CN108828070B - 一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，所述方法包括：步骤1)确定检测所用的低频激励频率f₁；步骤2)测量高频频段[f_b,f_b+f_d]内工件的高频频响曲线步骤3)将高频频响曲线HFSR_k2分别在频率轴上左右平移f₁，分别得到两个曲线：和在相同频率下将这两个曲线对应的值相加，得到边频频响曲线然后在相同频率下将与对应的值相除，得到不同高频频率下相对调制强度分布曲线U₃；步骤4)当高频采用单频连续正弦波激励时，从相对调制强度分布曲线U₃中选取相对调制强度最高的频率作为最佳高频激励的频率；当高频采用扫频激励时，选取的扫频激励的频率区间满足：该区间内平均调制强度最高且区间频宽至少为f_d/2。该方法操作方便，适合现场运用，易于推广。

Description

一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法。

背景技术

振动声调制技术是一种非线性声学检测方法，即在低频振动激励下，工件的裂纹在不同时刻承受不同应力作用而张开闭合，使通过此界面的高频信号幅度或相位发生变化(调制)。实际检测时，将低频振动信号f₁和高频超声信号f₂同时施加在工件上，若工件中存在裂纹等缺陷，则接收信号频谱中含有边频f₂±nf₁成分；否则f₂与f₁无相互作用，接收信号频谱与输入信号相同(如图1所示)。因此，通过监测调制边频成分的有无及幅度大小，即可对所测工件质量进行评价。振动声调制技术对接触型缺陷特别是疲劳裂纹非常敏感。理论上适合各种形状工件的检测。目前已用于岩石、混凝土、金属、复合材料等多种材料中的进行缺陷检测并对结构质量状况进行在线监测。

然而，如何选择合适的高频频率一直是振动声调制检测技术的难点，在现有振动声调制理论研究中，Cawly P和Donskoy分别对含裂纹杆状构件在不同高频下调制强度进行了预测，二者均发现调制强度极大值均出现在杆件共振频率附近(如图2所示)。然而，当激励频率较高，或者缺陷较大使高频模态受到严重干扰时，不同高频频率下的调制强度分布已不符合上述规律，而若考虑所有模态，则将使理论计算复杂度大大增加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出一种不受高频声场复杂度影响的简便方法，能够对整个频段内调制强度分布进行准确预测，从而实现最佳高频的选取。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，所述方法包括：

步骤1)确定检测所用的低频激励频率f₁；

步骤2)测量高频频段[f_b,f_b+f_d]内工件的高频频响曲线

步骤3)将高频频响曲线HFSR_k2分别在频率轴上左右平移f₁，分别得到两个曲线：和在相同频率下将这两个曲线对应的值相加，得到边频频响曲线然后在相同频率下将与对应的值相除，得到不同高频频率下相对调制强度分布曲线U₃；

步骤4)当高频采用单频连续正弦波激励时，从相对调制强度分布曲线U₃中选取相对调制强度最高的频率作为最佳高频激励的频率；当高频采用扫频激励时，选取的扫频激励的频率区间满足：该区间内平均调制强度最高且区间频宽至少为f_d/2。

作为上述方法的一种改进，所述低频激励频率f₁为工件振动的一个固有频率。

作为上述方法的一种改进，所述f_b满足：f_b≥10f₁。

作为上述方法的一种改进，所述f_d至少大于工件纵振动基频频率的两倍，所述工件纵振动基频频率f_o为：

其中c为工件中声速，L为工件的长度。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体为：

步骤2-1)采用扫频信号对工件进行激励，将接收到的信号采用希尔伯特变换得到幅度包络；

对采集得到的信号x(t)进行希尔伯特变换得到的其虚部为x_h(t)，则接收信号的幅度包络为：

步骤2-2)以频率为横轴，幅度包络为纵轴，绘制包络线图，得到激励点和接收点之间的高频频响曲线

本发明的优势在于：

1、本发明的方法对实测的高频频响曲线经过简单的运算即可得到调制强度分布，操作方便，结果清晰，适合现场运用，易于推广；

2、高频频响曲线在检测前即可获取，因此实际上本发明的方法可提前预测不同频率下的调制强度分布；

3、本发明的方法在适用于整个频段，不受高频声场复杂度的影响。

附图说明

图1为现有的振动声调制技术基本原理的示意图；

图2为本发明的用于振动声调制检测的最佳高频选取方法的流程图；

图3为本发明的归一化预测和实测铝杆试样调制强度分布；

图4为5-135kHz高频范围内的调制强度分布仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明是为解决振动声调制最佳高频频率的选择问题，提出了一种利用高频频响曲线进行调制强度预测的简便方法。本发明提出的方法是在现有杆中振动声调制理论模型上进行扩展得到的。

现有杆中振动声调制理论模型由Donskoy提出，假设裂纹面接触刚度与变形成正比，而裂纹面为二次声源，产生调制边频成分，考虑到单频声波在杆内形成驻波场，得到一次边频(f₂±f₁)幅度U₃的表达式：

其中，C为常数，x₀为裂纹位置。L为杆长，x为接收传感器位置，k₁、k₂、k₃分别为低频激励波(f₁)、高频激励波(f₂)和边频波(f₃＝f₂±f₁)在杆中的波数，且有k_i＝2πf_i/c，i＝1,2,3。

一般情况下，当低频采用单频连续正弦波激励时，对某个特定试样，其频率在检测过程中保持不变，对本实施例中采用的杆状试样，激励和接收晶片位于两端，即x＝L。因此k₁ ²cos[k₃(L-x)]cos(k₁x₀)可视为常数，此时U₃可表示为：

不难发现此式中1/k₃sin(k₃L)即为一端受纵向正弦激励的杆件在另一端的响应，其中激励信号为F＝F_acosω₃t，F_a为信号幅度。在本发明中，此项可视为一次边频ω₃＝2πf₃下的频响曲线，由于f₃＝f₁±f₂，此曲线可通过将实测得到的高频f₂下的频响曲线在频率轴上平移f₁得到。进一步地，若忽略裂纹位置的影响，将sin(k₂x₀)替换为sin(k₂L)，则分子项可视为高频f₂下的频响曲线的倒数。此时U₃可表示为：

根据式(3)，调制强度随高频频率的分布可由高频频率响应曲线经过简单运算得到，而在检测前即可获得。

如图2所示，本发明提供了一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，具体实施步骤为：

(1)设置低频激振器、高频激励和接收传感器

(2)确定检测所用的低频激励频率f₁；

根据杆中振动声调制理论模型，低频激励频率f₁一般选取工件振动的一个固有频率。

(3)测量高频频段[f_b,f_b+f_d]内工件的高频频响曲线

f_b满足：f_b≥10f₁。f_d至少大于两倍工件振动基频频率。以杆状构件为例，其纵振动基频频率为

其中c为杆中声速，L为杆长。

高频频响曲线的一种快速测量方法为：采用扫频信号对工件进行激励，将接收到的信号取幅度包络，得到的曲线即为扫频频段内激励点到接收点之间的频响曲线。取幅度包络一般采用希尔伯特变换的方法得到。对采集得到的信号x(t)，对其进行希尔伯特变换得到的其虚部为x_h(t)，则接收信号幅度包络为：

此包络即为不同时刻下接收信号幅度，由于激励信号为扫频，因此它实际上反映了不同频率下激励点和接收点之间的响应幅度。以频率为横轴，响应幅度为纵轴，作此包络线图，即为两点之间的频响曲线

(4)将高频频响曲线分别在频率轴上左右平移f₁，分别得到两个曲线：和

(5)在相同频率下将这两个曲线对应的值相加，得到边频频响曲线

(6)然后在相同频率下将与对应的值相除，得到不同高频频率下相对调制强度分布曲线U₃；

(7)选取调制强度高的频率(范围)为最佳高频激励频率(范围)；

当高频采用单频连续正弦波激励时，从相对调制强度分布曲线U₃中选取相对调制强度最高的频率作为最佳高频激励的频率；当高频采用扫频激励时，选取的扫频激励的频率区间满足：该区间内平均调制强度最高且区间频宽至少为f_d/2。

实验验证基于高频频响曲线的振动声调制检测最佳高频选取方法的可行性：图3为根据式(3)预测得到铝杆试样调制强度分布与实际检测结果对比。其中试样材料为2024铝合金，尺寸为20mm×20mm×240mm，采用三点弯曲疲劳试验的方法分别在铝杆离端部80mm(L/3)处制作裂纹，疲劳循环次数为120万次。实验过程中，铝杆采用弹性绳悬挂，低频采用激振器激励，频率约为1.3kHz，激振力约6N，高频采用线性扫频信号，通过粘贴在铝杆端部的PZT晶片激励，另一端面的PZT晶片接收信号。接收信号经高通滤波和解调后，通过短时傅里叶变换转换到时频域，提取低频频率处对应的能量对调制强度进行表征。由图3可发现，与图4中仿真结果相比，在整个频段特别是在高频部分，本发明的方法预测得到的不同高频下调制强度分布更符合实测结果。因此采用本方法选取振动声调制检测的最佳高频频率是可行的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，所述方法包括：

步骤1)确定检测所用的低频激励频率f₁；

步骤2)测量高频频段[f_b,f_b+f_d]内工件的高频频响曲线

步骤3)将高频频响曲线HFSR_k2分别在频率轴上左右平移f₁，分别得到两个曲线：和在相同频率下将这两个曲线对应的值相加，得到边频频响曲线然后在相同频率下将与对应的值相除，得到不同高频频率下相对调制强度分布曲线U₃；

步骤4)当高频采用单频连续正弦波激励时，从相对调制强度分布曲线U₃中选取相对调制强度最高的频率作为最佳高频激励的频率；当高频采用扫频激励时，选取的扫频激励的频率区间满足：该区间内相对调制强度的平均值最高且区间频宽至少为f_d/2。

2.根据权利要求1所述的用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，其特征在于，所述低频激励频率f₁为工件振动的一个固有频率。

3.根据权利要求1或2所述的用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，其特征在于，所述f_b满足：f_b≥10f₁。

4.根据权利要求3所述的用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，其特征在于，所述f_d至少大于工件纵振动基频频率的两倍，所述工件纵振动基频频率f_o为：

其中c为工件中声速，L为工件的长度。

5.根据权利要求4所述的用于振动声调制检测的最佳高频选取方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

步骤2-1)采用扫频信号对工件进行激励，将接收到的信号采用希尔伯特变换得到幅度包络；

对采集得到的信号x(t)进行希尔伯特变换得到的其虚部为x_h(t)，则接收信号的幅度包络为：

步骤2-2)以频率为横轴，幅度包络为纵轴，绘制包络线图，得到激励点和接收点之间的高频频响曲线