激光超声透射波频域特征的仿真与实验研究*

飞机上的叶片是发动机最重要的部件之一,在焊接过程中,易出现分层,夹杂、孔隙等多种类型的缺陷[1];在工作过程中由于承受高温、高压、强烈的震动以及巨大的离心力等作用,使用环境十分恶劣,极易由于应力过大而产生疲劳性裂纹,严重影响叶片的工作强度和疲劳寿命,甚至飞机结构的安全,将带来巨大的安全隐患[2]。目前,检测裂纹的常规方法有红外热图检测、X射线检测、磁粉检测、渗透检测以及超声检测等[3]。在上述方法中,超声检测由于其非接触、高分辨率、高灵敏度、能够快速测试复杂形状的结构等内容而得到了广泛的应用。因此,激光超声检测对发动机叶片上的疲劳裂纹的检测是有效的[4]。

激光超声检测表面微小缺陷的方法主要依赖于与表面缺陷相互作用后,形成的反射波和透射波信号的变化[5],其变化主要体现在信号时域特征量与频域特征量的变化。为了定量检测表面缺陷的深度信息,尤其是表面微小的缺陷,需要对激光超声与表面缺陷相互作用后,形成的透射波信号进行分析,提取有价值的特征量,对缺陷深度进行表征[6]。大量的研究者研究了透射波的形成机制、激光激励各项参数的设置对声表面波的影响、波形随缺陷深度变化的时频域规律,以及透射波截止频率随缺陷深度的变化规律等。

为了实现对发动机叶片上微小裂纹深度的检测,本文在前人的研究基础上,采用数值模拟与实验相结合的方法,着重分析透射波频域的峰值随缺陷深度变化的规律,为解决此问题提供可行的方法。

1 直接耦合模型建立的理论基础

脉冲激光束的能量呈现高斯分布的特点,经过柱面透镜呈线状辐照在铝板表面上,并保持激光线源与表面缺陷的走向沿z轴方向。因此可保证脉冲激光能量的空间分布与表面缺陷的形状沿z轴方向是完全相同的[6],如图1所示。通常选定的材料模型在z轴方向的长度远远大于表面缺陷的尺寸,并且材料是线弹性、均匀、各向同性的,因此可将三维瞬态弹性问题转换为二维平面应变的弹性模型进行求解[7],如图2所示,近而高效地模拟激光激发的超声波在铝板中的传播规律。

萧飞羽握住她的手腕，她这才发现她不仅不能发声，而且连身体也没有知觉。她嗅到了死亡的气息，魂飞魄散地看着萧飞羽松开她的手腕抚摸她的身体。萧飞羽不仅翻弄她的云发，打量她的耳朵眼、肚脐，而且还分开她的双腿端详，甚至连她的腋下、指缝、脚丫也没放过。把她从头到脚折腾了一番。萧飞羽瞧着她的身体，又似乎像根本没有注意到似的沉思着。好一会萧飞羽脱靴上床盘膝坐下双臂舒展，如狂风骤雨般的掌击，指点落在了她没有知觉的身体上。

图1 激光线源辐照样品结构示意图

图2 模型横截面

[11] 丁一珊. 基于激光热弹的机械构件缺陷检测方法研究[D]. 浙江大学,2014.

各向同性材料中热-结构耦合场的控制方程可表示如下:

(1)

μ2U(x,y,t)+(λ+μ)[·U(x,y,t)]= T(x,y,t)

(2)

这里,T(x,y,t)代表瞬态温度场分布,U(x,y,t)表示位移向量场,Q(x,y,t)表示激光线源辐照产生的热源载荷,k为热传导率,λ和μ是Lame常数,ρ是密度,β为热声耦合常数,可表示为β=(3λ+2μ)αT,αT为试件的热膨胀系数。

在进行分析过程中,瞬态表面温度载荷作用在激光线源的辐照区域,本文假定模型的其他表面与外界无热流交换。模型的上表面为自由边界条件,人工凹槽的两边也是自由条件,且两者之间无相互干扰,可以表示为:

n·[σ-(3λ+2μ)αT(x,y,t)I]=0

(3)

这里,n为表面法向单位向量,σ为应力张量,I为单位张量。

矿石为灰白色、红棕色，风化后为黄褐色。自形、半自形粒状结构，局部有伟晶结构。构造以块状为主，条带状次之。矿石矿物成分主要有碳酸盐、石英、磁铁矿、磷灰石、黑云母等，其次为褐铁矿、钾长石、重晶石、绿泥石、金云母可疑矿物及金属硫化物等。矿物成分变化不大，局部磷灰石、黑云母、石英磁铁矿集中。

此外,温度场与位移场分析需满足的初始条件设定为:

T(x,y,0)=300 K

(4)

(5)

热-结构耦合方程的有限元形式为:

(6)

(7)

在方程(6)中,[K]和[C]分别代表热传导矩阵及热容量矩阵,{T}表示温度矢量,代表温度变化率矢量,{p}代表热源向量,[M]和[S]分别为质量矩阵和刚度矩阵,和{U}分别表示加速度矢量和位移矢量,{Fext}为系统受到的外界作用力矢量,其值通过计算得到,其中,[B]表示形状函数矩阵,[D]表示材料参数矩阵,{ε0}表示热应变矢量[4-6]。

定义5[1,7] 设μ:X∪Y→X∪Y上的映射，若N>M≥2，对任意的Xi∈X,Yj∈Y，满足：μ(Xi)∈Y,μ(Yj)∈X∪{Yj}和μ(Xi)=Yj,μ(Yj)=Xi，则Xi和Yj在μ中匹配，称(Xi,Yj)为双边匹配对。若(Xi,Yj)是μ中任意的双边匹配对，且μ(Xi)≠Yj′,Yj′∈Y,Yj′≠Yj,μ(Yj)≠Xi′,Xi′∈X,Xi′≠Xi，则称μ是一对一双边匹配，μ(Yj)=Yj表示Yj在μ中未匹配。

表1 数值计算中铝材料的热-结构参数

AbsorptivityDensity/(kg/m3)Specificheat/(J/(kg·K))Thermalconductivity/(W/(m·K))Thermalexpansioncoefficient/(10-5K-1)Lameconstantλ(1010Pa)μ(1010Pa)5．2×10-2+3×10-5(T-300)2769-0．22T780．3+0．48T249．5-0．08T2．31×10-55．812．61

2 实验系统

2.1 激光超声检测实验系统

实验装置示意图如图3所示,实验装置中的超声激励源选择纳秒级Nd:YAG脉冲激光器,其波长为1 064 nm,脉冲宽度为7 ns,能量在70 mJ～220 mJ连续可调。光路调制模块中的平凸透镜焦距为75 mm,聚焦极限为20 μm。检测模块中使用的超声探头中心频率为2.5 MHz,带宽为5 MHz,可探测的透射波的范围为0～5 MHz。数据采集使用Tektronix(泰克科技)DPO3034数字荧光示波器进行采集。试件的总体尺寸为200 mm×80 mm×10 mm的铝件,在距样件边界的80 mm处为缺陷位置,缺陷的宽度为0.15 mm,深度为0.3 mm～0.9 mm,步长为0.2 mm,共4块。

图3 实验装置框图

图4 实验光路图

2.2 实验方法及过程

对实验数据进行分析,比较缺陷从0.3 mm分别增加到0.5 mm、0.7 mm、0.9 mm时,其对应的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的峰值的改变百分比,计算结果如表2所示,由表中数据可知,当缺陷深度从0.3 mm不断增加时,频域图中的3个区域的峰值改变量都在不断的增加,其中,Ⅰ区由11.17%增加到46.62%,增加量为35.45%;Ⅱ区由6.17%增加到31.07%,增加量为24.90%;Ⅲ去由22.25%增加到46.36%,增加量为24.11%,由此可见,Ⅰ区的改变最为明显,Ⅱ、Ⅲ区次之。

3 数值模拟结果分析与实验数据分析

3.1 数值模拟结果分析

用数值模拟方法对不同深度缺陷的透射波进行频域分析可知,透射波频率在2×106 Hz的范围内变化较大,因此,本文选取透射波在0～2×106 Hz频率范围内的幅值进行分析,选取深度为0.5 mm缺陷的透射波频域图为例,如图5所示,红色标点即为频率在2×106 Hz范围内的波峰值。

图5 数值模拟的透射波原始频域波形

将6组透射波的频域信号的对应幅值进行对比,得到如图6所示的图形。观察图6可发现,缺陷深度从0.2 mm～0.7 mm逐渐增加的过程中,其频域的幅值波形有一定的规律,尤其在5×105 Hz频率以下的部分,其波形的变化具有良好的一致性。从图6中的Ⅰ区可观察,在1.499×105 Hz处达到第1个波峰值,其值分别为1.597×10-6 mV、1.45×10-6 mV、1.282×10-6 mV、1.108×10-6 mV、9.385×10-6 mV、7.785×10-6 mV,因此可知,随着缺陷深度的逐渐增加,频域图中对应的第1个波峰值几乎线性减少,幅值的减少有微弱的增加。由图6中的Ⅱ区可见,在3.998×105 Hz处达到第2个波峰值,同第1个峰值变化规律一致,随着缺陷深度的增加,第2个峰值呈现逐渐降低的趋势。

图6 透射波频谱幅值随表面缺陷深度的变化

上节已经介绍，对于含有n个环的配电网，二进制PSO算法中维分量中的“0”的数目需等于n，而运用基本的二进制PSO算法，每次迭代更新时维分量中的“0”个数不固定，需要对其进行一定的改良：将简化后的开关作为待优化的变量，按支路分成m个分维，选出每个分维中概率最小的维分量，再将选出的维分量概率进行比较，将其中概率最小的前n个对应的位置维分量取0，剩下的都取1。

图7 透射波频域波形各个峰值随缺陷深度的关系

3.2 实验数据结果分析

对实验得到的不同深度的透射波数据进行频域分析,对数据进行高通滤波处理,减少噪声信号对数据处理的干扰,同样选取透射波在0～2×106 Hz频率范围内的幅值进行分析,所选取的峰值点如图8中所示的圈点,将4组透射波的频域峰值进行比较,得到如图9所示的图形。观察图9可知,随着深度的加深,整体峰值的变化趋势具有较好的一致性;且在相同频率下,频域峰值的变化随着深度的增加逐渐减小;这两点与数值模拟的结果相符。

The hydraulic natural frequency of the EHA is different from the natural frequency of the valve control system,for which the main reason is that the leakage rate of the pump is heavy and cannot be ignored,and the leakage increases the hydraulic natural frequency.

图8 实验数据的透射波原始频域波形

图9 透射波频谱幅值随表面缺陷深度的变化

分析前3个波峰的峰值变化情况,如图10所示,其峰值的变化都随着深度的增加而减少,第2个、第3个波峰的变化相对于第1个波峰的变化较缓慢,且其分布的大致范围与数值模拟的结果也相对一致。

实验过程中使用平凸透镜聚焦后的线光源与试件缺陷平行,激光线源距表面缺陷为(19±1)mm,超声传感器探头距表面缺陷为(15±1)mm,上述所有的±1 mm的偏差是由于更换不同缺陷的铝板造成的。实验过程中调节激光单脉冲能量为150 mJ,线光源垂直入射到铝板表面,光斑直径为0.9 mm,通过表面波探头探测信号,经数据采集系统对数据进行采集,实验中,使用的示波器采样频率为500 MHz,采样点数10 000个。实验光路图如图4所示。

图10 透射波频域波形各个峰值随缺陷深度的关系

表2 缺陷深度变化与频域幅值关系对比数据

区域0．3mm～0．5mm0．3mm～0．7mm0．3mm～0．9mmⅠ11．17%27．74%46．62%Ⅱ6．17%20．87%31．07%Ⅲ22．25%28．87%46．36%

4 结论

本文采用有限元与实验研究相结合,对不同深度缺陷的透射波形的频域图形进行了研究,重点分析有表面缺陷引起的频域波峰振幅随缺陷深度的变化关系,分析了频域图中的3个区域的波峰峰值变化,并对仿真和实验数据进行对比。仿真数据研究的3个位置是1.24 MHz、1.34 MHz、1.46 MHz附近区域,实验数据研究的3个位置是1.26 MHz、1.42 MHz、1.58 MHz附近区域,分析区域位置不能匹配的原因有两个:(1)建立的仿真模型与实际结构之间存在误差;(2)噪声对实验存在干扰。

仿真和实验数据表明:仿真数据与实验数据的变化趋势一致,Ⅰ区的变化近似线性减少,Ⅱ区和Ⅲ区的减少较Ⅰ区缓慢。本文由理论仿真和实验得出缺陷深度与频域幅值的关系,可为裂纹深度的检测和数据分析提供参考。

参考文献:

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二是改善供给。以《“健康中国2030”规划纲要》、《国民营养计划（2017－2030年）》、《2017年消费品工业“三品”专项行动计划》为指引，开发营养、健康、多元的饮料产品，适应不同人群、不同区域、不同场景的多元需求。以先进的质量保障技术、营养保持技术、风味保存技术和全食材加工新理念，大力提升饮料整体品质。

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对方程进行求解时,为提高计算的精度,单元尺寸一般选择在λ/20～λ/10,这里λ为最小波长,有限元整体的模型尺寸为30 mm×8 mm,人工凹槽距离模型左边界距离为16 mm,在此模型中,表面缺陷的宽度设定为200 μm,深度分别取为0.2 mm～0.7 mm,步长为0.1 mm。激光脉冲的上升时间为8 ns,线源的半宽为100 μm,单脉冲激光能量为13.5 mJ。模型中使用的铝材料的参数如表1所示[8]。

雄安新区的转型的过程中，我们会面对很大的金融风险敞口，这时需要我们利用上相关的金融工具，充分分散非系统性风险；相关机构应该形成综合的金融服务方案，在信用贷款方面给予支持，低息将给予融资困难与融资成本较高的问题。同时将开辟绿色通道，支持雄安养老基金、保险资金等长期资金加入绿色金融产品的投资;鼓励投资人发布绿色投资责任报告，提升机构投资者对所投资资产涉及的环境风险和碳排放的分析能力，完善绿色金融产品投资评估机制，吸引更多的投资人、更多的资金，完善的机制建设将有利于雄安的金融健康、持续的发展。

[7] 关建飞,沈中华,倪晓武,等. 激光声表面波检测铝板表面凹痕的数值研究[J]. 测试技术学报,2006,20(5):390-396.

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本文重点分析前3个波峰的峰值变化情况,如图7所示,可见,在频域图中对应的第1个波峰随着缺陷深度的增加逐渐减小,而对应的第2个、第3个波峰随着缺陷的增加减小的幅度变缓。

模型中,将激光线源引起的试件上表面附近的瞬间大的温度梯度简化为瞬时表面温度载荷,即模型进一步简化了求解的二维应变的平面弹性应变问题。本文采用直接耦合分析解法进行建模仿真,采用二维耦合单元PLANE13进行模型的求解[8]。当被试件吸收掉的脉冲激光能量低于样品的熔融阈值时,由于试件快速吸热升温,产生局部热膨胀,进而产生瞬态位移场。

[12] 宋燕星,冯其波,王晶,等. 激光参数对激光激发超声信号的影响分析[J]. 激光与红外,2013,43(9):1007-1010.

18.深入推进“法律进民企”。组织、指导和帮助民营企业特别是中小企业制定法治宣传计划，开展支持民营企业发展的方针政策和法律知识普及活动。深入开展“诚信守法企业”创建活动，增强企业管理者和企业职工依法经营、依法管理、依法维权的意识，切实将“法律进企业”活动引向深入。

徐昭法，名枋，江南长洲人。父汧，为明少詹事，明亡，沉水死。昭法少举于乡，既遭变，遂遁迹山中。居灵岩之上沙，布衣草履，终身不入城市。时上灵岩，谒继起禅师问佛法。家贫，往往绝粮，继起馈之粟，受之。非继其弗受也。汤文正为巡抚，屏驺从，访之，不得见，徘徊叹息而去。晚岁，志道益笃，宣城沈麟生诒之书，颂其志节之美，复书曰：“缊袍不耻，是道何臧？学问之几，不舍一息。区区陈迹，犹然见诩，吾滋惧矣。”昭法歾，孤孙方幼，不克葬，故人戴冠自山阴来，卖字吴门，每纸得百钱。积二年，乃葬昭法于青芝山下。［4］卷一九《儒行述》，457

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[14] 刘丹. 激光超声激励与检测技术研究[D]. 太原:中北大学,2015.

经过综合分析，可以得知人工智能技术在本质上符合了现阶段交通领域的整体发展方向。具体在涉及到交通智能研判的过程中，关键在于灵活适用图像处理以及其他技术手段予以智能交通监管。除此以外，人工智能技术还需覆盖于建设与规划当前的交通系统、道路的日常维修养护、交通体系的应急调度与其他有关事项。因此在该领域的未来实践中，有关部门还需着眼于归纳人工智能运用的珍贵经验，依照因地制宜的思路来提升交通智能研判的精确性与实效性。

[15] 曾荣军. 激光超声表面波检测的实验研究[D]. 南昌:南昌航空大学,2012.

钢件未经过预热比经过预热电阻率低，与爆炸焊块相比，最低电阻率(151～210μΩ.mm)略高于爆炸焊块的电阻率(130.5μΩ.mm)。钢件预热由于表面生成氧化膜，增大了电阻率。

宋 潮(1991-),女,汉族,硕士研究生,主要研究方向为激光超声无损检测,389015206@qq.com;

郭华玲(1976-),女,汉族,博士,副教授,硕导,主要从事测试计量技术及仪器,目标识别与成像,信号处理等方面的教学和科研工作,834086353@qq.com。