【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超声波，具体地，涉及一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法、系统、介质及设备。
技术介绍
1、孔隙是碳纤维复合材料中形成的微小空洞，是碳纤维复合材料中最常见也是最重要的微缺陷。孔隙形成主要由于复合材料固化过程中挥发性气体的滞留，此外还包括由于树脂与纤维之间浸润性差、固化压力过低等因素造成的空气滞留等。孔隙的形成、含量及其分布情况由诸多方面因素决定，包括碳纤维的含量、碳纤维的分布、环氧树脂的性能及生产过程中的工艺条件，如温度、压力、时间等。
2、孔隙的尺寸很小，一般不超过0.2毫米。碳纤维复合材料中的孔隙会明显降低其剪切强度、弯曲强度、压缩强度和疲劳强度等。通常认为孔隙率是单位体积内的孔隙所占的体积百分比，并认为孔隙在试块中是均匀分布的，因而检测得到的是均匀孔隙率，亦即总体孔隙率。然而实际碳纤维复合材料中，孔隙既可能在各层中分布较为均匀，也可能富集在局部区域。
3、孔隙率验收标准是保证复合材料制件内部质量和使用性能的一项重要指标。随着航空航天工业的发展，对孔隙率的标准也相应提高，国内外对复合材料制件孔隙率验收标准均在2.0％左右，而用于制造某些对轻质高强要求非常严格的主承力构建等关键结构件的碳纤维复合材料，孔隙率的要求甚至低于1％。因此发展准确可靠的复合材料孔隙率无损检测技术成为目前亟需解决的技术难题。
4、基于线性理论的超声波技术在微损伤和早期损伤检测的敏感度等方面存在许多不足，近年来发展起来的非线性超声波检测方法能够利用超声波在结构中传播时产生的非线性响应，即输出信号在频率
5、在非线性波传播问题中，在路径上交汇的两列波可能导致第三列波的产生。由于具有空间、模式、频率和方向选择性等多种内在优势，并且对损伤早期阶段微观结构改变具有很高检测灵敏度的特点，针对混频方法这一非线性超声检测技术的理论和实验研究方兴未艾。
6、两列波在混频过程中产生谐振波和高次谐波等多种成分，由于材料非线性的存在，各种成分在动态的扩展过程中会进一步发生相互作用，产生更加复杂的非线性响应。由于复合材料孔隙的尺寸微小，常规的无损检测方法难以对孔隙率缺陷进行有效检测，而混频法适用于检测多种物理和化学退化过程中的微小材料性质的改变，因而可以在孔隙率检测中发挥重要作用。
7、专利申请文献cn103926313a公开了一种基于超声检测的复合材料孔隙率数值评估方法，利用已知孔隙率含量的复合材料试块通过测量检测信号得到超声参数，建孔隙率评估模，按照被检测复合材料的种类和成型工艺方法，建立孔隙率数据库，用于建模的复合材料试块相邻孔隙率含量级差范围为0.5％—1.0％。通过选择复合材料孔隙率数据库中的对应材料和工艺类型，实现不同复合材料的孔隙率超声数值评估，并可实时进行孔隙率数值的自动报警、记录、保存等。然而该专利无法完全解决上述存在的技术问题，也无法实现本专利技术的需求。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法、系统、介质及设备。
2、根据本专利技术提供的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，包括：
3、施加输入信号步骤：根据谐振条件选取预设激励频率，设定输入信号函数的形式，利用作动器在待测结构两侧端面施加输入信号；
4、非线性响应获取步骤：利用传感器在待测结构的预设位置采集输出信号，获得来自复合材料结构内预设观测点的非线性响应；
5、信号处理步骤：对输出信号进行信号处理，分析其中的谐振波频率成分；
6、孔隙率评价步骤：根据谐振波频率成分，对复合材料结构的孔隙率进行评价，通过与完整结构的谐振波响应进行对比，差频与和频的谐振波成分幅值变化越大，则反映复合材料内部的孔隙率越大。
7、优选地，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共线混频两大类情形；
8、对于共线混频情形，激励声波所选用的模式包括：两列纵波反向共线、两列纵波同向共线、纵波与剪切波反向共线和纵波与剪切波同向共线四种情况；
9、对于非共线混频情形，激励声波所选用的模式包括：两列纵波、两列剪切波和纵波与剪切波三种情况。
10、优选地，所述非线性响应获取步骤包括：
11、输入信号函数的形式包括：脉冲函数信号、调制窗函数信号和连续信号；
12、设混频的超声波束为两列反向共线混频的纵波，在弹性半空间的边界上施加两列与时间相关的线性载荷，其函数形式如下：
13、
14、其中，表示左端y＝0处y方向上的质点速度分量；表示右端y＝l处y方向上的质点速度分量；f1(t)和f2(t)分别表示左右两端的输入信号函数；δ(x)表示线性载荷的delta函数；表示左端y＝0处x方向上的质点速度分量；表示左端y＝0处x方向上的质点速度分量；ff表示激励频率；t表示时间；tf表示激励频率施加的截止时间；f(t)是输入信号函数；q是f(t)的幅值；在此激励条件下，在观测点采集信号，得到相应的非线性响应；下标1、2表示两激励源；x1、x2表示两激励源处质点速度在x-方向上的坐标；y1、y2表示两激励源处质点速度在y-方向上的坐标；l表示待测结构在声波扩展路径方向上的长度。
15、优选地，所述信号处理步骤包括：时域信号和频域信号分析，其中时域信号分析包括对输出信号在全频率成分、基频成分、和频及差频的谐振波成分的时域响应进行幅值、相位和波形的分析，频域信号分析包括对输出信号的时域响应进行快速傅里叶变换后分析各频率成分的幅值。
16、根据本专利技术提供的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，包括：
17、施加输入信号模块：根据谐振条件选取预设激励频率，设定输入信号函数的形式，利用作动器在待测结构两侧端面施加输入信号；
18、非线性响应获取模块：利用传感器在待测结构的预设位置采集输出信号，获得来自复合材料结构内预设观测点的非线性响应；
19、信号处理模块：对输出信号进行信号处理，分析其中的谐振波频率成分；
20、孔隙率评价模块：根据谐振波频率成分，对复合材料结构的孔隙率进行评价，通过与完整结构的谐振波响应进行对比，差频与和频的谐振波成分幅值变化越大，则反映复合材料内部的孔隙率越大。
21、优选地，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共线混频两大类情形；
22、对于共线混频情形，激励声波所选用的模式包括：两列纵波反向共线、两列纵波同向共线、纵波与剪切波反向共线和纵波与剪切波同向共线四种情况；
23、对于非共线混频情形，激励声波所选用的模式包括：两列纵波、两列剪切波和纵波与剪切波三种情况。
24、优选地，所述非线性响应获取模块包本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共线混频两大类情形；
3.根据权利要求2所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，所述非线性响应获取步骤包括：
4.根据权利要求1所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，所述信号处理步骤包括：时域信号和频域信号分析，其中时域信号分析包括对输出信号在全频率成分、基频成分、和频及差频的谐振波成分的时域响应进行幅值、相位和波形的分析，频域信号分析包括对输出信号的时域响应进行快速傅里叶变换后分析各频率成分的幅值。
5.一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，包括：
6.根据权利要求5所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共线混频两大类情形；
7.根据权利要求6所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，所述非线性响应获
8.根据权利要求1所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：时域信号和频域信号分析，其中时域信号分析包括对输出信号在全频率成分、基频成分、和频及差频的谐振波成分的时域响应进行幅值、相位和波形的分析，频域信号分析包括对输出信号的时域响应进行快速傅里叶变换后分析各频率成分的幅值。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共线混频两大类情形；
3.根据权利要求2所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，所述非线性响应获取步骤包括：
4.根据权利要求1所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测方法，其特征在于，所述信号处理步骤包括：时域信号和频域信号分析，其中时域信号分析包括对输出信号在全频率成分、基频成分、和频及差频的谐振波成分的时域响应进行幅值、相位和波形的分析，频域信号分析包括对输出信号的时域响应进行快速傅里叶变换后分析各频率成分的幅值。
5.一种基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，包括：
6.根据权利要求5所述的基于超声波混频的复合材料孔隙率检测系统，其特征在于，超声波混频包括：两列超声波共线混频与非共...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙征昊，费志禾，苏京，宋炳坷，高冬冬，
申请(专利权)人：上海卫星装备研究所，
类型：发明
国别省市：
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