特種設備中的金屬構件的服役環(huán)境往往極為復雜，可能出現的損傷形式包括塑性損傷、疲勞損傷、蠕變損傷等。金屬構件的損傷過程通常會經歷初期的微損傷到微裂紋，再由微裂紋進一步擴展形成宏觀開裂。一般認為，微損傷和微裂紋時期屬于金屬材料壽命周期的早期階段，而目前包括超聲、射線、磁粉、滲透和聲發(fā)射檢測等在內的傳統(tǒng)方法均只能實現對晚期階段的宏觀開裂的檢出。因此，尋求一種針對材料壽命周期早期階段的檢測方式顯得極為重要。
針對上述問題，非線性超聲檢測技術在眾多無損檢測方法中脫穎而出。根據非線性的來源不同，可分為經典非線性效應和接觸非線性效應，其中微損傷階段對應經典非線性效應；微裂紋階段對應接觸非線性效應。經典非線性效應來自材料本身，是材料介質的固有屬性，一般認為與晶格的非簡諧性有關，并且會隨著損傷的累積逐漸增強?，F有理論認為接觸非線性效應的來源可看作超聲波在穿過界面處時產生的“呼吸效應”，當超聲波傳播到界面處時，超聲波的壓縮相和拉伸相導致裂紋界面出現周期性開合現象，產生了接觸非線性效應。
按照具體檢測方法，非線性超聲檢測技術又可分為二次諧波檢測技術、非線性混頻檢測技術以及基于相控陣的非線性超聲成像技術等。由于二次諧波法在實際檢測中最易實現，故其應用最為廣泛。
實際檢測環(huán)節(jié)中，非線性超聲技術應用面臨的最大技術困難是檢測結果的可重復性差。而檢測分辨力及檢測靈敏度亦為影響檢測結果重復性的兩個關鍵要素。這兩個指標受測量儀器選擇、部件連接方式、耦合劑種類、信號處理方法選擇等因素影響。
在傳統(tǒng)線性超聲框架內，測量系統(tǒng)的檢測分辨力是指檢測系統(tǒng)能夠分辨一定大小的兩個相鄰缺陷的能力，主要受超聲波的脈沖寬度影響。檢測靈敏度是指整個檢測系統(tǒng)發(fā)現最小缺陷的能力，主要由超聲波的頻率決定。同時，在一系列標準中明確了二者的測定方法。
而在非線性超聲領域，尚無明確的關于檢測靈敏度及檢測分辨力的定義，目前的研究者們只是通過一定的工裝設計、試驗系統(tǒng)設計、信號處理等方法來提高其檢測能力。同時，從二次諧波檢測技術的實現方法中可以看出，該技術存在如下的弊端：由于系統(tǒng)電路、耦合劑等的影響，接收信號中會或多或少的包含非損傷帶來的非線性效應，即系統(tǒng)非線性效應，其表現形式同樣為二次諧波，故系統(tǒng)非線性效應難以徹底排除。
基于此，文章設計了確定非線性超聲檢測系統(tǒng)檢測分辨力和檢測靈敏度的方法，并利用型號為RAM-5000 SNAP的非線性超聲測試設備和設計的試件，通過試驗方式驗證試驗參數、儀器部件連接方式和數據處理方法對檢測分辨力和檢測靈敏度的影響，同時找到了去除系統(tǒng)非線性效應影響的方法。
1、試驗原理
二次諧波法中，將材料本身的非線性系數表示為：
則測量得到的相對非線性系數β′可記為材料非線性部分βm引入的以及系統(tǒng)非線性βs引入的函數之和的形式：
可以看出，在非線性超聲檢測方式、參數不變的情況下，即f(βs)、k不變，固定βm或X，相對非線性系數β′可與聲波傳輸距離X或材料非線性βm呈線性關系。
由于實際中很難加工出材料非線性βm呈線性變化的若干試件，故選用了加工不同試件厚度X的方式去構造線性系統(tǒng)。即由檢測試驗系統(tǒng)、若干不同厚度試件組成一個線性系統(tǒng)：y=Kx+B（其中K>0，B>0，x≥0），其描述方式如下：
系統(tǒng)的檢測分辨力
設x1、x2為兩個不同試件的厚度，且x1<x2，則系統(tǒng)的檢測分辨力大對應于不同非線性源的區(qū)分度大，該線性系統(tǒng)下等同于x1、x2固定情況下的(Kx2+B)/(Kx1+B)值，推導可得到隨著斜率截距之比(K/B)的增大檢測分辨力提高，故可用(K/B)表征檢測分辨力。
系統(tǒng)的檢測靈敏度
檢測靈敏度為系統(tǒng)相同輸入變化量引起的輸出量變化，即Δx引起的Δy的改變，則在該線性系統(tǒng)情況下隨著斜率K的增大檢測靈敏度增加，故可用K表征檢測靈敏度。
系統(tǒng)非線性的確定
由相對非線性系數β′與聲波的傳播距離X的線性關系，可得該直線的截距即為系統(tǒng)非線性引起的相對非線性系數部分（材料引入的部分為0），即為f(βs)。在實際檢測中，將測得的相對非線性系數βm′減去該部分即可得到真實的只包含材料引起的相對非線性系數。
2、非線性超聲檢測試驗
1、試件制備
按照上述試驗原理構想，設計了4個不同厚度的鋁合金6061-T6長方體金屬塊，其實物如圖1所示，試件橫截面均為邊長為30 mm的正方形，厚度分別為20，25，30，35 mm。4個試件的上下表面均用銑刀銑平，保證表面條件相同。如果沒有系統(tǒng)非線性效應的影響，則應有各試件測得的相對非線性系數之比β20′∶β25′∶β30′∶β35′ = 20∶25∶30∶35 = 1∶1.25∶1.5∶1.75。
圖1 不同厚度試件實物
2、檢測試驗
非線性超聲試驗系統(tǒng)整體布置方式如圖2(a)所示，由RAM-5000 SNAP系統(tǒng)產生高能射頻脈沖串，電信號經歷終端匹配負載、衰減器以及低通濾波器后驅動標稱中心頻率為5 MHz的窄帶發(fā)射壓電換能器，并將電信號轉化為聲波信號傳入試件。聲波在試件傳播過程中將與材料相互作用，在試件的另一端由標稱中心頻率為10 MHz的寬帶接收壓電換能器接收聲信號并將其轉化為電信號。
圖2 非線性超聲試驗系統(tǒng)示意及發(fā)射、接收傳感器的掃頻結果
發(fā)射、接收傳感器掃頻結果如圖2(b)、(c)所示，可以看出發(fā)射換能器峰值頻率接近5 MHz，而接收換能器在5 MHz、10 MHz都具有較好的響應，能夠滿足同時接收基波與二次諧波的能力。
之后電信號分兩路輸入到RAM系統(tǒng)的接收器1、2通道，其中一路未經濾波為基波時域信號，由于基波幅值相對較大，這里采用了信號采樣器以降低其幅值使之與接收器匹配；另一路通過帶通濾波器（頻率為10 MHz）進行濾波并被有效放大，繼而獲得諧波信號。試驗過程中同時采用Tektronix TDS 3054C示波器觀察并記錄兩通道的時域信號。
設置了3組對比試驗，以比較不同試驗參數和不同儀器部件連接方式的檢測分辨力和檢測靈敏度。對比試驗一中，聲波脈沖串長度固定為2.8 μs，改變聲波的發(fā)射頻率，其他參數不變。對比試驗二中，在發(fā)射頻率固定為5 MHz且其他參數不變的情況下，分別以在發(fā)射換能器前加入低通濾波器與不加低通濾波器的方式完成非線性試驗并進行測量。對比試驗三中，分別采用相敏檢波和快速傅里葉變換的方式處理接收信號。
試驗所用耦合劑為高純度甘油，同時為了保證試驗結果的穩(wěn)定性，自行設計了夾具系統(tǒng)，通過具有相同位置開孔的上下兩塊有機玻璃模具保證兩換能器的共線，并且每次測量均采用相同質量的砝碼置于有機玻璃上方，保證換能器與試件間的接觸壓力一致，間接保障了每次測量中耦合條件的一致，夾具系統(tǒng)及試驗裝置實物如圖3所示。
圖3 夾具系統(tǒng)及試驗裝置實物
對比試驗一
首先對不同頻率下（3~7 MHz）的基波、二次諧波幅值進行測量，并計算相應的相對非線性系數，變化曲線如圖4所示，其中黑色線為基波幅值隨頻率的分布，紅色線為二次諧波幅值隨頻率的分布，藍色線為計算出的不同頻率下的相對非線性系數。
圖4 基波、二次諧波幅值、相對非線性系數隨頻率的變化曲線
由圖4可以看出，不同頻率下相對非線性系數差異由系統(tǒng)總體決定，常規(guī)選擇的5 MHz發(fā)射頻率相較于最大情況只有一半左右，不同頻率下系統(tǒng)所激發(fā)的非線性效應有所差異。
對4.5~6.0 MHz頻域內進行細掃，采樣時經256次平均及4次重復性試驗,所得結果如圖5所示。最終選定了最常見的5 MHz及非線性效應較強的5.6 MHz作為驗證、衡量上述關于檢測分辨力和檢測靈敏度的聲波發(fā)射頻率。
圖5 相對非線性系數隨頻率的變化曲線
兩種激勵頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波時域信號如圖6所示，為了提高信號的信噪比，已利用示波器將接收時域信號平均了256次。在時域信號中可以看出，隨著試件厚度的增加，即聲波傳播距離的增加，基波幅值近似保持不變，而二次諧波幅值逐漸放大，且5.6 MHz情況下的諧波幅值更大，非線性效應更強。
圖6 兩種激勵頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波接收時域信號
通過系統(tǒng)相敏檢波功能，對上述時域信號進行頻域分析，兩種聲波發(fā)射頻率所得的不同試件頻譜特征如圖7所示，可見接收信號能量集中于發(fā)射頻率的5，5.6 MHz以及二次諧波的10，11.2 MHz頻率處。
圖7 兩種激勵頻率下，不同厚度試件的基波、二次諧波接收信號的頻域特征
接下來驗證所搭建非線性超聲檢測系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性，理論上非線性系數為材料的固有屬性，故在改變輸入電壓的情況下，由接收信號的基波幅值A1與二次諧波幅值A2所組成的相對非線性系數不應改變，如圖8所示，可以看出各試件在兩種發(fā)射頻率下的相對非線性系數均不隨輸入電壓改變，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
圖8 相對非線性系數隨系統(tǒng)輸出水平的變化曲線
對各個試件按照上述試驗方式，進行4次重復性測試，每次測試過程都會完全移開探頭并重新添加耦合劑。其中誤差棒為4次試驗結果的均方根值，可以看出試驗的重復性良好。將兩個發(fā)射頻率下，相對非線性系數與試件厚度進行線性擬合，結果如圖9所示。
圖9 兩個聲波發(fā)射頻率下相對非線性系數隨試件厚度的變化曲線
在聲波發(fā)射頻率為5 MHz時，斜率截距之比為0.1542，斜率為0.00391。聲波發(fā)射頻率為5.6 MHz時，斜率截距之比為0.1539，斜率為0.00744?？梢钥闯?，兩種聲波發(fā)射頻率下的斜率截距之比接近，即檢測分辨力接近，而5.6 MHz情況下的斜率更高，則說明其檢測靈敏度更高，故聲波發(fā)射頻率為5.6 MHz的試驗參數更優(yōu)。
對比試驗二
對比試驗二中，最終得到的兩種連接方式下，相對非線性系數與試件厚度的線性擬合關系如圖10所示。
圖10 兩種連接方式下相對非線性系數隨試件厚度的變化
分別計算出兩種連接方式下斜率截距比為0.1542和0.1229，兩種連接方式的斜率分別為0.00391和0.00414?？梢钥闯觯噍^于未加低通濾波器的連接方式，加入低通濾波器后系統(tǒng)的檢測靈敏度大致相同，但檢測分辨力明顯提高，故加入低通濾波器時檢測效果更優(yōu)。
對比試驗三
通過快速傅里葉變換（FFT）方式處理圖6中的時域信號，所得頻域結果如圖11所示，可以看出其能量分布與圖7中利用相敏檢波得到的結果近似。
圖11 FFT得到的發(fā)射頻率5 MHz及5.6 MHz的接收信號頻域特征
計算得到兩個發(fā)射頻率下各試件厚度的相對非線性系數如圖12所示，同時與相敏檢波（PSD）得到的結果進行對比，可見數據的處理方法對擬合結果影響不大。
圖12 兩種數據處理方法下相對非線性系數隨試件厚度的變化對比曲線
3、分析與討論
試驗中試件厚度依次為20，25，30，35 mm，由于材料相同，表面狀況相同，故其非線性系數之比理論上應為1∶1.25∶1.5∶1.75。由于系統(tǒng)非線性的干擾，實際測量值如表1所示，5，5.6 MHz聲波發(fā)射頻率下所得相對非線性系數之比分別為1∶1.197∶1.361∶1.575及1∶1.177∶1.372∶1.561。
表1 相對非線性系數實際測量值
由該線性系統(tǒng)相對非線性系數與試件厚度的關系可知，當試件厚度為0時的相對非線性系數即為系統(tǒng)非線性部分引入的相對非線性系數，即擬合直線的截距部分。將測量相對非線性系數減去系統(tǒng)非線性所得的結果如表1所示，此時相對非線性系數之比分別為1∶1.261∶1.478∶1.761及1∶1.234∶1.492∶1.743，都接近于1∶1.25∶1.5∶1.75。可見，通過該方法去除系統(tǒng)非線性后，測量結果能真實反映非線性效應的大小、表征超聲非線性強度的變化。
4、結語
設計了確定非線性超聲檢測系統(tǒng)檢測分辨力和檢測靈敏度的方法，利用型號為RAM-5000 SNAP的非線性超聲測試設備和設計的試件，通過試驗的方式驗證不同試驗參數、不同設備部件連接方式及不同數據處理方法造成的檢測分辨力和檢測靈敏度的差異：在改變發(fā)射聲波激勵頻率的情況下系統(tǒng)的檢測分辨力不變，靈敏度不同；對于在發(fā)射換能器前加入低通濾波器的情況，改善的是系統(tǒng)檢測靈敏度，不會對檢測分辨力有所提升；通過相敏檢波和快速傅里葉變換方法得到的數據結果表明檢測分辨力和靈敏度接近。根據設計方法可優(yōu)化試驗設置，同時，在實際檢測前先對檢測系統(tǒng)進行標定，則可以去除非物理效應的非線性，即系統(tǒng)非線性，大幅提升非線性超聲技術的檢測能力。
作者：郭勇，王璇，李菊峰，賀柏達，牛衛(wèi)飛
工作單位：天津市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院/國家市場監(jiān)管重點實驗室（特種設備數字孿生共性技術）
第一作者簡介：郭勇，博士，高級工程師，主要研究方向為非線性超聲檢測技術。
來源：《無損檢測》2024年1期
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