A method to determine the testing resolution and sensitivity of nonlinear ultrasonic testing systems
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摘要:
为了提高非线性超声技术的检测能力并优化试验设置,提出了一种非线性超声检测系统的检测分辨力及检测灵敏度的确定方法,并根据该方法搭建了试验系统。对同一材料不同厚度的试件进行相同条件下的非线性超声二次谐波法检测,之后将测得的相对非线性系数与试件厚度进行线性拟合。拟合直线的斜率截距之比可表征该检测系统的检测分辨力,拟合直线的斜率可表征检测灵敏度。结果表明,该方法可去除非线性超声检测中的系统非线性,使测量数据具有更高对比度,利于基于非线性超声技术的材料损伤程度判定、微观组织演化评定等工作的高效展开。
Abstract:In order to improve the detection capability of nonlinear ultrasonic technology and optimize the experimental settings, a method to determine the testing resolution and sensitivity of nonlinear ultrasonic testing systems was proposed, and the experimental system was set up according to this method. The nonlinear ultrasonic measurements based on the method of second harmonic generation were carried out for several specimens which had same material but different thicknesses. Then, the relative nonlinear parameters of the specimens were linear fitted with the specimen thicknesses. It was found that the ratios of the slopes and intercepts of the fitting curves could be used to quantify the testing resolution of the testing system, and the slopes can be used to characterize the testing sensitivity. The results showed that the instrument nonlinearity introduced by nonlinear ultrasonic testing systems can be removed by using this method, which enhanced the contrast ratio of the measurement data. Therefore, the evaluation of material damage degree and microstructure evolution based on nonlinear ultrasonic technology can be carried out more efficiently.
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特种设备中的金属构件的服役环境往往极为复杂,可能出现的损伤形式包括塑性损伤、疲劳损伤、蠕变损伤等。金属构件的损伤过程通常会经历初期的微损伤到微裂纹,再由微裂纹进一步扩展形成宏观开裂。一般认为,微损伤和微裂纹时期属于金属材料寿命周期的早期阶段,而目前包括超声、射线、磁粉、渗透和声发射检测等[1-5]在内的传统方法均只能实现对晚期阶段的宏观开裂的检出。因此,寻求一种针对材料寿命周期早期阶段的检测方式显得极为重要。
针对上述问题,非线性超声检测技术在众多无损检测方法中脱颖而出[6]。其原理为利用大功率超声波在试件传播过程中遇到微损伤时产生的非线性效应来进行检测,根据非线性的来源不同,可分为经典非线性效应和接触非线性效应[7],其中微损伤阶段对应经典非线性效应;微裂纹阶段对应接触非线性效应。经典非线性效应来自材料本身,是材料介质的固有属性,一般认为与晶格的非简谐性有关,并且会随着损伤的累积逐渐增强[8-10]。现有理论认为接触非线性效应的来源可看作超声波在穿过界面处时产生的“呼吸效应”[11-14],当超声波传播到界面处时,超声波的压缩相和拉伸相导致裂纹界面出现周期性开合现象,产生了接触非线性效应。
按照具体检测方法,非线性超声检测技术又可分为二次谐波检测技术、非线性混频检测技术以及基于相控阵的非线性超声成像技术等[15]。由于二次谐波法在实际检测中最易实现,故其应用最为广泛。该方法通常采用双换能器形式,一个作为超声发射源,另一个作为超声接收源。发射换能器通常为窄带换能器；接收换能器需要同时接收基波和二次谐波,故一般选用宽带换能器,并用测量得到的基波幅值A1与二次谐波幅值A2组成的非线性系数表征损伤程度,其定义式为
(1) 式中：k为声波波数；X为声波传播距离,即等于试件厚度。
由于实际检测中,发射频率与被测试件厚度均是固定的,故k、X为固定值,继而采用相对非线性系数β′表征试件损伤程度,其表达式为
(2) 在实际应用中,通过测得的相对非线性系数反推构件损伤程度,通常需要事先标定出相对非线性系数与材料损伤程度的关系曲线,同时由于相对非线性系数β′的绝对值没有实际意义,而某一损伤程度下的β′相较于试件未损伤时的原始相对非线性系数
的比值才具实际意义,即实际应用中是通过
衡量损伤程度的。在标定过程中,系统的检测分辨力、检测灵敏度会直接影响标定曲线的拟合关系。
实际检测环节中,非线性超声技术应用面临的最大技术困难是检测结果的可重复性差。而检测分辨力及检测灵敏度亦为影响检测结果重复性的两个关键要素。这两个指标受测量仪器选择、部件连接方式、耦合剂种类、信号处理方法选择等因素影响。
在传统线性超声框架内,测量系统的检测分辨力是指检测系统能够分辨一定大小的两个相邻缺陷的能力,主要受超声波的脉冲宽度影响。检测灵敏度是指整个检测系统发现最小缺陷的能力,主要由超声波的频率决定。同时,在一系列标准中明确了二者的测定方法[16]。而在非线性超声领域,尚无明确的关于检测灵敏度及检测分辨力的定义,目前的研究者们只是通过一定的工装设计、试验系统设计、信号处理等方法来提高其检测能力[17-19]。同时,从二次谐波检测技术的实现方法中可以看出,该技术存在如下的弊端：由于系统电路、耦合剂等的影响,接收信号中会或多或少的包含非损伤带来的非线性效应[20-21],即系统非线性效应,其表现形式同样为二次谐波,故系统非线性效应难以彻底排除。
基于此,文章设计了确定非线性超声检测系统检测分辨力和检测灵敏度的方法,并利用型号为RAM-5000 SNAP的非线性超声测试设备和设计的试件,通过试验方式验证试验参数、仪器部件连接方式和数据处理方法对检测分辨力和检测灵敏度的影响,同时找到了去除系统非线性效应影响的方法。
1. 原理及试验方法
1.1 试验原理
二次谐波法中,将材料本身的非线性系数表示为
(3) 则测量得到的相对非线性系数β′可记为材料非线性部分βm引入的以及系统非线性βs引入的函数之和的形式,即
(4) 可以看出,在非线性超声检测方式、参数不变的情况下,即f(βs)、 k不变,固定βm或X,相对非线性系数β′可与声波传输距离X或材料非线性βm呈线性关系。由于实际中很难加工出材料非线性βm呈线性变化的若干试件,故文章选用了加工不同试件厚度X的方式去构造线性系统。即,由检测试验系统、若干不同厚度试件组成一个线性系统：y=Kx+B（其中K>0,B>0,x≥0）,其描述方式如下。
1.1.1 系统的检测分辨力
设x1、x2为两个不同试件的厚度,且x1<x2,则系统的检测分辨力大对应于不同非线性源的区分度大,该线性系统下等同于x1、x2固定情况下的
值,推导可得到随着斜率截距之比
的增大检测分辨力提高,故可用
表征检测分辨力。
1.1.2 系统的检测灵敏度
检测灵敏度为系统相同输入变化量引起的输出量变化,即Δx引起的Δy的改变,则在该线性系统情况下随着斜率K的增大检测灵敏度增加,故可用K表征检测灵敏度。
1.1.3 系统非线性的确定
由相对非线性系数β′与声波的传播距离X的线性关系,可得该直线的截距即为系统非线性引起的相对非线性系数部分（材料引入的部分为0）,即为f(βs)。在实际检测中,将测得的相对非线性系数
减去该部分即可得到真实的只包含材料引起的相对非线性系数。
1.2 试件制备
按照上述试验原理构想,文章设计了4个不同厚度的铝合金6061-T6长方体金属块,其实物如图1所示,试件横截面均为边长为30 mm的正方形,厚度分别为20,25,30,35 mm。4个试件的上下表面均用铣刀铣平,保证表面条件相同。如果没有系统非线性效应的影响,则应有各试件测得的相对非线性系数之比
。
1.3 非线性超声试验
非线性超声试验系统整体布置方式如图2(a)所示,由RAM-5000 SNAP系统产生高能射频脉冲串,电信号经历终端匹配负载、衰减器以及低通滤波器后驱动标称中心频率为5 MHz的窄带发射压电换能器,并将电信号转化为声波信号传入试件。声波在试件传播过程中将与材料相互作用,在试件的另一端由标称中心频率为10 MHz的宽带接收压电换能器接收声信号并将其转化为电信号。发射、接收传感器扫频结果如图2(b)、(c)所示,可以看出发射换能器峰值频率接近5 MHz,而接收换能器在5 MHz、10 MHz都具有较好的响应,能够满足同时接收基波与二次谐波的能力。之后电信号分两路输入到RAM系统的接收器1、2通道,其中一路未经滤波为基波时域信号,由于基波幅值相对较大,这里采用了信号采样器以降低其幅值使之与接收器匹配；另一路通过带通滤波器(频率为10 MHz)进行滤波并被有效放大,继而获得谐波信号。试验过程中同时采用Tektronix TDS 3054C示波器观察并记录两通道的时域信号。
设置了3组对比试验,以比较不同试验参数和不同仪器部件连接方式的检测分辨力和检测灵敏度。对比试验一中,声波脉冲串长度固定为2.8 μs,改变声波的发射频率,其他参数不变。对比试验二中,在发射频率固定为5 MHz且其他参数不变的情况下,分别以在发射换能器前加入低通滤波器与不加低通滤波器的方式完成非线性试验并进行测量。对比试验三中,分别采用相敏检波和快速傅里叶变换的方式处理接收信号。
试验所用耦合剂为高纯度甘油,同时为了保证试验结果的稳定性,自行设计了夹具系统,通过具有相同位置开孔的上下两块有机玻璃模具保证两换能器的共线,并且每次测量均采用相同质量的砝码置于有机玻璃上方,保证换能器与试件间的接触压力一致,间接保障了每次测量中耦合条件的一致,夹具系统及试验装置实物如图3所示。
2. 试验结果
2.1 对比试验一
首先对不同频率下（3~7 MHz）的基波、二次谐波幅值进行测量,并计算相应的相对非线性系数,变化曲线如图4所示,其中黑色线为基波幅值随频率的分布,红色线为二次谐波幅值随频率的分布,蓝色线为计算出的不同频率下的相对非线性系数。由图4可以看出,不同频率下相对非线性系数差异由系统总体决定,常规选择的5 MHz发射频率相较于最大情况只有一半左右,不同频率下系统所激发的非线性效应有所差异。
对4.5~6.0 MHz频域内进行细扫,采样时经256次平均及4次重复性试验,所得结果如图5所示。最终选定了最常见的5 MHz及非线性效应较强的5.6 MHz作为验证、衡量上述关于检测分辨力和检测灵敏度的声波发射频率。
两种激励频率下,不同厚度试件的基波、二次谐波时域信号如图6所示,文章为了提高信号的信噪比,已利用示波器将接收时域信号平均了256次。在时域信号中可以看出,随着试件厚度的增加,即声波传播距离的增加,基波幅值近似保持不变,而二次谐波幅值逐渐放大,且5.6 MHz情况下的谐波幅值更大,非线性效应更强。
通过系统相敏检波功能,对上述时域信号进行频域分析,两种声波发射频率所得的不同试件频谱特征如图7所示,可见,接收信号能量集中于发射频率的5,5.6 MHz以及二次谐波的10,11.2 MHz频率处。
接下来验证所搭建非线性超声检测系统的测量稳定性,理论上非线性系数为材料的固有属性,故在改变输入电压的情况下,由接收信号的基波幅值A1与二次谐波幅值A2所组成的相对非线性系数不应改变,如图8所示,可以看出各试件在两种发射频率下的相对非线性系数均不随输入电压改变,证明了系统的稳定可靠。
对各个试件按照上述试验方式,进行4次重复性测试,每次测试过程都会完全移开探头并重新添加耦合剂。其中误差棒为4次试验结果的均方根值,可以看出试验的重复性良好。将两个发射频率下,相对非线性系数与试件厚度进行线性拟合,结果如图9所示。
在声波发射频率为5 MHz时,斜率截距之比为0.154 2,斜率为0.003 91。声波发射频率为5.6 MHz时,斜率截距之比为0.153 9,斜率为0.007 44。可以看出,两种声波发射频率下的斜率截距之比接近,即检测分辨力接近,而5.6 MHz情况下的斜率更高,则说明其检测灵敏度更高,故声波发射频率为5.6 MHz的试验参数更优。
2.2 对比试验二
对比试验二中,最终得到的两种连接方式下,相对非线性系数与试件厚度的线性拟合关系如图10所示。分别计算出两种连接方式下斜率截距比为0.154 2和0.122 9,两种连接方式的斜率分别为0.003 91和0.004 14。可以看出,相较于未加低通滤波器的连接方式,加入低通滤波器后系统的检测灵敏度大致相同,但检测分辨力明显提高,故加入低通滤波器时检测效果更优。
2.3 对比试验三
通过快速傅里叶变换（FFT）方式处理图6中的时域信号,所得频域结果如图11所示,可以看出其能量分布与图7中利用相敏检波得到的结果近似。计算得到两个发射频率下各试件厚度的相对非线性系数如图12所示,同时与相敏检波(PSD)得到的结果进行对比,可见数据的处理方法对拟合结果影响不大。
3. 讨论
试验中试件厚度依次为20,25,30,35 mm,由于材料相同,表面状况相同,故其非线性系数之比理论上应为1 ∶1.25∶1.5∶1.75。由于系统非线性的干扰,实际测量值如表1所示,5,5.6 MHz声波发射频率下所得相对非线性系数之比分别为1∶1.197∶1.361∶1.575及1∶1.177∶1.372∶1.561。
Table 1. 相对非线性系数实际测量值厚度/mm 原始5 MHz 原始5.6 MHz 去除系统非线性5 MHz 去除系统非线性5.6 MHz 20 0.103 558 0.197 896 0.078 208 0.149 556 25 0.123 963 5 0.232 893 0.098 613 5 0.184 553 30 0.140 917 75 0.271 484 0.115 567 75 0.223 144 35 0.163 075 25 0.308 949 0.137 725 25 0.260 609 由该线性系统相对非线性系数与试件厚度关系
,可知当试件厚度为0时的相对非线性系数即为系统非线性部分引入的相对非线性系数,即拟合直线的截距部分。将测量相对非线性系数减去系统非线性所得的结果如表1所示,此时相对非线性系数之比分别为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。可见,通过该方法去除系统非线性后,测量结果能真实反映非线性效应的大小、表征超声非线性强度的变化。
4. 结语
文章设计了确定非线性超声检测系统检测分辨力和检测灵敏度的方法,利用型号为RAM-5000 SNAP的非线性超声测试设备和设计的试件,通过试验的方式验证不同试验参数、不同设备部件连接方式及不同数据处理方法造成的检测分辨力和检测灵敏度的差异：在改变发射声波激励频率的情况下系统的检测分辨力不变,灵敏度不同；对于在发射换能器前加入低通滤波器的情况,改善的是系统检测灵敏度,不会对检测分辨力有所提升；通过相敏检波和快速傅里叶变换方法得到的数据结果表明检测分辨力和灵敏度接近。根据设计方法可优化试验设置,同时,在实际检测前先对检测系统进行标定,则可以去除非物理效应的非线性,即系统非线性,大幅提升非线性超声技术的检测能力。
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Table 1 相对非线性系数实际测量值
厚度/mm 原始5 MHz 原始5.6 MHz 去除系统非线性5 MHz 去除系统非线性5.6 MHz 20 0.103 558 0.197 896 0.078 208 0.149 556 25 0.123 963 5 0.232 893 0.098 613 5 0.184 553 30 0.140 917 75 0.271 484 0.115 567 75 0.223 144 35 0.163 075 25 0.308 949 0.137 725 25 0.260 609 
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