Page 59 - 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

验装置包括激励超声换能器、接收超声换能器、锁相
放大器、超声换能器支架与夹具。将制备的立方体
试块对角夹持在激励超声换能器和接收超声换能器
之间，通过锁相放大器向激励换能器输入扫频正弦
信号，接收换能器接收扫频激励下的试块位移响应
信号，并输出到锁相放大器中。当输入的激励信号
接近试块的固有频率时，接收超声换能器接收到的
信号幅值会明显增大，由此检测出试块的固有频率。
3.2 试块结构与尺寸
试块1和试块2的材料均为铝， 尺寸均为8. 1 mm×
10 mm×18 mm（长×宽×高），其中试块1 没有缺 图 14 测量试块 2 所得超声共振谱与有限元仿真
陷，试块2在10 mm×18 mm的表面中心存在一个半 所得超声共振谱
径为2 mm，深度为1 mm的圆柱形缺陷。试块1，2的 150~270 kHz。
几何模型如图12所示。 观察图13可以发现，测量试块1所得与有限元
仿真所得的超声共振谱的大部分共振峰都是较为
吻合的，但也存在一些有较大偏差的共振峰。观察
图14可以发现，测量试块2所得与有限元仿真所得
的超声共振谱的共振峰均存在明显偏差，试验所得
的共振峰相较于仿真所得的共振峰整体向右发生了
偏移，但是两者整体规律是一致的。
试验测量与有限元仿真所得的超声共振谱的误
差来源主要有以下几方面。
（1）试块加工精度不高，导致试块的结构不够

规则，是误差的主要来源。
（2）试块的材料属性与有限元仿真中设置的材

图 12 试块 1,2 的几何模型
料属性存在差异。
3.3 试验数据和结果分析 （3）实际的边界条件与有限元仿真设置的边界

利用搭建好的设备测量试块 1，2 的超声共振 条件存在差异。
谱。测量试块 1，2 所得的超声共振谱与有限元 为了更细致地研究试验所得与有限元仿真所得
超声共振谱的差异，根据试验所得超声共振谱提取
仿真所得的超声共振谱如图 13，14 所示，频域为
试块的固有频率f test ，同时提取有限元仿真得到的超
声共振谱中的固有频率f ，并计算f 相较于f 的
sim
test
sim
误差，即
（2）

6
试块1仿真与测试所得的固有频率误差如表5，
所示。根据表5，6可知，试验所得到的超声共振谱
提取出的固有频率相较于有限元仿真结果中提取出
的固有频率，误差大部分在1%以内，验证了有限元
仿真得到的超声共振谱的准确性，故通过有限元仿

图 13 测量试块 1 所得超声共振谱与有限元仿真 真研究所得的结论也具有准确性。
所得超声共振谱 测量试块1，2所得的超声共振谱如图15所示，

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2024 年 第 46 卷 第 12 期
无损检测