接觸界面振動(dòng)聲調(diào)制行為及缺陷檢測(cè)方法研究.pdf

1、振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)是一種非線性聲學(xué)檢測(cè)方法，對(duì)接觸型缺陷非常敏感，且不受工件材料和幾何形狀的限制，在工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估方面有很大的應(yīng)用前景。然而，若要提高此技術(shù)的檢測(cè)可靠性及效率，使其應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)當(dāng)中，則需要在調(diào)制機(jī)理、參數(shù)優(yōu)化、定量評(píng)價(jià)等方面對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。本文自主搭建了振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)，以鋁桿試樣為主要研究對(duì)象，考察了其主要激勵(lì)參數(shù)的選取原則，分析了振動(dòng)/超聲信號(hào)在裂紋界面的相互作用機(jī)理，提出了基于修正非線性調(diào)制模型的定量檢測(cè)方

2、法，最后對(duì)此方法在復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)上的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。
　　根據(jù)振動(dòng)/超聲信號(hào)的激勵(lì)、接收要求，選擇相應(yīng)的硬件設(shè)備，搭建了用于振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確定了振動(dòng)/超聲信號(hào)的激勵(lì)、接收及處理方法，為提高檢測(cè)效率，開發(fā)了基于LabVIEW的檢測(cè)程序，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)。
　　研究了缺陷界面上低頻振動(dòng)與高頻超聲信號(hào)的相互作用機(jī)理。一方面采用數(shù)值模擬方法分別對(duì)工件中低、高頻聲場(chǎng)進(jìn)行了分析，并通過檢測(cè)過程中高頻頻響曲線的變化

3、研究了低頻振動(dòng)對(duì)高頻聲場(chǎng)的影響。研究表明，低頻頻率為工件共振頻率時(shí)，缺陷界面相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度出現(xiàn)極值，若此時(shí)缺陷區(qū)域高頻響應(yīng)也較高，則將引起高、低頻信號(hào)之間的相互作用，表現(xiàn)為高頻頻響曲線在低頻振動(dòng)下出現(xiàn)較大變化。對(duì)鋁桿試樣，當(dāng)無缺陷存在時(shí)，低頻振動(dòng)和高頻超聲之間并無相互作用；當(dāng)工件內(nèi)存在較小尺寸裂紋時(shí)，頻響曲線在低頻作用下的變化多出現(xiàn)在共振峰附近，表現(xiàn)為共振峰的偏移和峰值變化；而裂紋尺寸較大時(shí)，曲線主要表現(xiàn)為幅度變化，且在整個(gè)高頻范圍內(nèi)都會(huì)

4、出現(xiàn)。另一方面通過比較實(shí)際檢測(cè)信號(hào)中邊頻成分與不同模式的調(diào)制信號(hào)仿真結(jié)果，對(duì)振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)信號(hào)中邊頻成分進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)/超聲信號(hào)在缺陷界面上不僅存在幅度調(diào)制，還存在頻率調(diào)制。
　　在上述理論分析的基礎(chǔ)上，討論主要激勵(lì)參數(shù)的優(yōu)化選擇問題，包括低、高頻激勵(lì)信號(hào)各自幅度和頻率的選取范圍或原則。通過振動(dòng)模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量手段，分析了裂紋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)低頻參數(shù)選擇的影響。結(jié)果表明，低頻激振力越大、激勵(lì)頻率越接近工件共振頻率，裂紋

5、面開合程度越高，因而引發(fā)的調(diào)制也越強(qiáng)，但低頻激振力達(dá)到臨界值后，裂紋面充分張開，因此調(diào)制強(qiáng)度不再增加。研究了不同高頻激勵(lì)參數(shù)下的振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高頻激勵(lì)幅度對(duì)調(diào)制強(qiáng)度影響微弱，但不同高頻頻率下調(diào)制強(qiáng)度差別較大；為提高檢測(cè)效率，采用掃頻技術(shù)尋求最佳高頻激勵(lì)頻率，并編寫了相應(yīng)的LabVIEW程序；通過對(duì)不同解調(diào)方法進(jìn)行對(duì)比，選取同步解調(diào)作為掃頻激勵(lì)下的接收信號(hào)中的調(diào)制信息提取方法，并定義了新的調(diào)制強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)：掃頻調(diào)制指數(shù)MISD。

6、最后在掃頻激勵(lì)方式下對(duì)含不同尺寸裂紋鋁桿試樣進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了第三部分理論分析的正確性。
　　在前述理論分析及實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)定量評(píng)價(jià)方法。采用同步解調(diào)方法對(duì)振動(dòng)聲調(diào)制檢測(cè)信號(hào)中的調(diào)制信息進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，通過工件的高頻超聲可分為兩部分，其中通過裂紋界面的部分受到低頻振動(dòng)的調(diào)制，另一部分則不與低頻發(fā)生相互作用，由此對(duì)原有的桿內(nèi)非線性調(diào)制模型進(jìn)行了修正。根據(jù)修正后的調(diào)制模型，在考慮工件內(nèi)高頻聲場(chǎng)分布的情

7、況下，采用受調(diào)制的高頻聲波與工件中聲波總能量之比對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行表征，與超聲C掃描結(jié)果對(duì)比表明，此方法可較準(zhǔn)確地估計(jì)桿內(nèi)裂紋尺寸。
　　最后主要探討了振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用問題。以鋁桿開口槽試樣、螺栓連接結(jié)構(gòu)試樣為研究對(duì)象，考察了振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)對(duì)不同界面接觸程度的適應(yīng)性。結(jié)果表明，界面從不接觸到充分接觸過程中，其引起的調(diào)制強(qiáng)度隨之增加，而其接觸程度的進(jìn)一步增加則會(huì)使調(diào)制強(qiáng)度減弱。同時(shí)研究了此技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)能力