應(yīng)用混頻超聲檢測(cè)微小缺陷

沙正驍曾甘露 梁 菁陸銘慧何方成陸傳雨

(1中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 北京100095)

(2南昌航空大學(xué) 南昌330063)

(3航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100095)

(4中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100095)

0 引言

金屬盤(pán)、板類(lèi)構(gòu)件在航空用關(guān)鍵部件中扮演重要角色，該類(lèi)構(gòu)件厚度較大，質(zhì)量要求高。為了確保金屬盤(pán)、板類(lèi)構(gòu)件的使用安全，材料內(nèi)部允許存在的微小缺陷尺寸最大不能超過(guò)0.4 mm[1]，對(duì)于核心部件，其缺陷直徑檢測(cè)要求小于0.1 mm。大厚度盤(pán)、板類(lèi)構(gòu)件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)通常采用超聲檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)缺陷處的聲波反射、散射、能量衰減和相位變化等線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別與定位。超聲波在材料內(nèi)部的傳播實(shí)際上是線(xiàn)性效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)的疊加，當(dāng)缺陷尺寸較大時(shí)，超聲線(xiàn)性效應(yīng)遠(yuǎn)大于非線(xiàn)性效應(yīng)，非線(xiàn)性效應(yīng)常常被忽略；當(dāng)材料中的缺陷微小時(shí)，超聲非線(xiàn)性效應(yīng)將強(qiáng)于線(xiàn)性效應(yīng)，超聲波與微小缺陷發(fā)生相互作用，產(chǎn)生高次諧波。因此，在檢測(cè)微小缺陷時(shí)，非線(xiàn)性超聲技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

按機(jī)理的不同，非線(xiàn)性超聲檢測(cè)方法可分為4種：二次諧波法、振動(dòng)聲調(diào)制法、非線(xiàn)性諧振法和混頻法[2-5]。相對(duì)于其他幾種方法，混頻法具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)果穩(wěn)定、受系統(tǒng)非線(xiàn)性影響小的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)波型不同，非線(xiàn)性混頻技術(shù)可分為體波混頻和Lamb波混頻[6]。體波包括縱波和橫波，其中，縱波穿透能力強(qiáng)，適合用于大厚度工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)。根據(jù)探頭晶片中心是否處于同一軸線(xiàn)，將激勵(lì)模式分為共線(xiàn)混頻和非共線(xiàn)混頻[7]，其中，根據(jù)入射波信號(hào)相對(duì)于缺陷的位置的不同，共線(xiàn)混頻又分為同側(cè)共線(xiàn)混頻和異側(cè)共線(xiàn)混頻。

非線(xiàn)性混頻現(xiàn)象最早由Jones[8]發(fā)現(xiàn)，并提出了兩列聲波產(chǎn)生混頻波的5種模式，給出了產(chǎn)生混頻效應(yīng)的共振條件。Croxford等[9]利用體波非線(xiàn)性效應(yīng)研究了材料塑性損傷和疲勞程度與混頻參量間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)混頻參量隨材料損傷或疲勞程度增大而增大。Zhao等[10]根據(jù)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證入射波頻率對(duì)共線(xiàn)混頻信號(hào)強(qiáng)弱有影響。Jiao等[11]研究了非共線(xiàn)混頻法中的兩束入射波的實(shí)際角度存在偏差時(shí)，對(duì)體波非線(xiàn)性效應(yīng)的影響。Mao等[12]用超聲底波非線(xiàn)性?huà)卟榈姆绞?，研究了鋼中疲勞裂紋的評(píng)價(jià)與成像，利用非線(xiàn)性混頻參量清晰地顯示出裂紋長(zhǎng)度。唐博[13]研究了Lamb波混頻技術(shù)用于缺陷的定位和成像的可能性，結(jié)果表明混頻信號(hào)得到的缺陷影像和實(shí)際缺陷的影像基本上一致，驗(yàn)證了混頻定位技術(shù)的可行性。王雪[14]利用非線(xiàn)性共線(xiàn)異側(cè)混頻技術(shù)對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行了定位研究，結(jié)合時(shí)、頻域分析方法實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷的定位。

本文采用共線(xiàn)異側(cè)縱波混頻法實(shí)現(xiàn)微小缺陷的識(shí)別與定位。首先研究了不同探頭激勵(lì)頻率參數(shù)下，和頻、差頻信號(hào)的幅值變化情況，并確定了最佳探頭激勵(lì)頻率。然后在最佳激勵(lì)頻率參數(shù)下，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件中不同埋深的微小缺陷的識(shí)別與定位。

1 非線(xiàn)性混頻理論

一列振幅較大、頻率為f2的超聲波入射至材料中的微小缺陷處，會(huì)引起缺陷邊緣部分(如微裂紋尖端)的周期性振動(dòng)；此時(shí)，若向該缺陷入射另一列頻率為f1(f2＞f1)的超聲波，該列超聲波抵達(dá)正在周期性振動(dòng)的微小缺陷處與頻率為f2的超聲波相遇時(shí)，會(huì)被調(diào)制，產(chǎn)生混頻信號(hào)，混頻信號(hào)包括頻率為f2+f1的和頻信號(hào)、頻率為f2-f1的差頻信號(hào)。

非線(xiàn)性混頻理論基于非線(xiàn)性彈性波模型而建立，一維波動(dòng)方程為

式(1)中：c為聲速，x為聲波傳播方向，β為非線(xiàn)性系數(shù)，s為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移。

設(shè)上述波動(dòng)方程的解為

其中：

式(3)中，A1和A2為諧波波幅，f1和f2為入射波頻率，將式(2)和式(3)代入式(1)中，可得

式(4)中，k1和k2為兩列入射波的波數(shù)。

式(4)說(shuō)明，兩列入射波經(jīng)過(guò)微小缺陷時(shí)，產(chǎn)生了倍頻信號(hào)2f1、2f2，和頻信號(hào)(f2+f1)，差頻信號(hào)(f2-f1)。倍頻信號(hào)受系統(tǒng)非線(xiàn)性影響較大，因此，非線(xiàn)性混頻檢測(cè)微小缺陷時(shí)，以和頻、差頻信號(hào)幅值表征混頻效應(yīng)強(qiáng)度。

2 試樣設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

2.1 試樣設(shè)計(jì)

本文采用7075鋁合金材料加工制作一塊橫孔試塊，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為120 mm×90 mm×60 mm。在試樣的兩個(gè)側(cè)面預(yù)置了8個(gè)埋深為10～80 mm、尺寸為φ0.2 mm×20 mm的橫孔微缺陷。試樣設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試樣設(shè)計(jì)圖Fig.1 Sample design

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本次實(shí)驗(yàn)采用的激勵(lì)模式是共線(xiàn)異側(cè)混頻，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：RAM-5000 SNAP非線(xiàn)性超聲儀、接收/激勵(lì)探頭、計(jì)算機(jī)、50 Ω阻抗匹配、雙工器、示波器等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of experimental system

在共線(xiàn)異側(cè)混頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，T探頭為標(biāo)稱(chēng)頻率2.25 MHz的單激勵(lì)探頭，與輸出通道1相連，僅用于超聲波的發(fā)射；T/R探頭為標(biāo)稱(chēng)頻率5 MHz的激勵(lì)/接收探頭，通過(guò)雙工器與輸出通道2相連，同時(shí)用于超聲波的發(fā)射與接收。兩探頭的頻響曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 探頭頻響曲線(xiàn)Fig.4 Frequency response curve of probe

2.3 和頻、差頻信號(hào)的獲取

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制非線(xiàn)性超聲儀向T探頭施加頻率為f1的激勵(lì)信號(hào)，向T/R探頭施加頻率為f2的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)探頭產(chǎn)生兩列超聲波。兩列超聲波在缺陷處產(chǎn)生混頻效應(yīng)，滋生混頻波(包含和頻信號(hào)(f1+f2)與差頻信號(hào)(f2-f1))，被T/R探頭獲取并經(jīng)由雙工器傳輸至非線(xiàn)性超聲儀。T/R探頭接收的信號(hào)波形如圖5所示。

圖5 T/R探頭接收的信號(hào)波形Fig.5 Signal waveform received by T/R probe

圖5顯示的波形中，波形1為T(mén)/R探頭的始波，波形3是T/R探頭發(fā)出的入射波傳播至異側(cè)界面形成的反射回波，波形2為T(mén)探頭發(fā)出的入射波。從圖6可看出，無(wú)缺陷時(shí)，材料內(nèi)部不會(huì)發(fā)生混頻效應(yīng)，波形2不發(fā)生畸變；而有缺陷時(shí)，波形2因與和頻、差頻信號(hào)混疊形成混合波，波形發(fā)生畸變。將積分門(mén)框選波形2，利用非線(xiàn)性超聲儀的超外差功能，接收混合波中的和頻、差頻信號(hào)。

圖6 波形2Fig.6 Waveform 2

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 激勵(lì)頻率的確定

為得到能量較大的和頻、差頻信號(hào)，在確定探頭激勵(lì)頻率時(shí)，需考慮T探頭和T/R探頭的綜合頻率特性。

從圖4可看出，T探頭響應(yīng)頻段較窄，最佳響應(yīng)頻率為2.6 MHz，首先確定T探頭的激勵(lì)頻率f1為2.6 MHz。T/R探頭響應(yīng)頻段較寬，為確保能接收到明顯的和頻、差頻信號(hào)，保持T探頭激勵(lì)頻率為2.6 MHz不變，在5.6～7.3 MHz范圍內(nèi)，以10 kHz為步進(jìn)，改變T/R探頭激勵(lì)頻率，對(duì)有無(wú)缺陷處(缺陷選用的是埋深為50 mm的φ0.2 mm橫孔)做共線(xiàn)混頻實(shí)驗(yàn)，得到和頻、差頻信號(hào)幅值隨T/R探頭激勵(lì)頻率f2的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 和頻、差頻信號(hào)幅值隨f2的變化關(guān)系Fig.7 Variation of sum frequency and difference frequency signal amplitude with f2 change relationship

從圖7可看出，在無(wú)缺陷處，無(wú)論T/R探頭激勵(lì)頻率是多少，和頻、差頻信號(hào)幅值都很低，幾乎趨近于0；而在有缺陷處，當(dāng)T/R探頭激勵(lì)頻率為6.5 MHz時(shí)，和頻、差頻信號(hào)均達(dá)到最大幅值，此時(shí)，和頻信號(hào)頻率約為9.1 MHz，差頻信號(hào)頻率約為3.9 MHz。因此確定T探頭的最佳激勵(lì)為2.6 MHz，T/R探頭最佳激勵(lì)頻率為6.5 MHz。最佳激勵(lì)頻率下的和頻、差頻信號(hào)頻域波形如圖8所示。

由圖8可看出，無(wú)缺陷處沒(méi)有明顯的和頻、差頻信號(hào)，波形幅值整體趨于0；而有缺陷處具有明顯的和頻、差頻信號(hào)，幅值遠(yuǎn)高于無(wú)缺陷處，說(shuō)明可通過(guò)有無(wú)明顯的和頻、差頻信號(hào)對(duì)微小缺陷進(jìn)行識(shí)別。

圖8 最佳激勵(lì)下的混頻信號(hào)波形圖Fig.8 Waveform of mixing signal under optimal excitation

3.2 微小缺陷的檢測(cè)

接下來(lái)，對(duì)橫孔試樣中8個(gè)不同埋深的缺陷進(jìn)行共線(xiàn)異側(cè)混頻實(shí)驗(yàn)，獲取不同埋深缺陷處的和頻、差頻信號(hào)，并在無(wú)缺陷處做相同實(shí)驗(yàn)，作為對(duì)比。

將兩探頭耦合在試樣兩側(cè)，與缺陷位置處于同一軸線(xiàn)。T探頭激勵(lì)頻率為2.6 MHz，周期數(shù)為20，輸出增益為25 dB，基礎(chǔ)發(fā)射延時(shí)為20 μs；T/R探頭激勵(lì)頻率為6.5 MHz，周期數(shù)為8，輸出增益為25 dB，基礎(chǔ)發(fā)射延時(shí)為20 μs。設(shè)缺陷埋深為x，要使兩列入射波在缺陷處相遇，則兩探頭的延時(shí)差為

以埋深50 mm的缺陷為例，要使入射波在缺陷處相遇，保持T/R探頭發(fā)射延時(shí)不變，則T探頭發(fā)射延時(shí)Tt=20+Ta=21.6 μs。對(duì)不同埋深的缺陷做共線(xiàn)混頻實(shí)驗(yàn)，探頭發(fā)射延時(shí)計(jì)算方法相同，測(cè)得埋深為10～80 mm的各缺陷處的和頻、差頻信號(hào)頻域波形圖如圖9所示。將和頻、差頻信號(hào)波形峰值記錄，得到混頻信號(hào)強(qiáng)度與缺陷埋深的關(guān)系，如圖10所示。

圖9 混頻信號(hào)頻域波形圖Fig.9 Frequency domain waveform of mixing signal

圖10 混頻信號(hào)強(qiáng)度與缺陷埋深的關(guān)系Fig.10 Relationship between mixing signal strength and defect buried depth

從圖9可看出，埋深為10～80 mm的缺陷處都有明顯的和頻、差頻信號(hào)，且缺陷的埋深越小，和頻、差頻信號(hào)幅值越大。從圖10可更直觀地看出，同一缺陷處，差頻信號(hào)幅值大于和頻信號(hào)；和頻、差頻信號(hào)幅值與缺陷埋深呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可通過(guò)有無(wú)明顯和頻、差頻信號(hào)判斷是否存在缺陷。

3.3 微小缺陷的定位

接下來(lái)，進(jìn)行微小缺陷的定位實(shí)驗(yàn)：改變探頭發(fā)射延時(shí)，使得兩列入射波在同一軸線(xiàn)的不同點(diǎn)相遇，并測(cè)試不同相遇點(diǎn)的和頻、差頻信號(hào)幅值。得到和頻、差頻信號(hào)幅值隨入射波相遇點(diǎn)變化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部微小缺陷的深度定位。

如圖11所示，將探頭耦合在試樣兩側(cè)，兩個(gè)探頭與橫孔缺陷處于同一軸線(xiàn)。以φ0.2 mm橫孔缺陷為原點(diǎn)、探頭與缺陷構(gòu)成的軸線(xiàn)為坐標(biāo)軸x、入射波相遇點(diǎn)間距為標(biāo)度、入射波f1的傳播方向?yàn)檎较?，?gòu)建一維坐標(biāo)系。改變探頭激勵(lì)延時(shí)使兩列入射波在一維坐標(biāo)軸上的不同點(diǎn)-n～n處相遇。

圖11 共線(xiàn)異側(cè)混頻定位原理圖Fig.11 Schematic diagram of collinear opposite side mixing positioning

設(shè)相遇點(diǎn)間隔為Δx，則第n個(gè)相遇點(diǎn)距缺陷的距離x=nΔx。若要使兩列入射波在點(diǎn)n處相遇，則T探頭的發(fā)射延時(shí)為

式(6)中，Ta為公式(5)中的兩探頭的延時(shí)差。

選擇埋深50 mm的φ0.2 mm橫孔缺陷作為定位實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象，首先進(jìn)行粗測(cè)。以缺陷為原點(diǎn)，在-15～15 mm之間，設(shè)置入射波相遇點(diǎn)，間隔為Δx=0.5 mm，根據(jù)公式(6)算得各個(gè)相遇點(diǎn)處T探頭的激勵(lì)延時(shí)，在最佳探頭激勵(lì)頻率條件下，對(duì)不同入射波相遇點(diǎn)的混合波超外差接收和分析，提取混頻信號(hào)成分，記錄各個(gè)點(diǎn)的和頻、差頻信號(hào)幅值。粗測(cè)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 Δx=0.5 mm時(shí)的混頻信號(hào)幅值Fig.12 Mixing signal amplitude whenΔx=0.5 mm

從圖12可看出，無(wú)缺陷處的和頻、差頻信號(hào)幅值曲線(xiàn)較為平滑，基本不受入射波相遇點(diǎn)變化的影響，幅值也較低，幾乎趨近于0。而有缺陷處的和頻、差頻信號(hào)受入射波相遇點(diǎn)變化的影響較大。和頻信號(hào)在x=-0.5 mm處達(dá)到最大幅值0.28033V，差頻信號(hào)在x=-1 mm處達(dá)到最大幅值0.47601 V。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)缺陷存在時(shí)，混頻信號(hào)強(qiáng)度總體上隨著入射波相遇點(diǎn)距缺陷的距離增大而減小；當(dāng)入射波相遇點(diǎn)在缺陷附近時(shí)(即入射波相遇點(diǎn)與缺陷距離接近0時(shí))，混頻信號(hào)達(dá)到最大值。因此，缺陷的位置可用混頻信號(hào)幅值最高處的入射波相遇點(diǎn)表征，根據(jù)這以關(guān)系，實(shí)現(xiàn)微小缺陷定位。

在-2.5～2.5 mm之間取間隔更小的入射波相遇點(diǎn)對(duì)混頻信號(hào)幅值進(jìn)行細(xì)測(cè)。相遇點(diǎn)間隔Δx減小至0.1 mm，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，細(xì)測(cè)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 Δx=0.1 mm時(shí)的混頻信號(hào)幅值Fig.13 Mixing signal amplitude whenΔx=0.1 mm

由圖13可知，Δx=0.1 mm時(shí)，混頻信號(hào)幅值的總體變化趨勢(shì)與Δx=0.5 mm時(shí)大體一致。在-2.5～2.5 mm范圍內(nèi)，入射波相遇點(diǎn)x=-0.7 mm點(diǎn)時(shí)，和頻信號(hào)達(dá)到最大幅值0.28235 V。由圖13(b)可看出，在-2.5～2.5 mm范圍內(nèi)，入射波相遇點(diǎn)x=-0.8 mm點(diǎn)時(shí)，差頻信號(hào)達(dá)到最大幅值0.48112 V。上述結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)中的共線(xiàn)異側(cè)混頻法定位精度存在一定的誤差，分析認(rèn)為產(chǎn)生誤差的原因有二，一是入射波信號(hào)在時(shí)域上具有一定的脈沖寬度；二是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不能保證兩入射波聲束與缺陷完全處于同一軸線(xiàn)。

4 結(jié)論

本文采用共線(xiàn)異側(cè)非線(xiàn)性混頻法對(duì)一定厚度試樣內(nèi)部微小缺陷進(jìn)行檢測(cè)，首先通過(guò)對(duì)發(fā)射/接收探頭的掃頻實(shí)驗(yàn)確定了兩個(gè)探頭的最佳激勵(lì)頻率，在最佳激勵(lì)頻率條件下進(jìn)行了非線(xiàn)性混頻實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)同一埋深的橫孔缺陷處的非線(xiàn)性差頻信號(hào)幅值明顯高于和頻信號(hào)，和頻、差頻信號(hào)強(qiáng)度與缺陷埋深大體呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，可根據(jù)有無(wú)明顯和、差頻信號(hào)對(duì)微小缺陷進(jìn)行識(shí)別。

(2)非線(xiàn)性混頻信號(hào)強(qiáng)度與入射波相遇點(diǎn)距缺陷的距離成反比，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微小缺陷的深度定位。

綜上所述，利用共線(xiàn)異側(cè)非線(xiàn)性混頻法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料內(nèi)部微小缺陷的識(shí)別和深度定位，為的盤(pán)、板類(lèi)構(gòu)件內(nèi)部微小缺陷的識(shí)別和定位提供了一個(gè)可靠的方法。