Page 55 - 无损检测2024年第十二期

辛昊松，等：

基于超声共振谱的结构缺陷无损检测

生改变，而超声共振谱的共振峰对应的频率即为结
构的共振频率，因此超声共振谱可以反映出结构的
变化，应用于结构的无损检测。传统的超声检测技
术包括超声波脉冲回波和相控阵超声法，而超声共
振谱技术目前应用案例较少。目前已有多种获取结
构共振谱的方法，如利用激光脉冲 、磁场 或接触
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压式电换能器 。笔者采用接触式压电换能器来获
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取共振谱。
文章以铝制立方体结构为研究对象，通过有限
元仿真研究结构内部缺陷对固有频率以及超声共振
谱的影响，从而证明超声共振谱可以应用于结构的
无损检测。并通过试验判断有限元仿真所得到的超 图 1 铝块的 COMSOL 有限元仿真模型
声共振谱与试验测得的超声共振谱的一致性，以验
学场”。根据超声共振谱试验的装置设置，将自由边
证有限元仿真的准确性。最后比较试验测量的有缺
界应用于结构的所有外表面，结构的中心点采用固
陷结构和无缺陷结构的超声共振谱，验证了基于超
定约束。最后对结构进行网格划分,其结果如图1（b）
声共振谱判断结构是否存在缺陷的可行性。
所示。
1 超声共振谱 通过 COMSOL 计算结构的固有频率有两种
模式：特征频率模式和频域分析模式。特征频率模
一个弹性体在自由边界条件下具有多个共振频 式是以某个频率为中心，直接计算该频率附近的固
率，其共振频率本质上为弹性体的固有属性，只依赖 有频率；频域分析模式可以计算出给定频率范围内
于弹性体的几何形状、密度、弹性模量。当弹性体的 结构受到激励后，结构位移的完整频谱响应，这和
形状和密度已知的情况下，将待测弹性体的两个对 实际情况更为接近。由于试验采取的是对顶角夹
顶角用超声换能器夹住，一侧超声换能器不断更换 持，所以仿真时在立方体铝块的一个顶点（产生激
激励频率进行扫频激励，另一侧超声换能器接收振 励的超声换能器位置）添加点载荷，记录对顶角（接
动信号；扫频完成之后，接收信号的超声换能器将所 收信号的超声换能器位置）的位移大小，有限元仿
采集到的信号绘制成超声频谱，这就是弹性体的超 真模型点位设置如图 2所示。然后绘制给定频率范
声共振谱。当弹性体受到的激励频率与自身固有频 围内的频谱图像，峰值所对应的频率即为结构的固
率相吻合时，超声换能器会接收到一个幅值较大的 有频率。
信号，其幅值称为共振峰值。因此，通过提取超声共
振谱的共振峰值对应的频率便可以得到结构的固有
频率。

2 有限元仿真

2.1 有限元仿真过程
文章采用COMSOL有限元软件进行仿真研究,
建立的COMSOL有限元仿真模型如图 1 所示，如
图 1（a）所示，首先建立尺寸为 8. 1 mm×10 mm×
18 mm（长×宽×高） 的立方体铝块模型，该尺寸与
后续试验中所使用的试件尺寸一致。然后添加材料
信息，设置材料参数，并赋予结构相应的材料参数。
文章中使用的材料均为铝，铝的杨氏模量为70 GPa，
密度2 700 kg · m ，泊松比为0. 33。接下来进行物
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理场的设置，对于固有频率的仿真，设置为“固体力 图 2 有限元仿真模型点位设置
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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测