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第 37 卷 第 6 期 吕文瀚等： 金属材料疲劳损伤检测的非线性声学方法 877

由式 (18)、式 (22)、式 (23) 可分析间距变化、结 0
合面动态力、超声波作用力之间的关系：当裂纹完 -6
全闭合时，有y = 0，此时 G(y) = F(t)，声波无反射，
全透射；当裂纹完全张开时，G(y) = 0，声波发生全 ܙᄞ/dB -12
反射，无透射；当裂纹处于部分张开、部分闭合时，即 -18
所说的微裂纹，裂纹间距变化与结合面动态力以及
-24
超声波作用力有关。通常 G(y)-y 为非线性的，即声
波会受到调制而产生非线性现象。我们也开展了微 -30
1 2 3 4 5
裂纹相关的非线性声学实验研究，见第3.3节。 ᮠဋ/MHz
图 4 接收换能器的频谱
3 实验研究
Fig. 4 The spectrum of the received transducer
基于以上两种不同阶段疲劳损伤理论模型
从接收换能器的频谱结果来看，其对实验中频
的分析，相应地分别设计了如下两个实验。一
率为 1.1 MHz 的基波信号以及其二次、三次谐波信
是对金属铝中不同程度前期疲劳损伤的检测和
号的接收灵敏度不同，在接下来的声学检测实验结
评估；二是对金属铝中疲劳后期微裂纹的检测。
果处理中，分别对不同信号幅度进行了增益补偿。
实验试样规格如图 3 中试样所示， 主要尺寸为
基波信号、二次、三次谐波信号分别增加了14.4 dB、
125 mm×25 mm×100 mm，其余尺寸、加工方法
参考疲劳裂纹扩展国家标准 (GBT21143-2012) 等 2 dB、6 dB，以保证各频率信号有相同的灵敏度。
比例设计。实验所用非线性声学检测系统如图 3 所 3.1 实验系统非线性的评估
示，包括信号发生器 (Tektronix AFG1022)、功率放
由于实验中产生非线性的因素比较多，而声学
大器(MODEL 2100L RF POWER AMPLIFIER)、
非线性的检测主要考虑材料本身引起的非线性以
示波器(Agilent Technologies MSO7032A)等。发射
及由于材料的微小损伤引起的非线性，因此在进
换能器选用中心频率为 1.1 MHz 的窄带压电晶片，
行对材料的非线性进行检测之前，需要对整个实验
实验中为了保证足够的能量和较窄的频带，激励源
检测系统的非线性进行标定，以确保后续实验结果
信号采用一定周期的正弦波脉冲串。接收换能器选
的可靠性。标定实验所用试块为无缺陷的铝试样，
用中心频率为 2.34 MHz 的宽带 PZT 换能器，并对
实验中经放大的激励信号电压依次为 20 V, 40 V,
其频率响应进行了测试。测试时，采用脉冲发射接
60 V, · · · , 220 V，信号形式均为周期为 5 的正弦波
收仪 (5800PR P/E) 发射一个尖脉冲信号激励换能
脉冲串。实验结果如图5所示。
器产生超声波，声波经介质传播到界面反射后，将接
收到的信号取出并进行频谱分析从而测得换能器 4.5
的频率响应曲线，其测试结果如图4所示。 4.0
3.5
A 2 (arb. units) 2.5
Ҫဋஊܸ٨ 3.0

ηՂԧၷ٨ 25 125 2.0
ԧ࠱૱ᑟ٨ 1.5
100 តನ
PC఻ 1.0
ଌஆ૱ᑟ٨ 0.5
0
0 3000 6000 9000 12000 15000
2
A 0 (arb. units)
图 5 不同激励电压下接收信号二次谐波幅值 A 2
஝ߚᇨฉ٨ 与基波幅值的平方 A 0 的关系
2
图 3 实验系统示意图 Fig. 5 The amplitude relationship between excit-
Fig. 3 The experiment system ing signals and second-order harmonics