Page 36 - 无损检测2022年第八期

黄婷婷,等:
光热调制的基础温度对光声非线性声信号特性的影响

向 [ 7-8 ] 。然而, 对于裂纹宽度远小于声波波长的微裂 波与微裂 纹 相 互 作 用, 裂 纹 的 接 触 状 态 会 发 生 改
纹, 线性超声方法对其并不敏感, 而非线性超声方法 变, 导致其应力应变关系发生非线性变化; 将裂纹
依据声波与裂纹相互作用时信号频率的变化能有效 的受力状 态 等 效 为 非 线 性 弹 簧 [ 12 , 17 ] , 频 域 中 出 现
检测这种微裂纹 [ 9-11 ] 。利用非线性超声方法检测裂 非线性旁瓣, 在有裂纹的一维杆模型中, 沿 x 正方
纹时会产生不同非线性响应信号, 根据这些信号的 向输入两 列 纵 波, 由 低 频( ) 声 波( 泵 浦 源) 产 生
f 1
来源不同可分为经典声非线性和非经典非线性 [ 12 ] 。 的位移场可表示为
(
(
固体的经典声非线性主要与材料的固有非 线性有 u 1 x , t ) B 1 x ) cos ( ω 1 t ) ( 1 )
=
,
关, 通过固体的高阶弹性常数来描述。基于经典非 式中: ω 1 =2π f 1 f 1 为低频声波调制频率; x 为位
(
线性理论的检测方法, 可利用材料力学性能参数与 移; t 为传播时间; B 1 x ) 为声波幅值。
超声非线性信号之间的关系来评估裂纹 [ 13 ] 。 类似地, 高频( ) 声波( 激发源) 产生的位移场
f 2
但经典非线性理论难以解释分层、 脱黏、 部分闭 可表示为
(
(
=
合微裂纹等接触类损伤引起的非线性现象 [ 13 ] , 因此 u 2 x , t ) B 2 x ) cos ( ω 2 t ) ( 2 )
基于非经典理论的损伤检测成为近年来的研究热点 所以, 总位移为
(
(
=
+
之一 [ 14-16 ] , 其中利用振动声调制技术对接触类损伤 u ( x , t ) u 1 x , t ) u 2 x , t ) ( 3 )
的检测受 到 了 广 泛 的 关 注, DONSKOY 等 [ 17 ] 利 用 将式( 1 ) 和式( 2 ) 代入式( 3 ) 中可得总位移为
(
(
u ( x , t ) B 1 x ) cos ( ω 1 t ) +B 2 x ) cos ( ω 2 t )
=
低频振动调制高频超声波, 观察声波与裂纹相互作
( 4 )
用时产生的非线性现象来对裂纹进行评估。随着振
裂纹的应变可表示为
动声调制技术的发展, 学者们改进了传统的激励方
式, 选择非接触式的调制方式 [ 18 ] 。 MEZIL 等 [ 19 ] 基 ε ( x , t ) = ∂ u ( x , t ) ( 5 )
∂x
于光声非线性混频技术, 共点扫描激发源与泵浦源,
将式( 4 ) 代入( 5 ) 中可得
验证了利用非线性混频方法检测玻璃中裂纹的可行
( 1 )
( 1 )
ε ( x , t ) B 1 x ) cos ( ω 1 t ) +B 2 x ) cos ( ω 2 t )
(
(
=
性。倪苏浩等 [ 20 ] 在空间上分离了激发源和泵浦源
( 6 )
并分别单独扫查激发源和泵浦源, 通过研究旁瓣幅
( 1 )
( 1 )
(
(
式中: B 1 x ) 为低频声波幅值的一阶偏导; B 2 x )
值与扫描距离的关系, 得到激发源相对于泵浦源而
为高频声波幅值的一阶偏导。
言对扫描距离更加敏感的结论。虽然学者们进行了
裂纹的应力可表示为
大量的光声非线性混频试验, 但激发源和泵浦源对
σ ( x , t ) =K ( ε ) ε ( x , t ) ( 7 )
裂纹非线性状态的影响仍然有待探索。
式中: K ( ε ) 为弹簧的刚度系数。
笔者基于光声非线性混频机制, 以一束幅度调
将 K ( ε ) 泰勒展开可得
制的高频连续激光作为激发声波的激发源, 以一束
K ( ε ) =K 0 +K 1 ε+K 2 ε +K 3 ε + … ( 8 )
2
3
幅度调制的低频连续激光作为调制裂纹运动的泵浦
, , …分别为线性参数, 一阶非线性参
式中: K 0 K 1 K 2
源, 泵浦源调制裂纹周期性运动导致其接触状态改
数和二阶非线性参数。
变, 从而对输入进裂纹的探测声波幅度调制, 产生混
将式( 8 ) 代入( 7 ) 中可并保留二次项得
频等非线性声信号, 再将非线性信号特性的变化作
σ ( x , t ) =K 0 ε ( x , t ) +K 1 ε ( x , t ) ( 9 )
2
为评估裂纹的依据。由于激光的热效应会引起材料
将式( 6 ) 代入( 9 ) 中并进一步化简得
辐照区域的局部温升, 产生基础温度, 材料热膨胀部 ( 1 )
σ ( x , t ) =K 0 B 1 x ) cos ( ω 1 t ) +
(
分相当于增加了裂纹的基础位移, 这一过程会对光 ( 1 )
(
K 0 B 2 x ) cos ( ω 2 t ) +
声非线性声信号产生影响。针对这一问题, 笔者先
1 ( 1 ) 1 ( 1 )
(
[
(
[
2
2
2
介绍了基于非线性调制现象的微裂纹检测方法, 而 K 1 B 1 x )] cos ( 2ω 1 t ) + K 1 B 1 x )] +
2 2
后进行试验研究了激光源诱导的基础温度对光声非
1 K 2 B 2 x )] cos ( 2ω 2 t ) 1 K 2 B 2 x )]
( 1 )
( 1 )
(
[
[
(
2
2
线性混频机制的影响。 2 + 2 +
( 1 )
( 1 )
K 1 B 1 x ) B 2 x ) cos ( ω 1 t-ω 2 t ) +
(
(
1 非线性声学调幅现象
( 1 )
( 1 )
K 1 B 1 x ) B 2 x ) cos ( ω 1 t+ω 2 t ) ( 10 )
(
(
当待 测 样 品 中 输 入 两 列 高 频 和 低 频 声 波, 声 由式( 10 ) 可以清楚地看出频域中会产生二倍频
2
2022 年 第 44 卷 第 8 期

无损检测