[發明專利]一種基于空氣耦合超聲的高空間分辨率應力動態測量方法

有效

• 申請號: 202310076566.1
• 申請日: 2023-01-29
• 公開（公告）號: CN116295987B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 趙勃;史維佳;王紹凱;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25
• 代理公司: 哈爾濱奧博專利代理事務所(普通合伙) 23220
• 代理人: 桑林艷

本發明公開了一種基于空氣耦合超聲的高空間分辨率應力動態測量方法。當接收空耦換能器與空耦換能器在待測試樣的射入及接收之間的距離為L時，記錄待測試樣進行一個周期的周期運動的運動位置及當下位置的接收回波信號F(x)；將F(x)與無應力狀態下相比得到聲時差，在根據聲時差計算得到每個運動位置下對應的L傳播距離的平均應力值；當距離為L+ΔL時，記錄待測試樣進行一個周期的周期運動的運動位置及當下位置的接收回波信號Fsubgt;1/subgt;(x)；將Fsubgt;1/subgt;(x)與其無應力狀態下相比得到聲時差，在根據聲時差計算得到每個運動位置下對應的L+ΔL傳播距離的平均應力值；每個運動位置下對應的ΔL位置的應力值即為兩者之差。用以解決傳統超聲應力測量中空間分辨率與測量精度的矛盾關系及耦合劑對測量的影響問題。

技術領域

本發明屬于超聲檢測技術領域，具體涉及一種基于空氣耦合超聲的高空間分辨率應力動態測量方法。

背景技術

高端智能裝備部件或結構總是在復雜的應力狀態下工作，包括拉應力、壓應力及其組合。應力的存在對高端智能裝備部件或結構的疲勞壽命、使用安全性和設備維護有很大影響。因此研究能夠有效檢測出高端智能裝備部件或結構應力的無損檢測方法，對于及時發現試件應力集中并采取應對措施，延長試件使用壽命，減少社會經濟損失，有著重要意義。

到目前為止，國際各國家研究學者已經發展提出了許多無損應力測量方法。作為主要方法之一的衍射法主要關注在原子或晶粒尺度上變化的應力，使用高能束(如X射線、電子或中子)檢測布拉格散射角的變化，已確定彈性應變。然而，衍射法要么需要嚴格的測試環境，要么測試設備或過程非常復雜耗時。此外，基于巴克豪森效應的磁聲方法僅限于鐵磁材料，應用范圍有限。近年來，利用壓電換能器的超聲方法已被開發用于檢測和識別復雜結構中的應力狀態。

與其他無損檢測方法相比，超聲波應力檢測具有低成本和高效率的潛力，并且在滿足工業應用中的現場測量、動態測量以及在役測量等方面的應力測量也具有良好的前景。本質上，超聲應力測量是基于聲彈性效應，通過測量應力狀態發生變化前后的超聲波速度變化來實現應力測量。通常，因臨界折射縱波(LCR)比其他超聲波對應力更加敏感，故被廣泛應用于應力測量。超聲檢測分為接觸式和非接觸式。接觸式超聲檢測技術需在超聲換能器和待測試樣之間用液體作為聲耦合劑，以減少超聲波在空氣中傳播的損失。使用耦合劑一方面增加了人為因素對結果的影響，另一方面很難滿足工業自動化生產和質量控制的需要，限制了超聲檢測的適用范圍。非接觸式無損檢測，無需耦合劑，檢測過程簡單、方便，檢測結果可避免人為耦合因素的影響，是快速無損檢測技術的主要發展方向之一。對于運行狀態的高端智能裝備部件或結構的應力檢測，只能采用非接觸式超聲應力檢測方式。

隨著顯微機械加工技術的發展以及高分子材料技術的進步，高效率、高靈敏度的空氣耦合式超聲波換能器的制作取得了較大的突破，加上低噪聲、高增益的放大器的研制及計算機信號處理技術的發展，使空氣耦合式超聲波無損檢測技術有了長足的進步，并在無損檢測領域獲得了較好的應用成果。

傳統基于聲時差的應力測量方法，是獲得的固定傳播距離下的平均應力，應力測量的空間分辨率直接取決于傳播距離的大小。傳播距離越大，空氣耦合超聲同側檢測的直達波對有用LCR波信號的影響就越小，聲時差測量越準確，從而應力測量越準確；然而，同時會降低應力測量空間分辨率。同時傳統應力測量方法無法實現應力的動態測量。

發明內容

本發明提供一種基于空氣耦合超聲的高空間分辨率應力動態測量方法，用以解決傳統超聲應力測量中空間分辨率與測量精度的矛盾關系及耦合劑對測量的影響問題。

本發明通過以下技術方案實現：

一種基于空氣耦合超聲的高空間分辨率應力動態測量方法，所述測量方法具體為，在待測試樣3內激發出LCR波從而確定激勵空耦超聲換能器發出的激勵與接收空耦換能器傾角，再根據傾角組裝測量裝置；