沙正驍曾甘露 梁 菁陸銘慧何方成陸傳雨

(1中國航發(fā)北京航空材料研究院 北京100095)

(2南昌航空大學 南昌330063)

(3航空材料檢測與評價北京市重點實驗室 北京100095)

(4中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室 北京100095)

0 引言

金屬盤、板類構件在航空用關鍵部件中扮演重要角色，該類構件厚度較大，質(zhì)量要求高。為了確保金屬盤、板類構件的使用安全，材料內(nèi)部允許存在的微小缺陷尺寸最大不能超過0.4 mm[1]，對于核心部件，其缺陷直徑檢測要求小于0.1 mm。大厚度盤、板類構件內(nèi)部缺陷的檢測通常采用超聲檢測技術，通過缺陷處的聲波反射、散射、能量衰減和相位變化等線性效應實現(xiàn)缺陷的識別與定位。超聲波在材料內(nèi)部的傳播實際上是線性效應和非線性效應的疊加，當缺陷尺寸較大時，超聲線性效應遠大于非線性效應，非線性效應常常被忽略；當材料中的缺陷微小時，超聲非線性效應將強于線性效應，超聲波與微小缺陷發(fā)生相互作用，產(chǎn)生高次諧波。因此，在檢測微小缺陷時，非線性超聲技術優(yōu)勢明顯。

按機理的不同，非線性超聲檢測方法可分為4種：二次諧波法、振動聲調(diào)制法、非線性諧振法和混頻法[2-5]。相對于其他幾種方法，混頻法具有操作簡單、結果穩(wěn)定、受系統(tǒng)非線性影響小的優(yōu)點。根據(jù)波型不同，非線性混頻技術可分為體波混頻和Lamb波混頻[6]。體波包括縱波和橫波，其中，縱波穿透能力強，適合用于大厚度工件內(nèi)部缺陷檢測。根據(jù)探頭晶片中心是否處于同一軸線，將激勵模式分為共線混頻和非共線混頻[7]，其中，根據(jù)入射波信號相對于缺陷的位置的不同，共線混頻又分為同側(cè)共線混頻和異側(cè)共線混頻。

非線性混頻現(xiàn)象最早由Jones[8]發(fā)現(xiàn)，并提出了兩列聲波產(chǎn)生混頻波的5種模式，給出了產(chǎn)生混頻效應的共振條件。Croxford等[9]利用體波非線性效應研究了材料塑性損傷和疲勞程度與混頻參量間的關系，發(fā)現(xiàn)混頻參量隨材料損傷或疲勞程度增大而增大。Zhao等[10]根據(jù)有限元仿真和實驗結果驗證入射波頻率對共線混頻信號強弱有影響。Jiao等[11]研究了非共線混頻法中的兩束入射波的實際角度存在偏差時，對體波非線性效應的影響。Mao等[12]用超聲底波非線性掃查的方式，研究了鋼中疲勞裂紋的評價與成像，利用非線性混頻參量清晰地顯示出裂紋長度。唐博[13]研究了Lamb波混頻技術用于缺陷的定位和成像的可能性，結果表明混頻信號得到的缺陷影像和實際缺陷的影像基本上一致，驗證了混頻定位技術的可行性。王雪[14]利用非線性共線異側(cè)混頻技術對金屬材料結構損傷進行了定位研究，結合時、頻域分析方法實現(xiàn)了結構損傷的定位。

本文采用共線異側(cè)縱波混頻法實現(xiàn)微小缺陷的識別與定位。首先研究了不同探頭激勵頻率參數(shù)下，和頻、差頻信號的幅值變化情況，并確定了最佳探頭激勵頻率。然后在最佳激勵頻率參數(shù)下，實現(xiàn)構件中不同埋深的微小缺陷的識別與定位。

1 非線性混頻理論

一列振幅較大、頻率為f2的超聲波入射至材料中的微小缺陷處，會引起缺陷邊緣部分(如微裂紋尖端)的周期性振動；此時，若向該缺陷入射另一列頻率為f1(f2＞f1)的超聲波，該列超聲波抵達正在周期性振動的微小缺陷處與頻率為f2的超聲波相遇時，會被調(diào)制，產(chǎn)生混頻信號，混頻信號包括頻率為f2+f1的和頻信號、頻率為f2-f1的差頻信號。

非線性混頻理論基于非線性彈性波模型而建立，一維波動方程為

式(1)中：c為聲速，x為聲波傳播方向，β為非線性系數(shù)，s為質(zhì)點振動的位移。

設上述波動方程的解為

其中：

式(3)中，A1和A2為諧波波幅，f1和f2為入射波頻率，將式(2)和式(3)代入式(1)中，可得

式(4)中，k1和k2為兩列入射波的波數(shù)。

式(4)說明，兩列入射波經(jīng)過微小缺陷時，產(chǎn)生了倍頻信號2f1、2f2，和頻信號(f2+f1)，差頻信號(f2-f1)。倍頻信號受系統(tǒng)非線性影響較大，因此，非線性混頻檢測微小缺陷時，以和頻、差頻信號幅值表征混頻效應強度。

2 試樣設計與實驗系統(tǒng)搭建

2.1 試樣設計

本文采用7075鋁合金材料加工制作一塊橫孔試塊，尺寸(長×寬×高)為120 mm×90 mm×60 mm。在試樣的兩個側(cè)面預置了8個埋深為10～80 mm、尺寸為φ0.2 mm×20 mm的橫孔微缺陷。試樣設計如圖1所示。

圖1 試樣設計圖Fig.1 Sample design

2.2 實驗系統(tǒng)搭建

本次實驗采用的激勵模式是共線異側(cè)混頻，實驗系統(tǒng)主要包括：RAM-5000 SNAP非線性超聲儀、接收/激勵探頭、計算機、50 Ω阻抗匹配、雙工器、示波器等。實驗系統(tǒng)示意圖如圖2所示。實驗系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

圖3 實驗系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical diagram of experimental system

在共線異側(cè)混頻實驗系統(tǒng)中，T探頭為標稱頻率2.25 MHz的單激勵探頭，與輸出通道1相連，僅用于超聲波的發(fā)射；T/R探頭為標稱頻率5 MHz的激勵/接收探頭，通過雙工器與輸出通道2相連，同時用于超聲波的發(fā)射與接收。兩探頭的頻響曲線如圖4所示。

圖4 探頭頻響曲線Fig.4 Frequency response curve of probe

2.3 和頻、差頻信號的獲取

通過計算機控制非線性超聲儀向T探頭施加頻率為f1的激勵信號，向T/R探頭施加頻率為f2的激勵信號，激勵探頭產(chǎn)生兩列超聲波。兩列超聲波在缺陷處產(chǎn)生混頻效應，滋生混頻波(包含和頻信號(f1+f2)與差頻信號(f2-f1))，被T/R探頭獲取并經(jīng)由雙工器傳輸至非線性超聲儀。T/R探頭接收的信號波形如圖5所示。

圖5 T/R探頭接收的信號波形Fig.5 Signal waveform received by T/R probe

圖5顯示的波形中，波形1為T/R探頭的始波，波形3是T/R探頭發(fā)出的入射波傳播至異側(cè)界面形成的反射回波，波形2為T探頭發(fā)出的入射波。從圖6可看出，無缺陷時，材料內(nèi)部不會發(fā)生混頻效應，波形2不發(fā)生畸變；而有缺陷時，波形2因與和頻、差頻信號混疊形成混合波，波形發(fā)生畸變。將積分門框選波形2，利用非線性超聲儀的超外差功能，接收混合波中的和頻、差頻信號。

圖6 波形2Fig.6 Waveform 2

3 實驗過程及結果分析

3.1 激勵頻率的確定

為得到能量較大的和頻、差頻信號，在確定探頭激勵頻率時，需考慮T探頭和T/R探頭的綜合頻率特性。

從圖4可看出，T探頭響應頻段較窄，最佳響應頻率為2.6 MHz，首先確定T探頭的激勵頻率f1為2.6 MHz。T/R探頭響應頻段較寬，為確保能接收到明顯的和頻、差頻信號，保持T探頭激勵頻率為2.6 MHz不變，在5.6～7.3 MHz范圍內(nèi)，以10 kHz為步進，改變T/R探頭激勵頻率，對有無缺陷處(缺陷選用的是埋深為50 mm的φ0.2 mm橫孔)做共線混頻實驗，得到和頻、差頻信號幅值隨T/R探頭激勵頻率f2的變化關系如圖7所示。

圖7 和頻、差頻信號幅值隨f2的變化關系Fig.7 Variation of sum frequency and difference frequency signal amplitude with f2 change relationship

從圖7可看出，在無缺陷處，無論T/R探頭激勵頻率是多少，和頻、差頻信號幅值都很低，幾乎趨近于0；而在有缺陷處，當T/R探頭激勵頻率為6.5 MHz時，和頻、差頻信號均達到最大幅值，此時，和頻信號頻率約為9.1 MHz，差頻信號頻率約為3.9 MHz。因此確定T探頭的最佳激勵為2.6 MHz，T/R探頭最佳激勵頻率為6.5 MHz。最佳激勵頻率下的和頻、差頻信號頻域波形如圖8所示。

由圖8可看出，無缺陷處沒有明顯的和頻、差頻信號，波形幅值整體趨于0；而有缺陷處具有明顯的和頻、差頻信號，幅值遠高于無缺陷處，說明可通過有無明顯的和頻、差頻信號對微小缺陷進行識別。

圖8 最佳激勵下的混頻信號波形圖Fig.8 Waveform of mixing signal under optimal excitation

3.2 微小缺陷的檢測

接下來，對橫孔試樣中8個不同埋深的缺陷進行共線異側(cè)混頻實驗，獲取不同埋深缺陷處的和頻、差頻信號，并在無缺陷處做相同實驗，作為對比。

將兩探頭耦合在試樣兩側(cè)，與缺陷位置處于同一軸線。T探頭激勵頻率為2.6 MHz，周期數(shù)為20，輸出增益為25 dB，基礎發(fā)射延時為20 μs；T/R探頭激勵頻率為6.5 MHz，周期數(shù)為8，輸出增益為25 dB，基礎發(fā)射延時為20 μs。設缺陷埋深為x，要使兩列入射波在缺陷處相遇，則兩探頭的延時差為

以埋深50 mm的缺陷為例，要使入射波在缺陷處相遇，保持T/R探頭發(fā)射延時不變，則T探頭發(fā)射延時Tt=20+Ta=21.6 μs。對不同埋深的缺陷做共線混頻實驗，探頭發(fā)射延時計算方法相同，測得埋深為10～80 mm的各缺陷處的和頻、差頻信號頻域波形圖如圖9所示。將和頻、差頻信號波形峰值記錄，得到混頻信號強度與缺陷埋深的關系，如圖10所示。

圖9 混頻信號頻域波形圖Fig.9 Frequency domain waveform of mixing signal

圖10 混頻信號強度與缺陷埋深的關系Fig.10 Relationship between mixing signal strength and defect buried depth

從圖9可看出，埋深為10～80 mm的缺陷處都有明顯的和頻、差頻信號，且缺陷的埋深越小，和頻、差頻信號幅值越大。從圖10可更直觀地看出，同一缺陷處，差頻信號幅值大于和頻信號；和頻、差頻信號幅值與缺陷埋深呈線性負相關。實驗結果表明，可通過有無明顯和頻、差頻信號判斷是否存在缺陷。

3.3 微小缺陷的定位

接下來，進行微小缺陷的定位實驗：改變探頭發(fā)射延時，使得兩列入射波在同一軸線的不同點相遇，并測試不同相遇點的和頻、差頻信號幅值。得到和頻、差頻信號幅值隨入射波相遇點變化的關系，實現(xiàn)材料內(nèi)部微小缺陷的深度定位。

如圖11所示，將探頭耦合在試樣兩側(cè)，兩個探頭與橫孔缺陷處于同一軸線。以φ0.2 mm橫孔缺陷為原點、探頭與缺陷構成的軸線為坐標軸x、入射波相遇點間距為標度、入射波f1的傳播方向為正方向，構建一維坐標系。改變探頭激勵延時使兩列入射波在一維坐標軸上的不同點-n～n處相遇。

圖11 共線異側(cè)混頻定位原理圖Fig.11 Schematic diagram of collinear opposite side mixing positioning

設相遇點間隔為Δx，則第n個相遇點距缺陷的距離x=nΔx。若要使兩列入射波在點n處相遇，則T探頭的發(fā)射延時為

式(6)中，Ta為公式(5)中的兩探頭的延時差。

選擇埋深50 mm的φ0.2 mm橫孔缺陷作為定位實驗的測試對象，首先進行粗測。以缺陷為原點，在-15～15 mm之間，設置入射波相遇點，間隔為Δx=0.5 mm，根據(jù)公式(6)算得各個相遇點處T探頭的激勵延時，在最佳探頭激勵頻率條件下，對不同入射波相遇點的混合波超外差接收和分析，提取混頻信號成分，記錄各個點的和頻、差頻信號幅值。粗測得到的實驗結果如圖12所示。

圖12 Δx=0.5 mm時的混頻信號幅值Fig.12 Mixing signal amplitude whenΔx=0.5 mm

從圖12可看出，無缺陷處的和頻、差頻信號幅值曲線較為平滑，基本不受入射波相遇點變化的影響，幅值也較低，幾乎趨近于0。而有缺陷處的和頻、差頻信號受入射波相遇點變化的影響較大。和頻信號在x=-0.5 mm處達到最大幅值0.28033V，差頻信號在x=-1 mm處達到最大幅值0.47601 V。上述實驗結果表明，當缺陷存在時，混頻信號強度總體上隨著入射波相遇點距缺陷的距離增大而減??；當入射波相遇點在缺陷附近時(即入射波相遇點與缺陷距離接近0時)，混頻信號達到最大值。因此，缺陷的位置可用混頻信號幅值最高處的入射波相遇點表征，根據(jù)這以關系，實現(xiàn)微小缺陷定位。

在-2.5～2.5 mm之間取間隔更小的入射波相遇點對混頻信號幅值進行細測。相遇點間隔Δx減小至0.1 mm，其他實驗參數(shù)不變，細測得到的實驗結果如圖13所示。

圖13 Δx=0.1 mm時的混頻信號幅值Fig.13 Mixing signal amplitude whenΔx=0.1 mm

由圖13可知，Δx=0.1 mm時，混頻信號幅值的總體變化趨勢與Δx=0.5 mm時大體一致。在-2.5～2.5 mm范圍內(nèi)，入射波相遇點x=-0.7 mm點時，和頻信號達到最大幅值0.28235 V。由圖13(b)可看出，在-2.5～2.5 mm范圍內(nèi)，入射波相遇點x=-0.8 mm點時，差頻信號達到最大幅值0.48112 V。上述結果表明，本實驗中的共線異側(cè)混頻法定位精度存在一定的誤差，分析認為產(chǎn)生誤差的原因有二，一是入射波信號在時域上具有一定的脈沖寬度；二是實驗過程中，不能保證兩入射波聲束與缺陷完全處于同一軸線。

4 結論

本文采用共線異側(cè)非線性混頻法對一定厚度試樣內(nèi)部微小缺陷進行檢測，首先通過對發(fā)射/接收探頭的掃頻實驗確定了兩個探頭的最佳激勵頻率，在最佳激勵頻率條件下進行了非線性混頻實驗，實驗結果表明：

(1)同一埋深的橫孔缺陷處的非線性差頻信號幅值明顯高于和頻信號，和頻、差頻信號強度與缺陷埋深大體呈線性負相關，可根據(jù)有無明顯和、差頻信號對微小缺陷進行識別。

(2)非線性混頻信號強度與入射波相遇點距缺陷的距離成反比，能夠?qū)崿F(xiàn)對微小缺陷的深度定位。

綜上所述，利用共線異側(cè)非線性混頻法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料內(nèi)部微小缺陷的識別和深度定位，為的盤、板類構件內(nèi)部微小缺陷的識別和定位提供了一個可靠的方法。