【《非线性超声理论分析现状》4800字】

非线性超声理论研究现状综述目录TOC\o"1-3"\h\u52931.1高次谐波法检测微裂纹 17215(1)纵波 323020(2)Lamb波 321979(3)表面波和导波 4278551.2非线性超声混频响应技术 5187181.3超声调制技术 7超声非线性响应主要来自材料与超声波作用产生的接触非线性关系，在金属材料受力过程中,会产生各种类型的缺陷，例如晶格畸变，位错群积累导致的微裂纹，以及微小的塑性变形等，他们都会导致材料与超声产生非线性效应。一般情况下，比微小塑性变形导致的材料损伤小的多，研究价值较低，危险性不高。微裂纹从微观上看是一系列的位错群，通过位错超声非线性的数值研究人们得到了Hikata和Cash两种重要的位错弦模型。1.1高次谐波法检测微裂纹材料内部早期的位错、滑移以及微观缺陷等非线性特征都会引起超声波的非线性效应。过去的线性超声实验在固体中传导时也有非线性响应，不过效果非常小可以忽略不计。现在的实验所使用的超声波峰值很高，在固体中传播时会存在很强烈的非线性响应，导致超声波发生调制，并最终生成二次谐波。超声波与各向同性的介质发生作用，其运动方程为：(1)式中，是材料的密度，是方向的位移，是传播时间，是方向的应力，是超声波的传播距离。考虑非线性响应，并舍去高次项，方向的应力与应变的关系为：(2)其中的正应变定义为：(3)联立解得：(4)(5)式中，是超声波波速，是二阶非线性系数，是三阶非线性系数。该方程没有一般解析解，一般采用微扰近似理论进行求解，即将所求参数进行幂级数展开进行求解，得到：(6)式中,为基波幅值，为波数，为角频率，定义上式第二项系数为二次谐波峰值，第三项系数为三次谐波峰值，则(7)一般的非线性超声效应，二次谐波的峰值是基波值的百分之一以内，三次谐波的值非常微小，因此二次谐波的峰值在大多数情况下就能说明非线性效应的大小。当激发频率一定时，超声波的波数也就确定，在传播距离不变的情况下，通过计算得到非线性系数就可以说明材料内部的微裂纹扩张状况，为(8)由式(8)可知，二阶相对非线性系数与基波幅值成反比，与二次谐波幅值成正比。因此，在实验中我们可以测量基波幅值和二次谐波幅值就可以表征材料内部的微裂纹缺陷状况。图4高次谐波法(1)纵波王冠等使用有限元技术对微裂纹附近与超声波的非线性作用进行了仿真实验，结果表明板材的疲劳程度、微裂纹形态参数(长度、宽度、接触面积)、非线性系数等数据具有较强的相关性，所以非线性系数的大小可以定量分析金属的疲劳裂纹。焦敬品等对板状材料中微裂纹的超声非线性效应进行了有限元仿真实验，说明了超声波接收效果受到裂纹方向的改变，仿真数据表明反射波形中的高次谐波直线方向的增加量比裂纹方向高出一倍，但穿透波形的高次谐波分量在直线方向几乎没有增加。阎红娟等建立微裂纹非线性弹簧模型，研究在循环载荷作用下微裂纹尺度变化（主要是长宽变化）对超声波信号检测信号的幅值改变，确定相对非线性系数受微裂纹尺度变化的影响，发现相对非线性系数受微裂纹长度影响为正相关，宽度呈负相关。Wu等利用非线性瞬时基线识别定位铝板中的疲劳裂纹，然后采用损伤指数值(每个路径的光谱变化)表征裂纹的尺寸参数。杨斌通过研究微裂纹取向与和频非线性之间的联系，得到了微裂纹角度变化与非线性系数的坐标数值，进行了有限元仿真和金属实物实验后，得到了非线性系数随着微裂纹角度增大而增大的结论，而且发现和频非线性系数比过去的二阶非线性系数更准确。Lamb波RyosukeNakase等将低功率脉冲激光诱导产生的超声脉冲波和低频对称模式下的兰姆波结合，设计了一种用于薄板无损检测的新型微裂纹尖端检测系统。NiteshP.Yelve和Wan通过实验和有限元模拟，研究了兰姆波与薄铝板中横向呼吸裂纹通过非线性效应产生的二次和高次谐波，同时还观测到裂纹尺度会影响类非线性效应的大小。Hong等证实了利用非线性兰姆波的时域信号特征来定位小尺度疲劳裂纹的可行性和有效性，与基于线性导波飞行时间(TOF)的检测相比，提高了灵敏度和检测精度。Liu等采用Duffing-Holmes系统对非线性兰姆波进行增强，并用李亚普诺夫指数定量表征裂纹尺寸，能够在强噪声干扰下准确识别量化结构微裂纹，提高检测的灵敏度和精度。Zhao等探究了在非集中分布的材料中，改变材料的密度、裂纹的尺度大小对材料非线性兰姆波效应影响的研究，证明了兰姆波系统的S0模式可以对微裂纹扩展情况进行检测。Zhou等提出了一种结合非线性兰姆波和时间反转算子分解的疲劳裂纹选择性检测和定量检测方法，同时开创性地开发了一种定位非线性散射体的算法，其理论基础为全聚焦成像法。焦敬品等基于赫兹接触理论，对含有微裂纹的金属板中非线性兰姆波二次谐波分别通过有限元仿真和实物实验的方法进行了研究，研究疲劳裂纹尺度变化对兰姆波非线性响应的影响，得到的数据表明高次谐波幅值随微裂纹长度增大而增大。Ma等在微裂纹还没有扩展为宏观裂纹时，使用非线性兰姆波检测裂纹的生长，确定其开始和增长机制。Yang等对兰姆波与疲劳裂纹的非线性相互作用进行了三维有限元模拟和实验理论分析，研究疲劳裂纹长度与入射波波长之比以及激励频率对二次谐波产生和幅值的影响。张青松等，构建了包含微裂纹超声非线性响应效果的各向异性材料的3D模型，探索兰姆波在复合材料中的非线性效应受到微裂纹大小影响的作用，通过改变微裂纹尺度检测到非线性参量的变化。贾璐等通过楔块入射法获得特定模式的兰姆波，并利用有限元方法数值模拟了非线性兰姆波与分层板中不同长度、位置微裂纹之间的相互作用。柏林等提出了利用Duffing振子和Lyapunov指数，可以对兰姆波非线性效应进行降噪并且更方便定量说明，能够在实验设备噪音较大的情况下提高非线性兰姆波的探伤准确性。Lv等采用三维有限元模型模拟讨论微裂纹取向对产生的和频兰姆波传播方向的影响，研究了微裂纹和Lamb之间的非线性相互作用。表面波和导波AlexeyM.Lomonosov等基于激光激发的宽带瑞利波实验测量的反射系数和透射波相位滞后的频率依赖性，测量表面微裂纹的尺度，以其半径长度为测量标准。Zhang等研究了常见硅化物表面裂纹和微裂纹（以玻璃为例）,发现裂纹尺度（长和宽）和位错群的数量会严重影响超声非线性参数。FlorianMorlock和DanielT.Zeitvogel等采用非线性瑞利表面波分别表征了304不锈钢和冷轧碳素钢在焊接过程和外部环境运行中的应力腐蚀微裂纹(SCC)。Guo等提出了一种用于管道疲劳裂纹检测的非线性导波与时间反演相结合的三维成像技术，具有良好的空间回聚焦能力，其中缺陷定位和尺寸确定的准确性取决于裂纹方向和采用的导波模式裂纹方向和模式对于微裂纹方位和大小的确定具有一定的影响。Shen等基于罚函数法和局部交互仿真方法(LISA),建立了模拟超声波与微裂纹之间非线性干涉效应的并行算法，提取兰姆波和微裂纹非线性响应过程中的接触冲击现象以及经典非线二次谐波和DC响应。1.2非线性超声混频响应技术非线性混频方法是利用两列超声波在介质中的相互作用特性，实现对结构损伤的检测。当材料中没有裂纹存在时，超声波在该部位不会发生非线性效应，接收声波的频率主要是由基波构成，满足线性叠加原理。如果存在微裂纹等非线性源的缺陷，那么微裂纹在声波振动的作用下会产生周期性的张合，在闭合时也裂纹的两面也会发生摩擦，高频声波穿过微裂纹时会产生方向的变化从而导致速度变化和干涉，产生新频率的非线性调制信号，即和频分量与差频分量。实验中对新的频率分量进行检测，就能实现微裂纹导致材料损伤的评价。两列入射波非线性相互作用的理论如下：考虑材料的二阶非线性系数，一维各项同性固体中的非线性波动方程可以表示为：(9)用二阶微扰理论对该方程进行求解，设，其中为线性位移，为非线性位移，将其带回波动方程中，得到:(10)该式展开即可得到一个齐次微分方程和一个非齐次微分方程：(11)(12)对于两列波入射的情况，可令，它是式(11)的解，将其代入式(12)中，即可求得。最终得到式(9)的解如下：(13)从式(13)可以看出，信号中除了原有的基频波成分之外，还出现了基频信号的二阶谐波以及它们的和频与差频信号。以上求解过程是只考虑材料应力应变关系中的二阶非线性系数的结果，当同时考虑材料的二阶非线性系数、三阶非线性系数以及滞回非线性系数时，方程的解中会出现混频等高阶响应信号，但计算过程极其复杂，在不同的近似精度下得到的解也不尽相同。图5混频响应法混频响应的理论原理与高次谐波的理论类似，同样利用接收信号的幅值为基础建立非线性系数作为微裂纹缺陷的衡量标准，只是非线性参数变成了和频或差频信号的幅值与两列入射的基频波幅值之积的比，计算公式如下：(14)焦敬品等利用混频法开展了微裂纹的非线性超声检测，研究了材料微裂纹混频法探伤原理和超声波频域-时域图理论研究后，进行了混频法非线性参数的分析和疲劳裂纹混频法非线性超声实物实验，发现异侧混频信号输入模式可以更好地实现不同深度位置上的结构微裂纹的定位和沿深度方向上微裂纹大小的测量。BlanloeuilP等利用有限元方法，采用非共线混频法检测了微裂纹的尺度、方位、散射效应等，使用时间反演技术对微裂纹进行成像，这是一种利用高次谐波散射的技术。SylvainMezil等利用非线性混频超声法方法实现了微裂纹的局部宽度和有效刚度等参数的评估和表征。MuhammedThanseerP等利用超声剪切波非共线混合形成的混频非线性超声波研究疲劳过程中裂纹尖端的局部塑性变形，观测到疲劳裂纹产生和扩散过程中尖端应力累积引起的非线性耦合单元参数的变化以及裂纹尖端变形区的映射。刘素贞等利用自创的兰姆波混频电磁换能器，使用有限元成像研究了不同裂纹尺度对超声非线性效应的作用，在电磁超声混频非线性实验中，观察铝板中两个声场是否发生非线性效应，以及不同地方的微裂纹非线性系数变化来确定疲劳裂纹的产生并确定裂纹位置。魏勤等用压电晶片在铝材中产生非线性超声兰姆波，对铝制品疲劳寿命中产生的微裂纹进行探究，分析兰姆波非线性效应大小的影响因素，并用非线性参数评价非线性兰姆波与微裂纹干涉作用的情况。Zhu等利用混合频率信号激发非线性Lamb波对铝板微裂纹和复合材料各层之间的粘连损伤进行观察，通过有限元方法模拟研究了微裂纹三维尺寸与和差频率信号幅值之间的关系。Guan等利用非线性Lamb波的混频技术研究了微裂纹的方向识别，通过判断不同方向和尺寸微裂纹条件下的相对非线性系的信号散射程度的幅值和变化趋势来进行微裂纹方向的识别。1.3超声调制技术Gao等提出了一种新的调制非线性兰姆波和时间反演疲劳裂纹检测方法，通过TRA的聚焦特性、裂纹的调制非线性特性和谐波和差频率识别板中的微裂纹损伤。李拯等以铝制梁为研究对象，使用正弦脉冲波和不断地正弦波作为输入，短时傅里叶变换对输出波形进行时频-频域变换，并且提取超声信号之间的非线性调制成分，实现对疲劳裂纹损伤的检测和识别。Li等提出了一种用于微裂纹定量计算的非线性超声检测办法，讨论了相位阈值对裂纹评估的影响，将调制因子和改进算法应用于压缩状态下的微裂纹的检测。贾俊等建立了外部载荷作用下使用非线性振动—声场调制指数来确定裂纹尺度的理论模型，根据外部应力与弹性致闭作用影响下微裂纹两面的开闭情况，得出了微裂纹开、合应力的探测方法。HoonSohn和HyungJinLi等提出了一种采用非线性超声调制的无参考疲劳裂纹检测技术和完全非接触疲劳裂纹可视化技术，使用线性响应减法(LRS)、同步解调(SD)和连续小波变换(CWT)滤波的组合来分离频谱边带，从而识别裂纹的存在并定位检测，并且应用在判断铝材和机翼与机身连接接头材料上。在后来的实验中，HyungJinLim研究了板状结构中产生非线性超声调制现象的必要条件，并基于数据驱动、人工神经网络和非线性超声调制，建立了一般板形材料疲劳微裂纹定量检测和使用寿命评价的实时监控技术。SangEonLee