第1章综述——非线性超声特性
非线性超声特性是由超声波在传播过程中与材料或缺陷的非线性相互作用而产生的，通常包括高次谐波、次谐波、非线性共振和非线性混频。在本书中，非线性相互作用分为两类：材料弹性非线性和接触声非线性，对每一类非线性超声特性相关的测量方法和应用都进行了介绍。
材料性能的累积损伤、退化的评估以及断裂早期的微缺陷检测对于确保各种工业结构的安全至关重要。超声检测方法是非常强大的无损检测技术，因为超声波传播的特性与材料的力学性能直接相关。传统的超声无损评价(non-destructive evaluation， NDE)基于线性声学理论，该理论与振动在介质中的传播有关。假定在介质中振动引起质点偏离平衡状态是微小的，即假定超声波传播时具有小振幅或低强度并保持恒定波速。这类线性超声技术通常依赖于一些特定参数的测量，如声速、衰减和反射率。声速取决于弹性常数，而衰减与微结构特征如晶粒尺寸有关。此外，缺陷的存在会改变输出信号的相位和/或幅度[1]。但是，这种技术对均匀分布的微缺陷或材料退化不敏感。
克服上述限制的另一种技术是非线性超声特性检测方法。线性和非线性超声无损评价之间的主要区别在于，在非线性超声特性检测中传播的声波具有有限的振幅并伴有多种其他效应，这些随之产生的效应强弱取决于振动幅度。例如，波速随振动幅度而变化，波信号的频率与输入信号的频率不同。这与有限振幅(特别是高功率)超声的激励和传播及其与微结构或缺陷的非线性力学相互作用有关。如图1.1所示[2]，这些微结构和缺陷包括晶格缺陷(如位错和空位)、微结构(如晶粒、晶界、沉淀等)、微缺陷(如微裂纹和微孔洞)和缺陷(如部分闭合裂纹和部分闭合界面)。即使当裂纹张开间距或接触界面之间的间隙小于超声波的振动位移，部分闭合裂纹和界面也会引起巨大的非线性特征。
图1.1影响非线性超声特性的微结构和缺陷
由于材料失效或退化在出现明显的塑性变形或材料损坏之前，通常会发生某种类型的非线性力学行为，昀近的研究工作大多数都聚焦在非线性超声的应用方面[3-5]。例如，图1.2展示了疲劳裂纹扩展的大致过程。传统的线性超声技术(linear ultrasonic technique， LUT)仅在引发宏观裂纹之后才检测到裂纹，其可检测到的裂纹尺寸通常大于1mm，这对应于超过80%疲劳寿命的损伤阶段。而从宏观裂纹形成开始，裂纹扩展速度就迅速增大，故断裂的发生时间可能比预期的要短。因此，在上一次定期检查中未发现的裂纹可能会在下一次检查之前发生断裂。相比之下，非线性超声技术(nonlinear ultrasonic technique， NUT)可用于评估宏观裂纹萌生之前的微损伤。
图1.2疲劳引起的典型缺陷演化过程
非线性超声特性是由传播的超声波与材料或缺陷之间的非线性相互作用而产生的特征。这种非线性相互作用可以分为两类，即材料弹性非线性和接触声非线性。表1.1给出了超声波的非线性相互作用导致的非线性超声特性。
表1.1超声波的非线性相互作用导致的非线性超声特性
材料弹性非线性是基于应力和应变之间的非线性关系的。这种类型的相互作用会导致更高的谐波产生、共振频移(非线性共振)和混频响应(非线性混频)。这些现象受固体的结构和相互作用的强烈影响，因此可以应用超声波表征材料特性。此外，这些影响在损坏的材料中很明显，但在未损坏的材料中几乎无法测量到，表明它们可用于评估材料退化。同时，弹性非线性是材料的固有特性。因此，从材料本身存在的非线性中测量其变化十分重要。非线性特性的变化量可能很微小，因此需要以适当的方法进行测量。应着重指出的是，当材料特性改变时，非线性特性比线性特性变化更大。
当入射超声波在两个接触界面之间发生反复碰撞时，就会产生接触声非线性。这种相互作用引起的现象与材料弹性非线性相似。但奇特之处在于，这种情况会有次谐波的产生。接触声非线性是产生次谐波的唯一原因，材料弹性非线性不会产生次谐波。这些现象可用于检测部分闭合裂纹或评估黏脱缺陷。开裂间距或接触界面之间的间隙是影响接触声非线性的重要因素。即使缺陷的长度或大小是宏观尺度的，当裂纹张开间距或接触界面之间的间隙小于超声波的位移幅度时，也会发生接触声非线性。这种非线性比材料弹性非线性大得多。因此，接触声非线性测量比材料弹性非线性测量相对容易。然而，要激发接触声非线性，必须输入具有较大位移幅度的超声波或引起共振。通常，超声波的位移幅度小于1nm，因此可以检测到具有更小间隙的界面。超声波的位移幅度越大，可以检测到的界面间隙缺陷越大。
表1.2总结了线性超声技术和非线性超声技术测量参量之间的差异。在线性超声技术中，一般通过测量声速、衰减、频散等来评估弹性模量、厚度、各向异性、晶粒尺寸或孔隙率，而通过测量反射率或透射率检测裂纹、分层、空隙或夹杂物。在非线性超声技术中，通过测量高次谐波、共振频率或混频来评估非线性弹性模量，从而进一步评估硬度或强度，并检测部分闭合裂纹或粘接弱化。测量次谐波仅可用于检测裂纹或界面。可以看出，时域中的信号幅度通常用于线性超声技术，而频域中的信号幅度则用于非线性超声技术。但是，频域中的幅度也可用于特殊的线性超声技术中，同样，时域中的幅度也可用于特殊的非线性超声技术中。
表1.2线性超声技术和非线性超声技术中的典型测量参量
另外，由材料弹性非线性或接触声非线性引起的非线性超声特性可以出现在所有类型的波、体波(纵波或剪切波)、表面波或导波中。由于不同类型的超声波中可能会发生不同类型的非线性相互作用，已经探索出各种方法来测量这些非线性超声特性。
本书涵盖了固体中典型的非线性超声特性，通过各种应用场景介绍了非线性超声特性的测量方法，主要分为两部分：第一部分涵盖与材料弹性非线性相关的非线性超声特性检测，而第二部分则涵盖与接触声非线性相关的非线性超声特性检测。
第一部分包括两章：第2章和第3章。第2章介绍以高次谐波非线性超声参量表征材料的非线性弹性特性，主要使用的是纵波；第3章介绍二次谐波的产生，包括各种导波产生的谐波，如兰姆(Lamb)波和水平剪切(shear horizontal， SH)波。
第二部分包括三章：第4章、第5章和第6章。第4章概述各种非线性声学技术，并涵盖基于振动的不同非线性共振技术，特别是用于测量缺陷中的接触非线性技术。第5章介绍用于闭合裂纹界面的次谐波测量技术，特别是用于成像的阵列技术。第6章介绍裂纹中的非线性混频效应，以及基于激光超声技术的测量方法。
参考文献
[1] A.S. Birks， in Nondestructive Testing Handbook 7: Ultrasonic Testing. ASNT Handbook(1991)
[2] N.G.H. Meyendorf， P.B. Nagy， S.I. Rokhlin(eds.)， Nondestructive Materials Characterization with Applications to Aerospace Materials. Springer Series in Materials Science， vol.67，4(2004)
[3] K.Y. Jhang， Applications of nonlinear ultrasonics to the NDE of material degradation. IEEE UFFC 47(3)，540–548(2000)
[4] H. Jeong， S.H. Nahm， K.Y. Jhang， Y.H. Nam， A nondestructive method for estimation of the fracture toughness of CrMoV rotor steels based on ultrasonic nonlinearity. Ultrasonics 41(7)，543–549(2003)
[5] K.Y. Jhang， Nonlinear ultrasonic techniques for non-destructive assessment of micro damage in material: A review. Int. J. Precis. Eng. Manuf.10(1)，123–135(2009)
第一部分与材料弹性非线性相关的非线性超声特性检测
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