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材料非線性超聲特性檢測 版權信息
- ISBN：9787030731982
- 條形碼：9787030731982 ; 978-7-03-073198-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
材料非線性超聲特性檢測 內容簡介
本書通過物理、聲學、力學和建模仿真等構建非線性超聲特性檢測的理論與實驗研究框架，涉及兩大類問題：與材料彈性非線性相關的非線性超聲特性檢測以及與接觸聲非線性相關的非線性超聲特性檢測，通過超聲縱波、導波及表面波的高次諧波表征材料彈性非線性彈性特性；通過非線性共振、非線性混頻以及次諧波表征粘接界面和裂紋等接觸聲非線性特性。本書主要內容包括非線性超聲基本原理、非線性超聲各類波型的激發與測量方法、非線性超聲信號與材料微組織的耦合關系（包括材料退化、粘接狀態、微裂紋等）以及非線性超聲相控陣成像等。
材料非線性超聲特性檢測 目錄
目錄
譯者前言
前言
第1章綜述——非線性超聲特性1
參考文獻4
**部分與材料彈性非線性相關的非線性超聲特性檢測
第2章高次諧波非線性超聲參量的測量7
2.1高次諧波的產生7
2.2非線性超聲參量9
2.3非線性超聲參量的測量11
2.3.1絕對非線性超聲參量11
2.3.2相對非線性超聲參量16
2.3.3通過相對非線性超聲參量的測量估計絕對非線性超聲參量17
2.3.4測量可靠性實驗23
2.4影響測量可靠性的因素25
2.4.1不確定的初始諧波27
2.4.2耦合層27
2.4.3模數轉換器30
2.4.4數字信號處理36
2.5鋁合金熱老化損傷的評價38
2.6相關的方法41
2.6.1反相脈沖技術41
2.6.2脈沖回波法44
2.6.3V型掃描法44
2.6.4激光超聲的聲表面波45
參考文獻46
符號說明50
第3章非線性導波的測量53
3.1簡介53
3.2背景54
3.2.1線性導波傳播54
3.2.2非線性導波簡史55
3.3次級聲波發生的基波選擇57
3.3.1基本原理57
3.3.2理論公式58
3.3.3自相互作用62
3.3.4板中的相互作用67
3.4基波的激勵和次級聲波的傳感70
3.4.1蘭姆波的激發70
3.4.2SH波的激發71
3.4.3傳感72
3.4.4衍射效應73
3.5儀器儀表和信號處理73
3.5.1儀器儀表73
3.5.2信號處理75
3.6測量注意事項76
3.6.1測量系統的非線性77
3.6.2材料非線性77
3.6.3測量材料退化78
3.7結束語89
參考文獻89
符號說明94
第二部分與接觸聲非線性相關的非線性超聲特性檢測
第4章非線性聲學測量在無損評價中的應用：波與振動99
4.1引言99
4.2非線性聲學的基本原理：縱波中高次諧波的產生100
4.3非線性聲表面波107
4.3.1非線性聲表面波理論107
4.3.2非線性聲表面波實驗109
4.4非黏合界面的局部非線性111
4.5用于監測粘接質量的局部非線性115
4.5.1方法115
4.5.2試件117
4.5.3測量結果117
4.5.4實際航空部件粘接質量的評價121
4.6局部缺陷共振和局部非線性123
4.7各種非線性共振的非線性增強128
4.7.1超諧波共振128
4.7.2組合頻率共振129
4.7.3次諧波和參量共振131
4.8線性和非線性局部缺陷共振用于缺陷非接觸式診斷成像135
4.8.1實驗方法135
4.8.2非接觸式局部缺陷共振的成像結果136
4.8.3非線性局部缺陷共振的診斷成像139
4.9結論145
參考文獻145
第5章用于測量閉合裂紋深度的非線性超聲相控陣148
5.1引言148
5.2次諧波153
5.2.1基本原理154
5.2.2實驗配置158
5.2.3成像結果162
5.3并行和順序發射168
5.3.1基本原理168
5.3.2實驗配置173
5.3.3成像結果175
5.4全陣元、奇數陣元、偶數陣元傳輸180
5.4.1原理180
5.4.2實驗配置184
5.4.3成像結果187
5.5熱應力的利用191
5.5.1原理191
5.5.2實驗條件194
5.5.3成像結果197
5.6結論203
參考文獻203
第6章裂紋的光聲非線性混頻特性211
6.1非線性光聲學導論211
6.1.1激光光學與非線性聲學相結合的無損檢測方法綜述212
6.1.2連續波激光輻射調制對熱彈性應力和聲波的激發212
6.1.3穩態激光加熱對裂紋的影響215
6.2光聲非線性混頻裂紋檢測法218
6.2.1實驗裝置219
6.2.2方法原理220
6.2.3裂紋的一維成像222
6.2.4裂紋的二維成像224
6.2.5裂紋圖像的空間分辨率227
6.3局部裂紋參數的定量評價230
6.3.1理論模型231
6.3.2非線性旁瓣幅值隨載荷的變化238
6.3.3裂紋參數的獲取241
6.4結論244
參考文獻245
譯者前言
前言
第1章綜述——非線性超聲特性1
參考文獻4
**部分與材料彈性非線性相關的非線性超聲特性檢測
第2章高次諧波非線性超聲參量的測量7
2.1高次諧波的產生7
2.2非線性超聲參量9
2.3非線性超聲參量的測量11
2.3.1絕對非線性超聲參量11
2.3.2相對非線性超聲參量16
2.3.3通過相對非線性超聲參量的測量估計絕對非線性超聲參量17
2.3.4測量可靠性實驗23
2.4影響測量可靠性的因素25
2.4.1不確定的初始諧波27
2.4.2耦合層27
2.4.3模數轉換器30
2.4.4數字信號處理36
2.5鋁合金熱老化損傷的評價38
2.6相關的方法41
2.6.1反相脈沖技術41
2.6.2脈沖回波法44
2.6.3V型掃描法44
2.6.4激光超聲的聲表面波45
參考文獻46
符號說明50
第3章非線性導波的測量53
3.1簡介53
3.2背景54
3.2.1線性導波傳播54
3.2.2非線性導波簡史55
3.3次級聲波發生的基波選擇57
3.3.1基本原理57
3.3.2理論公式58
3.3.3自相互作用62
3.3.4板中的相互作用67
3.4基波的激勵和次級聲波的傳感70
3.4.1蘭姆波的激發70
3.4.2SH波的激發71
3.4.3傳感72
3.4.4衍射效應73
3.5儀器儀表和信號處理73
3.5.1儀器儀表73
3.5.2信號處理75
3.6測量注意事項76
3.6.1測量系統的非線性77
3.6.2材料非線性77
3.6.3測量材料退化78
3.7結束語89
參考文獻89
符號說明94
第二部分與接觸聲非線性相關的非線性超聲特性檢測
第4章非線性聲學測量在無損評價中的應用：波與振動99
4.1引言99
4.2非線性聲學的基本原理：縱波中高次諧波的產生100
4.3非線性聲表面波107
4.3.1非線性聲表面波理論107
4.3.2非線性聲表面波實驗109
4.4非黏合界面的局部非線性111
4.5用于監測粘接質量的局部非線性115
4.5.1方法115
4.5.2試件117
4.5.3測量結果117
4.5.4實際航空部件粘接質量的評價121
4.6局部缺陷共振和局部非線性123
4.7各種非線性共振的非線性增強128
4.7.1超諧波共振128
4.7.2組合頻率共振129
4.7.3次諧波和參量共振131
4.8線性和非線性局部缺陷共振用于缺陷非接觸式診斷成像135
4.8.1實驗方法135
4.8.2非接觸式局部缺陷共振的成像結果136
4.8.3非線性局部缺陷共振的診斷成像139
4.9結論145
參考文獻145
第5章用于測量閉合裂紋深度的非線性超聲相控陣148
5.1引言148
5.2次諧波153
5.2.1基本原理154
5.2.2實驗配置158
5.2.3成像結果162
5.3并行和順序發射168
5.3.1基本原理168
5.3.2實驗配置173
5.3.3成像結果175
5.4全陣元、奇數陣元、偶數陣元傳輸180
5.4.1原理180
5.4.2實驗配置184
5.4.3成像結果187
5.5熱應力的利用191
5.5.1原理191
5.5.2實驗條件194
5.5.3成像結果197
5.6結論203
參考文獻203
第6章裂紋的光聲非線性混頻特性211
6.1非線性光聲學導論211
6.1.1激光光學與非線性聲學相結合的無損檢測方法綜述212
6.1.2連續波激光輻射調制對熱彈性應力和聲波的激發212
6.1.3穩態激光加熱對裂紋的影響215
6.2光聲非線性混頻裂紋檢測法218
6.2.1實驗裝置219
6.2.2方法原理220
6.2.3裂紋的一維成像222
6.2.4裂紋的二維成像224
6.2.5裂紋圖像的空間分辨率227
6.3局部裂紋參數的定量評價230
6.3.1理論模型231
6.3.2非線性旁瓣幅值隨載荷的變化238
6.3.3裂紋參數的獲取241
6.4結論244
參考文獻245
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材料非線性超聲特性檢測 節選
第1章綜述——非線性超聲特性 非線性超聲特性是由超聲波在傳播過程中與材料或缺陷的非線性相互作用而產生的，通常包括高次諧波、次諧波、非線性共振和非線性混頻。在本書中，非線性相互作用分為兩類：材料彈性非線性和接觸聲非線性，對每一類非線性超聲特性相關的測量方法和應用都進行了介紹。 材料性能的累積損傷、退化的評估以及斷裂早期的微缺陷檢測對于確保各種工業結構的安全至關重要。超聲檢測方法是非常強大的無損檢測技術，因為超聲波傳播的特性與材料的力學性能直接相關。傳統的超聲無損評價(non-destructive evaluation， NDE)基于線性聲學理論，該理論與振動在介質中的傳播有關。假定在介質中振動引起質點偏離平衡狀態是微小的，即假定超聲波傳播時具有小振幅或低強度并保持恒定波速。這類線性超聲技術通常依賴于一些特定參數的測量，如聲速、衰減和反射率。聲速取決于彈性常數，而衰減與微結構特征如晶粒尺寸有關。此外，缺陷的存在會改變輸出信號的相位和/或幅度[1]。但是，這種技術對均勻分布的微缺陷或材料退化不敏感。 克服上述限制的另一種技術是非線性超聲特性檢測方法。線性和非線性超聲無損評價之間的主要區別在于，在非線性超聲特性檢測中傳播的聲波具有有限的振幅并伴有多種其他效應，這些隨之產生的效應強弱取決于振動幅度。例如，波速隨振動幅度而變化，波信號的頻率與輸入信號的頻率不同。這與有限振幅(特別是高功率)超聲的激勵和傳播及其與微結構或缺陷的非線性力學相互作用有關。如圖1.1所示[2]，這些微結構和缺陷包括晶格缺陷(如位錯和空位)、微結構(如晶粒、晶界、沉淀等)、微缺陷(如微裂紋和微孔洞)和缺陷(如部分閉合裂紋和部分閉合界面)。即使當裂紋張開間距或接觸界面之間的間隙小于超聲波的振動位移，部分閉合裂紋和界面也會引起巨大的非線性特征。 圖1.1影響非線性超聲特性的微結構和缺陷 由于材料失效或退化在出現明顯的塑性變形或材料損壞之前，通常會發生某種類型的非線性力學行為，昀近的研究工作大多數都聚焦在非線性超聲的應用方面[3-5]。例如，圖1.2展示了疲勞裂紋擴展的大致過程。傳統的線性超聲技術(linear ultrasonic technique， LUT)僅在引發宏觀裂紋之后才檢測到裂紋，其可檢測到的裂紋尺寸通常大于1mm，這對應于超過80%疲勞壽命的損傷階段。而從宏觀裂紋形成開始，裂紋擴展速度就迅速增大，故斷裂的發生時間可能比預期的要短。因此，在上一次定期檢查中未發現的裂紋可能會在下一次檢查之前發生斷裂。相比之下，非線性超聲技術(nonlinear ultrasonic technique， NUT)可用于評估宏觀裂紋萌生之前的微損傷。 圖1.2疲勞引起的典型缺陷演化過程 非線性超聲特性是由傳播的超聲波與材料或缺陷之間的非線性相互作用而產生的特征。這種非線性相互作用可以分為兩類，即材料彈性非線性和接觸聲非線性。表1.1給出了超聲波的非線性相互作用導致的非線性超聲特性。 表1.1超聲波的非線性相互作用導致的非線性超聲特性 材料彈性非線性是基于應力和應變之間的非線性關系的。這種類型的相互作用會導致更高的諧波產生、共振頻移(非線性共振)和混頻響應(非線性混頻)。這些現象受固體的結構和相互作用的強烈影響，因此可以應用超聲波表征材料特性。此外，這些影響在損壞的材料中很明顯，但在未損壞的材料中幾乎無法測量到，表明它們可用于評估材料退化。同時，彈性非線性是材料的固有特性。因此，從材料本身存在的非線性中測量其變化十分重要。非線性特性的變化量可能很微小，因此需要以適當的方法進行測量。應著重指出的是，當材料特性改變時，非線性特性比線性特性變化更大。 當入射超聲波在兩個接觸界面之間發生反復碰撞時，就會產生接觸聲非線性。這種相互作用引起的現象與材料彈性非線性相似。但奇特之處在于，這種情況會有次諧波的產生。接觸聲非線性是產生次諧波的唯一原因，材料彈性非線性不會產生次諧波。這些現象可用于檢測部分閉合裂紋或評估黏脫缺陷。開裂間距或接觸界面之間的間隙是影響接觸聲非線性的重要因素。即使缺陷的長度或大小是宏觀尺度的，當裂紋張開間距或接觸界面之間的間隙小于超聲波的位移幅度時，也會發生接觸聲非線性。這種非線性比材料彈性非線性大得多。因此，接觸聲非線性測量比材料彈性非線性測量相對容易。然而，要激發接觸聲非線性，必須輸入具有較大位移幅度的超聲波或引起共振。通常，超聲波的位移幅度小于1nm，因此可以檢測到具有更小間隙的界面。超聲波的位移幅度越大，可以檢測到的界面間隙缺陷越大。 表1.2總結了線性超聲技術和非線性超聲技術測量參量之間的差異。在線性超聲技術中，一般通過測量聲速、衰減、頻散等來評估彈性模量、厚度、各向異性、晶粒尺寸或孔隙率，而通過測量反射率或透射率檢測裂紋、分層、空隙或夾雜物。在非線性超聲技術中，通過測量高次諧波、共振頻率或混頻來評估非線性彈性模量，從而進一步評估硬度或強度，并檢測部分閉合裂紋或粘接弱化。測量次諧波僅可用于檢測裂紋或界面。可以看出，時域中的信號幅度通常用于線性超聲技術，而頻域中的信號幅度則用于非線性超聲技術。但是，頻域中的幅度也可用于特殊的線性超聲技術中，同樣，時域中的幅度也可用于特殊的非線性超聲技術中。 表1.2線性超聲技術和非線性超聲技術中的典型測量參量 另外，由材料彈性非線性或接觸聲非線性引起的非線性超聲特性可以出現在所有類型的波、體波(縱波或剪切波)、表面波或導波中。由于不同類型的超聲波中可能會發生不同類型的非線性相互作用，已經探索出各種方法來測量這些非線性超聲特性。 本書涵蓋了固體中典型的非線性超聲特性，通過各種應用場景介紹了非線性超聲特性的測量方法，主要分為兩部分：**部分涵蓋與材料彈性非線性相關的非線性超聲特性檢測，而第二部分則涵蓋與接觸聲非線性相關的非線性超聲特性檢測。 **部分包括兩章：第2章和第3章。第2章介紹以高次諧波非線性超聲參量表征材料的非線性彈性特性，主要使用的是縱波；第3章介紹二次諧波的產生，包括各種導波產生的諧波，如蘭姆(Lamb)波和水平剪切(shear horizontal， SH)波。 第二部分包括三章：第4章、第5章和第6章。第4章概述各種非線性聲學技術，并涵蓋基于振動的不同非線性共振技術，特別是用于測量缺陷中的接觸非線性技術。第5章介紹用于閉合裂紋界面的次諧波測量技術，特別是用于成像的陣列技術。第6章介紹裂紋中的非線性混頻效應，以及基于激光超聲技術的測量方法。 參考文獻 [1] A.S. Birks， in Nondestructive Testing Handbook 7: Ultrasonic Testing. ASNT Handbook(1991) [2] N.G.H. Meyendorf， P.B. Nagy， S.I. Rokhlin(eds.)， Nondestructive Materials Characterization with Applications to Aerospace Materials. Springer Series in Materials Science， vol.67，4(2004) [3] K.Y. Jhang， Applications of nonlinear ultrasonics to the NDE of material degradation. IEEE UFFC 47(3)，540–548(2000) [4] H. Jeong， S.H. Nahm， K.Y. Jhang， Y.H. Nam， A nondestructive method for estimation of the fracture toughness of CrMoV rotor steels based on ultrasonic nonlinearity. Ultrasonics 41(7)，543–549(2003) [5] K.Y. Jhang， Nonlinear ultrasonic techniques for non-destructive assessment of micro damage in material: A review. Int. J. Precis. Eng. Manuf.10(1)，123–135(2009) **部分與材料彈性非線性相關的非線性超聲特性檢測
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