Page 111 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 沙正骁等： 应用混频超声检测微小缺陷 957

非线性共线异侧混频技术对金属材料结构损伤进
0 引言
行了定位研究，结合时、频域分析方法实现了结构
金属盘、板类构件在航空用关键部件中扮演重 损伤的定位。
要角色，该类构件厚度较大，质量要求高。为了确 本文采用共线异侧纵波混频法实现微小缺陷
保金属盘、板类构件的使用安全，材料内部允许存 的识别与定位。首先研究了不同探头激励频率参数
在的微小缺陷尺寸最大不能超过0.4 mm ，对于核 下，和频、差频信号的幅值变化情况，并确定了最佳
[1]
心部件，其缺陷直径检测要求小于 0.1 mm。大厚度 探头激励频率。然后在最佳激励频率参数下，实现
盘、板类构件内部缺陷的检测通常采用超声检测技 构件中不同埋深的微小缺陷的识别与定位。
术，通过缺陷处的声波反射、散射、能量衰减和相位
1 非线性混频理论
变化等线性效应实现缺陷的识别与定位。超声波在
材料内部的传播实际上是线性效应和非线性效应 一列振幅较大、频率为 f 2 的超声波入射至材料
的叠加，当缺陷尺寸较大时，超声线性效应远大于非 中的微小缺陷处，会引起缺陷边缘部分 (如微裂纹
线性效应，非线性效应常常被忽略；当材料中的缺陷 尖端) 的周期性振动；此时，若向该缺陷入射另一列
微小时，超声非线性效应将强于线性效应，超声波与 频率为 f 1 (f 2 > f 1 ) 的超声波，该列超声波抵达正在
微小缺陷发生相互作用，产生高次谐波。因此，在检 周期性振动的微小缺陷处与频率为 f 2 的超声波相
测微小缺陷时，非线性超声技术优势明显。 遇时，会被调制，产生混频信号，混频信号包括频率
按机理的不同，非线性超声检测方法可分为 4 为f 2 + f 1 的和频信号、频率为f 2 − f 1 的差频信号。
种：二次谐波法、振动声调制法、非线性谐振法和混 非线性混频理论基于非线性弹性波模型而建
频法 [2−5] 。相对于其他几种方法，混频法具有操作 立，一维波动方程为
简单、结果稳定、受系统非线性影响小的优点。根 2 2 2
∂ s 2 ∂ s 2 ∂s ∂ s
据波型不同，非线性混频技术可分为体波混频和 ∂t 2 − c × ∂x 2 = c × β ∂x ∂x 2 , (1)
Lamb 波混频 [6] 。体波包括纵波和横波，其中，纵波 式 (1) 中：c 为声速，x 为声波传播方向，β 为非线性
穿透能力强，适合用于大厚度工件内部缺陷检测。 系数，s为质点振动的位移。
根据探头晶片中心是否处于同一轴线，将激励模式 设上述波动方程的解为
分为共线混频和非共线混频 [7] ，其中，根据入射波
s(x, t) = s 0 + s 1 , (2)
信号相对于缺陷的位置的不同，共线混频又分为同
侧共线混频和异侧共线混频。 其中：

非线性混频现象最早由 Jones [8] 发现，并提出  s 1 = xf(α),



了两列声波产生混频波的 5 种模式，给出了产生混
s 0 (x, t) = A 1 cos(f 1 α) + A 2 cos(f 2 α), (3)
频效应的共振条件。Croxford等 [9] 利用体波非线性 


 α = t − x/c,
效应研究了材料塑性损伤和疲劳程度与混频参量
间的关系，发现混频参量随材料损伤或疲劳程度增 式(3) 中，A 1 和A 2 为谐波波幅，f 1 和 f 2 为入射波频
大而增大。Zhao 等 [10] 根据有限元仿真和实验结果 率，将式(2)和式(3)代入式(1)中，可得
验证入射波频率对共线混频信号强弱有影响。Jiao s(x, t) = A 1 cos(f 1 α) + A 2 cos(f 2 α)
等 [11] 研究了非共线混频法中的两束入射波的实际 { A k cos(2f 1 α) + A k cos(2f 2 α)
2 2
2 2
+ xβ − 1 1 2 2
角度存在偏差时，对体波非线性效应的影响。Mao 8
等 [12] 用超声底波非线性扫查的方式，研究了钢中 A 1 A 2 k 1 k 2 α [ ] }
+ cos(f 1 −f 2 )+cos(f 1 + f 2 ) , (4)
疲劳裂纹的评价与成像，利用非线性混频参量清晰 4
地显示出裂纹长度。唐博 [13] 研究了 Lamb 波混频 式(4)中，k 1 和k 2 为两列入射波的波数。
技术用于缺陷的定位和成像的可能性，结果表明混 式 (4) 说明，两列入射波经过微小缺陷时，产生
频信号得到的缺陷影像和实际缺陷的影像基本上 了倍频信号 2f 1 、2f 2 ，和频信号 (f 2 + f 1 )，差频信号
一致，验证了混频定位技术的可行性。王雪 [14] 利用 (f 2 − f 1 )。倍频信号受系统非线性影响较大，因此，