摘要：超声非线性分析作为一种无损检测技术主要用于材料的微裂纹，弱粘接以及疲劳强度等方面的风险评估。与常规超声非线性分析谐波测量非线性系数不同，本文提出了一种利用超声相控阵非线性成像方法对材料内部微裂纹进行直观成像方法的新方法，通过对AISI304与AL7075试块进行检测，与传统超声相控阵线性成像对比研究，发现该方法能有效地提高对比噪声比，有助于材料内部微裂纹的检出。

关键词：非线性超声 超声相控阵 微裂纹无损检测

1、研究背景

1.1 非线性超声谐波分析法¹

常规非线性超声谐波分析法基于二次谐波检测，通过高能超声激励被测材料，测量基波和二次谐波分析材料的非线性系数β：

A1和A2分别为接收信号的基波和二次谐波频率处的绝对振幅值。K=2π/λ波数。

通过控制变量试验，可以发现非线性数β与材料的疲劳强度或者粘接强度等在一定范围内有着线性关系。从而实现对材料弱粘接，疲劳强度的无损评估，甚至材料的寿命预估。然而这种方法无法实现快速直观成像，需预先对所测材料进行相应的校准研究，得到非线性系数与所需评估变量的线性关系后才能进行后续检测。更大的问题在于非线性系数对温度，残余应力，晶粒大小以及实验设备自身非线性等非常敏感。实际工程检测中很难实现变量控制进行有效检测。

1.2 非线性超声相控阵成像原理²

非线性超声相控阵成像是一种基于幅度调制成像（Amplitude modulation imaging）的方法。本文中的超声相控阵非线性成像方法通过四个步骤来实现：

激励所有晶片得到全孔径下超声相控阵线性图像

激励奇数序晶片得到一半孔径超声相控阵图像

激励偶数序晶片得到一半孔径超声相控阵图像

通过计算[全孔径]-([奇序孔径]+[偶序孔径])后得到非线性图像

图1：线性超声成像（左）及非线性超声相控阵成像（右）

若材料表现为声学线性，通过上述计算方法应得到：

[全孔径]-([奇序孔径]+[偶序孔径])=0             （2）

当材料表现为声学非线性时

[全孔径]-([奇序孔径]+[偶序孔径])≠0                    （3）

2、试验准备

2.1 试样

2.2 装置

试样采用可编程超声相控阵系统（AOS公司，OEMPA128/128，145V激励）激励超声相控阵探头（Imasonic公司，64晶片，元件1mm）对试样进行扫查成像。利用可编程超声相控阵系统的开放性，自行开发非线性成像软件。

图4. OEMPA 128/128 可编程超声相控阵系统试验装置

3.试验方法及结果

对于试样1，用64晶片 1mm元件相控阵探头以两种方式扫查

a.探头沿X轴平行裂缝扫查，无角度偏转和动态聚焦。（Δz=57mm,Δe=250um 步进=1mm）

1.探头Y轴垂直裂缝扫查，无角度偏转和动态聚焦。（Δz=57mm,Δe=250um 步进1mm）

图5. 试样1两种扫查方式

图6. 线性超声与非线性超声（AMI）相控阵成像对比（左沿X轴，右沿Y轴）

图7. 线性超声与非线性超声（AMI）相控阵成像对比

从成像效果来看，非线性超声相控阵成像效果明显优于线性成像，对比噪声比高于线性成像18-19 dB,裂缝更容易从背景噪声中检出。

4.非线性超声相控阵模型的建立

对于超声相控阵，我们通过改变激励孔径数来改变激励能量，从而产生不同程度的非线性响应。我们假设非线性响应Anl 随最大孔径A成指数n递增，当有效孔径变小时，激发次数增多，非线性响应增强。假设有如下关系： 

                         A_nl=Aⁿ-N(A/N)ⁿ                                   (4) 

A表示所有阵元数，N表示探头激励孔径的比率（Ratio）=最大孔径/有效孔径。

图9. 孔径比N定义

通过数据拟合发现，若指数n=1.7时，裂缝的非线性响应符合假设公示。从图中可以看出，随着比率的增加，非线性响应逐渐变强，当N=16时，非线性响应趋于饱和。该理论模型为将来的定量分析提供了一个参考方向。

结论：

非线性超声相控阵幅度调制成像方法作为一种有效的补充手段在检测微裂缝时可以从背景噪声中得到更明显的响应。成像精度与常规线性超声成像一致。且有可能采用非线性超声相控阵成像进行定量分析。需要注意的是激励超声非线性响应需要探头发射足够的能量。将来将重点研究孔径比在非线性成像得关系，进一步完善假设公式。

感谢：该项工作由法国索邦大学，日本东北大学，美国AOS公司共同完成。

参考文献
1：周正干，刘斯明. 铝合金初期塑性变形与疲劳损伤的非线性超声无损评价方法, 机械工程学报 2011,47(6), DOI：10.3901/JME.2011.06.001  

2：Sylvain Hauperta,Guillaume Renauda,Andreas Schummb, Ultrasonic imaging of nonlinear scatterers buried in a medium,NDT&E International 87 (2017) 1–6