基于非線性聲學(xué)及時(shí)間反轉(zhuǎn)的鋁合金板材損傷識(shí)別研究.pdf

1、鋁合金的突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感，對(duì)航空鋁合金而言，復(fù)雜的工作環(huán)境將導(dǎo)致一些部件出現(xiàn)疲勞裂紋或損傷，可能對(duì)飛機(jī)的安全服役造成極大威脅。因此，研究鋁合金板材損傷的準(zhǔn)確快速檢測(cè)和定位方法，更加備受關(guān)注?，F(xiàn)有超聲檢測(cè)方法主要基于線性聲學(xué)，雖然簡(jiǎn)化了分析過程但同時(shí)限定了超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏性，尤其是對(duì)材料中微小的疲勞裂紋探測(cè)往往不能令人滿意。本文以航空鋁合金板材為研究對(duì)象，利用非線性聲學(xué)和時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)相結(jié)合的方法，針對(duì)鋁合金板材中易出

2、現(xiàn)的損傷--疲勞裂紋進(jìn)行識(shí)別和定位方法研究。
　　 分析了固體介質(zhì)中非線性聲學(xué)的波動(dòng)情況，給出了非線性聲學(xué)中聲學(xué)特性參數(shù)β的定義。在理論上分析了聲波在非線性波導(dǎo)介質(zhì)傳播過程中發(fā)生畸變并產(chǎn)生二次等高次諧波的原因。確定了鋁合金板材激勵(lì)聲源頻率即中心頻率為270kHz，通過實(shí)驗(yàn)論證了在鋁合金板材介質(zhì)中，用非線性系數(shù)β來表征介質(zhì)損傷程度的特征參數(shù)并不理想。
　　 對(duì)鋁合金板材中裂紋損傷的非線性調(diào)制機(jī)理進(jìn)行了分析，給出了疲勞裂紋非

3、線性聲學(xué)調(diào)制模型，確定了鋁合金板材中的非線性特征參數(shù)。對(duì)鋁合金板材進(jìn)行了相關(guān)的非線性調(diào)制聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同激勵(lì)聲源頻率組合的時(shí)域與頻譜特性，找出了鋁合金板材非線性聲學(xué)的最佳頻率組合為100kHz和270kHz。通過對(duì)有無疲勞裂紋的鋁合金板材非線性調(diào)制聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明調(diào)制頻率和高階諧波可作為識(shí)別鋁合金板材介質(zhì)疲勞裂紋的特征參數(shù)，但是受到超聲波在鋁合金板材介質(zhì)中傳播的衰減影響，有用信號(hào)的幅度并不高。
　　 利用時(shí)間反轉(zhuǎn)原理的優(yōu)越性可提

4、高信噪比和自適應(yīng)聚焦，可有效解決超聲波在介質(zhì)傳播中衰減的問題。通過對(duì)鋁合金板材自聚焦特性的研究，確定猝發(fā)蘭姆波為時(shí)間反轉(zhuǎn)過程的激勵(lì)波型。通過對(duì)鋁合金板材進(jìn)行單陣元與多陣元聲波時(shí)間反轉(zhuǎn)的自聚焦實(shí)驗(yàn)研究，證明時(shí)間反轉(zhuǎn)法可提高聲波信號(hào)的信噪比，并產(chǎn)生良好的聚焦增益。此外，對(duì)含有不同疲勞裂紋的鋁合金板材進(jìn)行聲波自聚焦實(shí)驗(yàn)，證明鋁板中疲勞裂紋的大小對(duì)聲波自聚焦的峰值幅度影響不大，當(dāng)鋁板中出現(xiàn)宏觀裂紋時(shí)，時(shí)域波形聚焦峰值區(qū)域出現(xiàn)等幅方波，在其相對(duì)應(yīng)

5、頻譜中，出現(xiàn)新的頻率成分即三次諧波。
　　 將傳統(tǒng)時(shí)間反轉(zhuǎn)法與非線性譜分析相結(jié)合，改進(jìn)為非線性譜分析-時(shí)間反轉(zhuǎn)法或時(shí)間反轉(zhuǎn)-非線性譜分析法，并對(duì)含有疲勞裂紋的鋁合金板材試樣進(jìn)行了損傷的識(shí)別對(duì)比實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為兩種方法沒有太大的差別。但由于非線性譜分析-時(shí)間反轉(zhuǎn)法不易選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間反轉(zhuǎn)窗，確定采用時(shí)間反轉(zhuǎn)-非線性譜分析法來識(shí)別鋁合金板材中的疲勞裂紋。
　　 利用兩個(gè)不同頻率超聲對(duì)鋁合金板材進(jìn)行同時(shí)激勵(lì)，通過對(duì)含有不同大小疲勞裂紋

6、的鋁合金板材的識(shí)別研究，證明和頻波與差頻波對(duì)識(shí)別鋁合金板材中的疲勞裂紋敏感程度較高，利用和頻波可以識(shí)別疲勞裂紋的大小，所能測(cè)出最小的疲勞裂紋長(zhǎng)度為0.5㎜。
　　 分析了橢圓定位法和四點(diǎn)圓弧定位法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，通過比較確定采用四點(diǎn)圓弧定位法進(jìn)行鋁合金板材疲勞裂紋定位。鑒于四點(diǎn)圓弧定位法的弊端，結(jié)合時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)的自聚焦特性，通過等分鋁合金板材為若干單元和建立任一單元的瞬時(shí)波動(dòng)圖，實(shí)現(xiàn)了鋁合金板材疲勞裂紋的重構(gòu)成像，進(jìn)而準(zhǔn)確的