闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究

针对结构中微裂纹检测难题,发展了一种闭合裂纹非共线混频超声检测方法。在对非共线混频超声检测机理分析基础上,进行了结构中疲劳裂纹混频非线性超声检测实验。对有无裂纹试件中检测信号进行了滤波和时频分析,结果表明,可根据信号滤波后时域波形中是否存在明显的混频波包或时频分析中是否存在明显的和频分量,实现有无闭合裂纹的判识;通过移动激励探头的位置,控制两列入射声波在试件中的交汇位置,实现试件中不同深度位置的混频非线性检测。并根据测得的混频非线性系数沿试件深度方向上分布,实现了闭合裂纹沿深度方向上长度的测量。研究工作为结构中微裂纹定量评价做了有益探索。     

金属基复合结构粘接强度的非线性超声混频检测

采用非线性超声混频方法对金属基复合结构的粘接强度进行表征研究。以不同固化剂含量的铝合金丙烯酸酯粘接结构作为检测对象,基于非线性超声混频的共振条件及其作用机制,并结合粘接固化机理,开展了非线性超声混频实验。非线性超声混频模式选取两列横波生成和频纵波的方式,实验测量并计算不同基频周期数下的超声非线性参量。通过拉伸实验标定粘接结构的粘接强度,并采用扫描电镜分析拉伸断面微观结构,进而分析超声非线性参量与粘接强度的关系。从实验结果可以看出在不同周期的基频信号激励下,超声非线性参量随着粘接强度的增大均呈现出减小的趋势。研究表明非线性超声混频信号对金属基复合结构粘接强度的变化比较敏感,可以适用于类似结构件粘接强度状态弱化的表征。     

裂纹尖端塑性区非线性超声混频定位表征

基于非共线体波混频的方法,本文对金属材料中裂纹尖端的塑性变形区开展定位表征研究。基于二阶微扰理论和矢量分析方法,理论研究非共线体波混频的共振条件及其定位塑性变形区的机理。有限元仿真表明,两横波混频产生的纵波可用于定位塑性变形区。以A17075-T6材料为检测对象,通过实验证明两列横波混频定位裂纹尖端塑性区的可行性。实验中分别选取中心频率为5 MHz-5 MHz的两列横波和4.75 MHz-55.25 MHz的两列横波作为基波,利用非线性超声混频参量定位表征裂纹尖端的塑性变形区。研究结果表明两种频率对产生的非线性超声混频参量峰值区域与试样中塑性区位置吻合度比较好,可以看出非线性超声混频方法能够比较有效地定位金属裂纹尖端塑性区。     

基于激光超声的微裂纹检测技术的研究

在固体中利用激光产生超声波 ,可作为超声测量和材料无损检测的一种新方法。介绍了激光超声表面波的产生机理、微裂纹的检测方法及其应用。采用Nd∶YAG脉冲激光器、扩束与聚焦透镜组、PZT探头、数据分析仪等器件设计并构建了一套基于接触式检测方法的激光超声微裂纹检测实验系统。通过对大量实验数据进行处理 ,得出了相应的各种关系曲线 ,说明了线光源产生的超声表面波非常适用于材料表面微裂纹的检测     

应用混频超声检测微小缺陷

高端飞行器的可靠性往往受限于其发动机内部盘、板等构的结构强度和使用寿命,因此对这类部件的无损检测在制造业上具有巨大需求。超声检测作为一种应用广泛、高效、环保的检测方法,常常被应用于这类构件的检测中。但是,大厚度盘、板类构件内的微小缺陷反射能力弱,常规超声脉冲反射法无法进行有效检测。为实现大厚度盘、板类构件内部微小缺陷的识别和定位,采用共线异侧纵波混频法,通过和差频信号特征识别微小缺陷;研究缺陷埋深变化对混频效果的影响,通过测量和差频信号幅值变化,实现微小缺陷的深度定位。结果表明：该方法可有效识别7075铝合金中埋深80 mm的?0.2 mm横孔微缺陷,且可实现微小缺陷的深度定位。     

金属板疲劳损伤非线性兰姆波混频检测

针对金属板结构安全运行需要,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波混频检测方法研究。通过数值仿真,研究了两列A₀兰姆波与材料损伤间的非线性相互作用。结果表明,两列共线A₀兰姆波在结构材料损伤处产生单向传播的和频S₀波,且和频波幅值随传播距离具有积累增长效应。对不同疲劳程度金属板试件进行了共线混频兰姆波检测实验,结果表明,和频波幅值随试件疲劳周数的增加呈单调递增趋势,提出的兰姆波混频技术可用于金属板结构疲劳程度的表征。研究工作为金属板结构疲劳损伤检测提供了可行的技术方案。     

多通道超声兰姆波检测板状结构中的裂纹

超声兰姆(Lamb)波在结构缺陷检测方面愈来愈受到重视,但目前Lamb波的应用局限于单信号源激励,单通道接收的方法,容易受到噪声干扰,其后续的信号分析处理也比较复杂。本文旨在采用多通道Lamb波对板状结构中的裂纹进行定量分析与诊断。在铝板的表面凿刻出不同深度的凹槽作为裂纹,通过线阵换能器采集在一定传播距离内的多通道Lamb波信号,并采用二维傅里叶变换分析在不同深度的裂纹下,Lamb波模式能量的变化规律。结果表明,相对于完好铝板中的Lamb波信号,裂纹的存在会使Lamb波发生模式转换现象,并且转换模式能量百分比随裂纹深度的增加而线性增加。其结果为Lamb波评价板状结构中的裂纹状况提供了一种可能的方法。     

铝合金板疲劳微裂纹超声红外成像检测的数值及实验研究

超声红外成像检测技术是一种发展迅速的新型无损检测技术,可用于检测材料表面或近表面的缺陷,由于对缺陷具有选择性加热的特点,近年来备受检测行业的关注。该文在铝合金板中制作疲劳微裂纹,在板中激励声波,裂纹表面因振动摩擦生热,用红外摄像仪记录板表面温度分布。拍摄的红外图像序列经傅里叶变换后得到的幅值和相位图能清晰显示裂纹的特征,测量到的裂纹长度误差达到4.3%。用有限元模拟超声在板中裂纹处的生热过程,研究板中超声在裂纹处的励热机制。超声激励时间、裂纹表面间摩擦系数和裂纹开口宽度直接影响裂纹处的励热效果,最高温度通常位于裂纹尖端附近。模拟和实验结果均表明超声红外成像检测技术能对板中疲劳微裂纹实现快速检测,提供有效、可信的检测结果。     

镁合金疲劳早期非线性超声在线检测实验研究

材料力学性能早期退化在微观结构上表现为位错和晶带滑移等缺陷的变化,在超声波检测中表现为高次谐波的产生。发展了一套在材料疲劳实验机上直接任线测量超声非线性系数的实验系统,在相同条件下测量了同一试件作不同输入电压下的二次谐波和基波幅度,二次谐波幅度和基波幅度平方的线性相关系数r=0.9996,表明实验系统是可靠的。同时利用该系统进行了三组不同加载应力的镁合金试件疲劳在线非线性超声检测实验。实验结果表明,在疲劳寿命的55%之前,超声非线性系数对疲劳加载周数具有很高的灵敏度。因此,利用超声非线性系数可以很好地表征镁合金的疲劳早期退化。另外在中低周疲劳范围内,加载应力的大小以及拉-拉和拉压疲劳模式的变化对实验结果没有明显的影响。     

振动声调制技术下微裂纹的非线性响应分析

采用非线性弹簧模型对振动声调制技术下微裂纹产生的非线性调制效应进行解释。从理论上分析了振动声调制技术下微裂纹产生非线性调制现象的原理,将微裂纹的开合状态等效为非线性弹簧。利用有限元软件构建并仿真微裂纹非线性弹簧模型,分别观察不同激励下裂纹界面的开合状态及混合声波的传播特性。结果表明,微裂纹界面随低频声波呈周期性开合,使得通过裂纹界面的高频声波与低频声波相互调制而产生非线性现象。在以上研究基础上,开展振动声调制实验研究。对比仿真结果,非线性调制系数R在实验条件下和仿真随低频激励幅值的变化趋势相同,证明了该模型的正确性。该模型为振动声调制技术应用于微裂纹的超声非线性检测提供了理论依据。     

基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型

提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的"应力-应变",然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.     

A laser beam deflection technique for the quantitative detection of ultrasonic Lamb waves

Ultrasonic Lamb waves have been measured with a quantitative optical beam deflection (OBD) technique. Calibration of the technique is derived for two cases of laser probe beam cross-section, one with a uniform beam and the other with a Gaussian beam intensity distribution. Expressions for angular beam deflection angle are derived for both cases in terms of the total light intensity falling on the photodetector, assumed to have a square-law voltage response. Using a Gaussian beam intensity distribution from a HeNe laser, the OBD measurements were compared with those from a Michelson interferometer to show that measurements were self-consistent.     

A time-resolved method for nonlinear ultrasonic measurements

We describe a time-resolved method for measuring nonlinear ultrasonic phenomena. Current approaches rely on a narrowband measurement of harmonic generation to identify and characterize nonlinearity. Concomitant with these techniques is poor time resolution. We address this limitation with a hybrid narrowband/broadband approach that provides simultaneous time resolution and harmonic isolation for the measurement of weak nonlinearites. We discuss applications and present demonstrative results showing harmonic generation both in water and at a dry contact aluminum-aluminum interface.     

基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术。骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分。从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像。在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响。该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术。     

嵌入式超声传感器的混凝土损伤非线性检测研究*

对建筑结构在其生命周期中的损伤状态进行实时监测十分重要,借助埋在混凝土构件内部的压电传感器对结构进行无损检测是一种新型的检测手段。本文将压电传感器嵌入混凝土试件内部,通过超声二次谐波法对信号进行分析处理得到表征材料损伤的非线性参数,以此来监测混凝土的早期强度并对混凝土试件受压和钢筋混凝土梁受弯的不同损伤程度进行检测。结果证明,非线性参数可以反映混凝土养护过程的强度增长情况,也可以表征不同损伤形式下试件的损伤程度。     

A novel ultrasonic micro-dissection technique for biomedicine

Molecular techniques are transforming our understanding of cellular function and disease. However, accurate molecular analysis methods will be limited if the input DNA, RNA, or protein is not derived from pure population of cells or is contaminated by the wrong cells. A novel Ultrasonic Vibration Micro-dissection (UVM) method was proposed to procure pure population of targeted cells from tissue sections for subsequent analysis. The principle of the ultrasonic vibration cutting is analyzed, and a novel micro-tool is designed. A multilayer piezoelectric actuator is used to actuate a sharp needle vibrating with high frequency and low amplitude (approx. 16-50 kHz, and 0-3 microm) to cut the tissue. Contrast experiment was done to test the feasibility of UVM method. Experimental results show that the embedded tissue can be quickly and precisely cut with the ultrasonic vibration micro-dissection method.     

A new beamforming technique for ultrasonic imaging systems

We propose a simple, versatile and inexpensive beamforming method that performs the aperture windowing of an ultrasonic transducer array in the transmit mode, without modifying the driver voltage, but simply controlling the length of the electric pulse driving the array elements. A conversion formula has been determined that permits us to compute, for a desired emitted pulse amplitude, the corresponding driving pulse length to be applied. Any shading function can be implemented over any type of transducer array, using very low-cost hardware. Computer simulations and experimental measurements, with a 3.8 MHz convex array, confirm the effectiveness of this approach in enhancing the contrast resolution, since the off-axis intensity in the radiated beam pattern is largely reduced.     

非线性电磁超声对铝合金拉伸变形评价研究

非线性系数是描述材料中微纳尺度损伤的特征参量,非线性系数常通过接触式压电超声进行检测,但耦合剂引起的非线性一般是未知的,针对这一问题,提出了一种非接触式电磁超声非线性纵波检测方法。该方法基于洛伦兹力机理在试件表面产生的振动弹性波,利用不同拉伸载荷下所制备的损伤试件,分别利用压电超声、电磁超声进行非线性超声系数测量。实验结果表明:利用两种非线性超声检测的相对非线性系数与铝合金的拉伸形变呈单调关系,同时也论证了电磁超声纵波基于非线性理论对塑性变形评估的可行性。     

A numerical formulation for nonlinear ultrasonic waves propagation in fluids

A finite-difference algorithm is developed for analysing the nonlinear propagation of pulsed and harmonic ultrasonic waves in fluid media. The time domain model allows simulations from linear to strongly nonlinear plane waves including weak shock. Effects of absorption are included. All the harmonic components are obtained from only one solving process. The evolution of any original signal can be analysed. The nonlinear solution is obtained by the implicit scheme via a fast linear solver. The numerical model is validated by comparison to analytical data. Numerical experiments are presented and commented. The effect of the initial pulse shape on the evolution of the pressure waveform is especially analysed.     

Optical inspection system with tunable exposure unit for micro-crack detection in solar wafers

Micro-cracks are a major cause of wafer breakage in the solar wafer manufacturing process. Furthermore, the existence of micro-cracks may lead to electrical failure in the post-fabrication inspection of solar cells and solar modules. Thus, the reliable detection of micro-cracks is an important concern in the photovoltaic industry. Accordingly, the present study proposes a novel micro-crack inspection system comprising a near infrared light source, a CCD camera and a tunable exposure unit. In the proposed system, the intensity of the light transmitted through the wafer is sensed by a photodetector and the exposure time of the CCD camera is tuned accordingly in order to maximize the contrast of the CCD image; thereby improving the performance of the crack detection process. The experimental results show that the proposed system enables the reliable detection of micro-cracks in solar wafers with a thickness of up to 240 μm within 1 s. In other words, the system provides an ideal solution for on-line micro-crack inspection applications in the photovoltaic industry.