢測微損傷試驗

試驗材料為A316L型奧氏體不銹鋼，試件經(jīng)過0.5 h的1 100 ℃高溫熱處理，使之造成高溫疲勞損傷而產(chǎn)生微觀缺陷。熱機械疲勞加工是由機械和溫度循環(huán)疊加完成，通過IN ST RON液壓伺服試驗機實現(xiàn)機械循環(huán)，由拋物線內(nèi)壁燈和加熱爐實現(xiàn)溫度循環(huán)，加熱完畢后以自然對流的方式進行溫度冷卻，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方式進行試驗，試驗方法與上述試驗相同，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，最后對接收到的信號進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°時分別檢測到的信號波，用Matlab對時域信號的標注部分做傅里葉變換得到圖9（b）和圖9（d）兩幅頻譜圖。對比發(fā)現(xiàn)，在斜入射情況下時域接收信號幅值增大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

由式（4）獲取在每個角度下所對應(yīng)的相對非線性特征參數(shù)，用以評價材料的微小缺陷。試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2。由表可知在斜入射條件下，檢測信號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，并且當入射角為5°時非線性檢測信號倍頻幅值達到最大。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。入射角在0°～5°的范圍內(nèi)相對非線性系數(shù)遞增，即檢測到缺陷處產(chǎn)生的非線性響應(yīng)愈加顯著。因為透射系數(shù)與非線性超聲系數(shù)之間呈單調(diào)遞增的關(guān)系，所以試驗有效驗證了以斜入射的方式應(yīng)用于非線性檢測微觀缺陷時可以提高超聲波的透射率和檢測靈敏度。

表 2 頻譜數(shù)值及相對非線性系數(shù)

圖 10 入射角度與相對超聲非線性系數(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試驗，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，當板厚是板材料縱波半波長的倍數(shù)時可發(fā)生全透射，這與試件所接觸介質(zhì)沒有任何關(guān)系。

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

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