基于聲發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)一種能放大信號(hào)的導(dǎo)波桿

0 引言

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission, 簡(jiǎn)稱AE） ,有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源，被稱為聲發(fā)射源。近年來(lái)，流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機(jī)制無(wú)直接關(guān)系的另一類彈性波源，被稱為其它或二次聲發(fā)射源在美國(guó)，檢測(cè)人員已將波導(dǎo)桿用于原子能壓力容器在線監(jiān)測(cè)和可靠性評(píng)價(jià)，得到良好的效果。大慶石油學(xué)院李善春博士通過(guò)研究不同長(zhǎng)度和不同截面積的導(dǎo)波桿，得出桿長(zhǎng)度和面積對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響，將其用于石油管道和水管泄漏檢測(cè)。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法，設(shè)計(jì)出一種能放大信號(hào)的波導(dǎo)桿，使波導(dǎo)桿的應(yīng)用范圍更廣泛。

聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象，各種材料聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻、20 Hz~20K Hz的聲頻到數(shù)MHz的超聲頻；聲發(fā)射信號(hào)幅度的變化范圍也很大，從10m的微觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到1m量級(jí)的地震波。如果聲發(fā)射釋放的應(yīng)變能足夠大，就可產(chǎn)生人耳聽得見的聲音。大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生，但許多材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測(cè)出來(lái)。用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)，人們將聲發(fā)射儀器形象地稱為材料的聽診器。

1 彈性波經(jīng)過(guò)桿截面突變的傳播

當(dāng)聲發(fā)射彈性波沿金屬桿傳播時(shí)，在桿截面面積發(fā)生突變處，會(huì)發(fā)生波的透射和反射作用。設(shè)聲發(fā)射彈性波從大截面桿傳播到小截面桿，其位移投射系數(shù)為：

式中：S1為桿大截面面積；S2為桿小截面面積；uI為入射波位移；uT為透射波位移。令α=S2/S1,則M=2/（1+α）。但當(dāng)S2/S1→O時(shí)，uT/uI→2,所以彈性波每經(jīng)過(guò)一個(gè)截面積間斷桿時(shí)，單級(jí)放大倍數(shù)的極限為2.圓錐形桿可以近似看做由一系列面積發(fā)生強(qiáng)間斷的階梯桿所組成。彈性波在其傳播也會(huì)增加位移透射系數(shù)。

聲發(fā)射彈性波經(jīng)過(guò)變截面桿透射后位移增大，質(zhì)點(diǎn)間的振幅增加，所以質(zhì)點(diǎn)間彈力增加，利用壓電傳感器把力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)原理，其電信號(hào)也增加，起到放大聲發(fā)射信號(hào)的效果。

2 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

為了研究不同結(jié)構(gòu)形狀的導(dǎo)波桿對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的放大情況，采集經(jīng)過(guò)不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波桿信號(hào)，利用能量、最大振幅二個(gè)參數(shù)研究其放大規(guī)律。所以設(shè)計(jì)了一系列不同結(jié)構(gòu)的桿來(lái)研究其放大規(guī)律。如圖1所示，（a）為階梯形桿，（b）為圓錐形桿，尺寸見表1.

采集系統(tǒng)：聲華科技公司SR150聲發(fā)射傳感器，自帶前置放大器（放大倍數(shù)為40 dB）；成都中科動(dòng)態(tài)儀器公司PCI4721數(shù)據(jù)采集卡；上位機(jī)PC.

試驗(yàn)步驟如下：

（1）利用0.5 mm HB鉛筆芯折斷作為聲源進(jìn)行傳感器標(biāo)定。

（2）把傳感器1放在鐵板（500 mm×500 mm×4 mm）表面，傳感器2安放在導(dǎo)波桿上面，且布置在同一圓周上（圓周半徑R=200 mm），傳感器與鐵板及桿之間使用凡士林耦合。在兩傳感器分布圓圓心處斷鉛，采集信號(hào)，每組桿采集20次斷鉛信號(hào)。

（3）換不同的桿重復(fù)步驟（2），記傳感器同時(shí)在導(dǎo)波桿1和鐵板采集信號(hào)為第一組，傳感器同時(shí)在導(dǎo)波桿2和鐵板采集信號(hào)為第二組，依次類推至第七組。

3 結(jié)果與分析

采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)小波去噪處理后，處理結(jié)果見表2（比值為傳感器安放在導(dǎo)波桿的信號(hào)與安放鐵板信號(hào)之比）。

由第一組和第二組數(shù)據(jù)分析，對(duì)面積比α=0.46階梯桿1和面積比α=0.65階梯桿2,隨著面積比α的增加，最大振幅比和能量比都減小，符合位移透射系數(shù)M=2/（1+α）隨α增加而減小的性質(zhì)。其原因在于這里的假設(shè)是完全彈性體，沒有能量的損失，而實(shí)際金屬介質(zhì)并非完全彈性體，除了彈性外還有粘性和塑形，內(nèi)部還有少量雜質(zhì)和缺陷，這些都會(huì)引起能量的損耗。這就解釋了相同面積比，不同錐度的圓錐桿對(duì)信號(hào)的放大情況不同。從第一、三、四組數(shù)據(jù)可以看出，相同面積比的階梯桿1和圓錐桿3,4,圓錐桿的最大振幅比和能量比都比階梯桿1的大些。比較第三組和第七組數(shù)據(jù)，桿3和桿7為相同的高度和小端面積，但桿3的大端面積比桿7大，其最大振幅和能量比也比桿7大。

4 結(jié)論

（1）位移透射系數(shù)M=2/（1+α）只對(duì)完全彈性體適合，實(shí)際應(yīng)用中，M除了與α有關(guān)外，還與桿的具體結(jié)構(gòu)和桿的物理性質(zhì)等有關(guān)，需要實(shí)驗(yàn)去修正M.

（2）階梯形桿的放大比與其面積比有關(guān)，固定小端面積，當(dāng)大端面積增加時(shí)，放大比增加，但并非線性關(guān)系。

（3）當(dāng)圓錐形波導(dǎo)桿的大小端面面積一定時(shí)，錐度越大，能量、最大振幅值越大，反之越小。

（4）當(dāng)圓錐形桿的高度和小端面積固定時(shí)，大端面積越大，放大倍數(shù)也越大。

由此可知，圓錐形波導(dǎo)桿在聲發(fā)射檢測(cè)中，可以起到導(dǎo)波與放大信號(hào)作用，使得波形更清晰，有利于準(zhǔn)確檢測(cè)，提高分析精度，使導(dǎo)波桿應(yīng)用更廣泛。