非线性无损检测技术的研究、应用和发展

非线性无损检测技术的研究、应用和发展

王丙峰

山东建大建筑工程鉴定检测中心山东济南250013

摘要：当前阶段，关于材料和结构无损检测技术的研究不断增加，由于传统线性超声观察时域信号会受到波长等因素的影响，对一些细小的缺陷如微裂纹、粘接、分层等不够敏感。针对这一问题，基于超声的非线性效应逐渐引起人们的注意。本文将对几种非线性无损检测技术的研究、应用以及未来发展进行探讨研究，希望可以为该领域的发展提供一定的参考借鉴。

关键词：非线性；无损检测技术；应用；未来发展

随着工业领域材料科学的不断发展，对检测技术的要求也在持续提升，传统的线性检测技术在功能上逐渐表现出一定的不足，很难检测到一些细小的缺陷，在这样的情况下，必须引入非线性超声检测技术。任何基于非线性超声检测技术的无损评价方法都必须具备区分被检测材料本身引起的非线性声学效应和缺陷引起的非线性声学效应的能力，如此才能将材料存在的缺陷检测出来。

一、谐波与费谐波

（一）谐波与有限幅度法

有限幅度法是观测谐波产生最常用的方法，该方法的原理是通过连续脉冲串激励较大振幅超声波，使材料内部存在的不连续处产生振动。随着声波的持续传播，材料内部不连续区域会产生“呼吸”效应，加剧时域波形畸变，频域表现为出现谐波，形成非线性响应。该方法主要应用于界面脱粘、复合材料分层以及疲劳等力学性能退化的检测项目。

有限幅度法所使用的试验装置存在明显的相似之处，以纵波为例，其主要是向缺陷材料中传播大振幅的超声波，形成波形畸变，之后对接收到的信号进行频谱分析，实现对谐波的有效观测。其试验装置主要包括信号发生器、功率放大器、超声换能器以及液体耦合剂等。其中信号发生器产生脉冲串、功率放大器和发射换能器对其进行激发，接收换能器对经过待测试样后的信号进行重新接收。

不同种类的有限幅度法的应用领域表现出明显的差异性，如纵波有限幅度法比较适用于材料内部接触型缺陷的检测，如闭合裂纹、复合材料分层、微裂缝检测、混凝土检测等领域。表面波有限幅度法则多用于近表面疲劳和热力学缺陷的检测。此外，有限幅度法还可以用于金属疲劳检测领域，并对硬化、腐蚀等也具备一定的敏感性。

（二）次谐波

次谐波是指在介质中邻近波传播区域，一种非线性波形扭曲的现象，具体表现为时域信号周期提高为原来的两倍，同时频率降低一般，现有研究表明，次谐波和直流效应在数量上存在一定的关联。在试验中，次谐波的观测通常是利用斜入射纵波作用于闭合裂纹，此时裂纹的输出边会跟随输入边受迫振动，由于裂纹并未完全闭合，因此两边的振幅会表现出一定的差异性，此时接收到的信号周期就会提升为入射超声波的两倍。该效应现如今在超声力显微镜领域的得到应用，在物体表面裂纹观察中发挥着重要作用。

次谐波在闭合裂纹分析中具有显著的作用，因为次谐波的产生机制只与闭合裂纹两侧部分受迫振动相关。

二、谐振频率改变和非线性谐振超声谱分析技术

作为一种传统的线性超声或是声学技术，谐振超声谱分析技术在检测具有规则外形和均匀介质的试样时，其检测结果十分精确。其原理是通过对试样谐振频率的测量，结合几何参数以及密度对试样的弹性常数进行计算。由上可知，该方法是一种基于材料固有性质的检测分析技术，对试样内部缺陷的敏感性偏低。通过研究可知，存在缺陷试样的谐振频率改变量与激励超声信号水平变化量之间存在着非线性关系，基于此，人们将传统技术加以改进获得了非线性谐振超声谱分析技术，其原理是通过对谐振频率和激励水平变化的分析，判断结构内部的性能退化情况。当前阶段，非线性谐振超声谱分析技术在混凝土、纤维复合材料、金属等领域的检测中得到了广泛的应用。

三、超声非线性关键技术

非线性超声检测技术是以材料固有非线性和缺陷引起的非线性为基础，在试验过程中，除了材料缺陷引起的非线性之外，各种试验设备，如功率放大器、超声换能器、耦合剂等也具有非线性特征，且要比材料本身及其缺陷的非线性更加明显，因此有必要在试验装置和试验方法上减小非缺陷的非线性。

在试验中，利用脉冲串对发射换能器进行激励，并在发射换能器中安置压电晶片，这样一方面可以获得理想频率的超声波，另一方面压电晶片不存在其他非线性来源，可以保障试验结果的可靠性。此外，在实验前还要对发射换能器的频率响应进行测量，并利用滤波器效应将前端的非线性因素滤除。

试验中所采用的液体耦合剂一般也具有较强的非线性，为了避免其对试验结果的准确性造成不利影响，可以再试验前使用各类液体介质作为耦合剂进行测量，通过比对筛选出非线性残留最小的一种用于实验，并进行预先定量，方便在得出试验结果后将其剔除。

在试验过程中，要做好信号和数据的处理。对于有限幅度法，考虑到二次谐波的幅值相对偏小，容易淹没在噪声信号中，应使用频率响应较好的宽带换能器对信号进行接收，获得最理想的输出信号。另一方面，还需对前置放大器和接收换能器引入的非线性进行处理，确保试验结果的有效性。

在获得实验数据之后，要进行校准处理，因为试验中所获得的是接收换能器响应的电压数据。比较常用的校准方式为使用激光振动计对试验的振动位移进行测定，获得电压和位移之间的关系，据此求出非线性系数。但需注意的是，考虑到接收换能器的频率响应特定存在差异性，因此必须要对基波和高次谐波的电压幅值进行补偿。

非线性超声技术相对于传统的现行超声技术在材料和结构检测领域具有更加显著的优势，但对检测过程操作和方法选用也提出了更高的要求。只有科学设计试验装置并合理安排试验步骤，才能获得精确可靠的试验数据。

四、技术发展

现如今，非线性超声检测技术已经开始从实验室应用转向工程应用，根据当前发展趋势，其未来研究应集中在以下几个领域：其一，对非线性超声检测技术的基础研究，如声波和介质内不连续相互作用的机理，明晰衰减、噪声等因素对系统非线性响应存在的影响以及关于金属疲劳、复合材料等特殊领域的试验探索等，这些基础性研究可以加快推动非线性超声检测技术由定性检测向定量检测过渡。

其二，有效克服液体耦合剂存在的非线性。结合试验研究可知，除了材料本身以及缺陷引起的非线性外，液体耦合剂也存在非线性特征，和接收换能器前的非线性因素不同，由于耦合剂直接和试样接触，因此其非线性很难完全消除，如何解决或是规避这一问题是未来该领域研究的重点。

其三，非线性超声检测技术成像研究。非线性超声检测技术成像可以使检测结果的呈现变得更加清晰，对其工程应用推广具有重要意义。

结束语：

综上所述，非线性超声检测技术之间取代传统线性超声检测技术，成为材料、结构内部微小缺陷检测领域应用的关键性技术，但其距离大范围工程实践应用人就存在一定差距，需要进一步探索研究。

参考文献：

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