采用多模集成换能器对具有不同孔隙度水平的增材制造样品进行非线性混波成像

《Ultrasonics》：Nonlinear mixing-wave imaging of additively manufactured specimens with different porosity levels using a multimode integrated transducer

　　

摘要

非线性超声技术因其卓越的能力而在识别传统线性超声方法难以检测的微缺陷方面受到了广泛关注。然而，有效成像局部非线性响应的挑战严重限制了其在工程应用中的进一步发展。本文从理论上建立了由纵波和横波的平面内非线性相互作用产生的差频反射谐波的偏转角与混合深度之间的内在关系。研究表明，在特定的理论约束下，混合波的接收位置不受内部缺陷深度的影响。这一机制通过数值模拟得到验证，并基于此开发了一种新型的多模集成超声换能器。为了验证所提出的非线性混频成像方法对增材制造部件中孔隙缺陷的表征性能，通过精确调节激光增材制造工艺参数制备了四组具有不同孔隙损伤的增材制造样品。基于此，仅使用一个集成换能器就成功实现了对制件内部孔隙缺陷的非线性参数扫描和成像。理论分析表明，对于固定的换能器参数，最佳接收位置仅取决于频率比和声速比的乘积。这一特性使得该方法可以应用于任意各向同性材料的检测，为非线性超声技术的工程应用提供了宝贵的参考。

引言

金属合金组件被广泛应用于机械设备[1]、航空航天[2]、能源等领域[3]。在长期使用过程中，这些组件不可避免地会面临高温高压、循环热负荷以及腐蚀性介质等复杂工作条件[4][5][6][7][8]。在这种条件下，材料的内部微观结构会不断演变并形成微孔和微裂纹等缺陷，从而降低材料性能并对设备结构安全带来潜在风险。因此，准确检测早期微缺陷对于保证结构完整性和使用安全至关重要。

传统的检测方法包括渗透检测[9]、涡流检测[10]、磁通量泄漏检测[11]和射线检测[12]。其中，只有射线检测对微损伤敏感。然而，射线检测成本高昂且环境适应性差，这限制了其工程应用[13]。相比之下，其他三种传统的无损检测（NDT）方法主要是为检测宏观缺陷而开发的，因此无法有效捕捉由金属材料早期服役过程中的位错滑移和晶界相互作用引起的微孔和微裂纹等早期损伤特征[14][15][16]。

非线性超声检测技术[17][18][19][20][21][22][23][24][25][26]通过高阶谐波信号来识别组件中的微缺陷，这些信号会导致高阶谐波幅度的显著变化，而基波幅度几乎保持不变。这一固有特性使得该技术特别适合早期微损伤的检测。然而，这项技术存在一些固有瓶颈，包括非线性效应的激发效率低以及多源干扰信号难以分离，这些因素直接削弱了检测结果的可靠性[27]。特别是对于由金属高温蠕变引起的典型非线性损伤，很难通过回波信号的特征参数（如幅度和相位）实现精确定位，这从根本上限制了传统非线性超声方法对此类损伤的检测能力。相反，非线性超声混频检测技术[28][29][30][31][32][33][34][35][36]可以通过混频信号来识别微损伤，避免了上述限制，并能有效检测金属高温蠕变引起的位错和微孔等典型材料非线性损伤。关于非线性超声混频检测的现有研究已经取得了实质性进展。1963年，Jones和Kobett[37]报告了非线性超声混频现象并列出了五种混频模式。后续研究阐明了可能的相互作用情况以及产生共振波所需的额外关键条件[38][39]。Li等人[40]使用非共线横波混频技术检测了金属疲劳裂纹并进行了损伤成像。Qu等人[41]建立了粘接层超声混频的非线性弹簧模型并提供了理论支持。Jiao等人[42]使用非共线横波混频技术表征了疲劳裂纹的方向和大小。Deng等人[43]通过非线性超声混频技术检测了表面微损伤和腐蚀缺陷。Zubeir M等人[44]模拟了激励包络对横纵波混频信号的影响并提出了一种校正方法。Jacobs等人[45][46]验证了非共线混频技术在厚混凝土中成像微损伤的可行性，并将该技术扩展到增材制造金属样品，提出了一种相控阵非线性超声混频检测方法以实现微缺陷的准确定位。然而，现有的非线性超声混频研究在工程应用方面仍有许多需要改进的地方。大多数现有研究以具有明确回波响应的裂纹、粘接缺陷和其他损伤为主要检测对象，而关于分布式材料非线性损伤（如微孔和早期蠕变损伤）的成像研究较少。这类损伤会调制传播的超声波，产生微弱且空间分布的非线性调制效应，可靠的成像仍然是一个未解决的关键挑战。同时，当前的绝大多数混频检测方案采用分离的发射器-接收器传输模式架构，大多数需要将接收换能器布置在样品的另一端面上以获得有效信号。这使得该方法难以应用于工程组件的现场检测，例如厚壁承压管道和高压油气管道，因为这些场合只能单侧接触检测表面。这两个相互关联的限制限制了传统非线性超声混频检测方法的实际工程推广。

为了解决非线性混频技术在工程应用中遇到的挑战，我们首先从理论上建立了在同一平面内进行激励和接收时两个激励换能器与接收换能器之间的位置关系。研究发现，在两个激励换能器的位置固定的情况下，不同深度产生的混频效应将在平面的同一空间位置被接收。因此，通过将这三个换能器集成到一个单元中，可以使用单个换能器实现材料的深度方向扫描。为了进一步验证这一理论，进行了时域非线性全波有限元模拟。在空间域采用了亥姆霍兹分解来分离波场中的横波和纵波成分，并使用傅里叶变换提取接收平面上的差频信号幅度。结果证实了深度扫描下接收位置的不变性，从而验证了理论推断。基于上述结果，设计了一种能够进行深度扫描的集成混频探头，实现了增材制造样品中由孔隙引起的材料非线性的非线性参数扫描和成像。实验样品采用增材制造工艺制备。通过调整激光功率、扫描速度、缝隙间距和层厚，实现了对局部孔隙的精确控制，并制备了具有不同位置和不同孔隙率的对比样品。由于从该理论推导出的接收位置仅与激励探头间距以及频率比和横纵波速度比的乘积相关，因此所提出的方法可以扩展到各种各向同性材料的检测。为了明确传统波混频方法、相控阵技术和所提出方法的主要特点、优势和局限性，表1进行了总结。

与现有方法相比，所提出的方法使用紧凑的集成探头实现了单侧深度扫描，无需重新定位接收器或多通道相控阵设备。所提出的方法为非线性超声技术的工程应用提供了宝贵的参考，并为缓解现有非线性混频技术的实际限制提供了一种潜在方法。

章节摘录

L-T波混频的理论分析和数值模拟

本文以横波（T波）和纵波（L波）的混频为例，从基本物理机制出发，研究了差频谐波的偏转角与换能器相关参数之间的理论关系，旨在优化换能器结构并提高混频谐波的接收效率。这些参数包括横波和纵波阵列的元件间距等。

实验测量与讨论

在前面的章节中，已经建立了DLTWM-Theory。随后的数值模拟完全验证了其准确性和可靠性。本节依次介绍了新型多模集成超声换能器的设计、增材制造样品的制备、实验测试系统的建立以及相应的实验结果。

结论

为了克服非线性超声混频技术的实际应用限制，本研究针对换能器配置和集成检测方法进行了定向研究，核心创新集中在理论机制和相应换能器的开发上。主要结论如下：通过理论分析系统地得出了混频条件下激励换能器和接收换能器之间的位置相关性。

作者贡献声明

Siming Weng：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、数据整理。Chaoyu Sun：撰写 – 审阅与编辑、软件开发。Da Teng：撰写 – 审阅与编辑。Weitao Chen：验证。Chuangwei Guo：验证。Yanxun Xiang：撰写 – 审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：12327807、12404527）的支持。

Siming Weng|Chaoyu Sun|Da Teng|Weitao Chen|Chuangwei Guo|Yanxun Xiang

上海工程技术大学机械与动力工程学院智能传感与检测技术实验室，中国上海200237