Hiibert-Huang变换在非线性超声无损检测中的应用

非线性超声无损检测技术在材料无损检测和评估领域的应用研究已经开展多年,它能够发现线性超声无法检测的材料损伤和缺陷,如疲劳、应力集中、弱结合等。材料中引起超声非线性效应的原因可以分为两类:第一类非线性效应与材料晶格振动的非简谐性和内部微观结构损伤相关,具有分布特性,且随着传播距离的增加而逐渐累积,称为材料固有非线性,这类非线性效应在材料疲劳损伤评估领域得到广泛应用[1,2];第二类非线性效应来自于裂纹、界面和介质之间的接触,它们在超声波通过其传播时表现出很强的弹性非对称性,称为声接触非线性,这类超声非线性常用来评价材料的局部特征[3,4]。粗晶材料由于微观结构对超声的强烈散射,造成严重的材料噪声与信号衰减,致使常规超声检测灵敏度和信噪比严重下降。目前,对粗晶材料的检测仍然是超声检测的一大难题。问题的根源在于当粗晶材料的晶粒尺寸与缺陷尺寸相差无几时,它们对超声的反射强度也近乎一致,从而使得缺陷波区分困难;同时材料中大尺寸晶粒对声波的强散射导致缺陷与底波信号等材料结构特征信号的衰减弱化,是导致超声检出能力下降的另一重要原因。

本文在分析非线性超声无损检测信号特点的基础上,将Hilbert-Huang变换(HHT)应用于非线性超声无损检测的信号处理,并通过粗晶材料检测实验进行验证。

1　理论基础

1.1　非线性超声无损检测信号特征

考虑到超声波在固体中传播时,固体的体弹性非线性效应将导致谐波的产生。固体体弹性非线性与其微观结构、内部组分和缺陷等因素密切相关。材料中的缺陷造成材料介质的不连续,体弹性对称性遭到破坏,当超声波传播到缺陷界面时,将发生非线性失真,二次谐波在界面产生并反射[5,6]。近来的研究表明这个非线性失真过程是短暂的,谐波成分的产生具有局部化的特征[7]。可见,非线性超声检测回波信号是非线性和非平稳的,它主要关注回波信号中的谐波成分。

检测信号Fourier频谱中某一频率f处能量的存在,代表一个正弦或余弦波在整个时间轴上存在。而实际上,非线性超声检测回波信号中的谐波能量是波在材料中传播时与缺陷或损伤相互作用时才被激发。因此,采用Fourier分析和以其为基础的功率谱分析方法无法正确表征超声非线性失真的过程,更无法对材料内部的局部缺陷如裂纹、孔洞等非线性源进行定位和定量。解决这一问题的关键在于如何正确表征检测信号的非线性和非平稳性。如果能够描述超声在材料中发生非线性失真时的频率时变过程,检测出信号发生失真的时刻以及产生谐波的幅值,则可显著提高缺陷检出能力和检测时间分辨力。