聲發(fā)射信號(hào)在導(dǎo)波桿中傳播的放大規(guī)律實(shí)驗(yàn)

0 引言

聲發(fā)射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為彈性波發(fā)射。聲發(fā)射檢測是無損檢測和評估中的一種重要方法，具有動(dòng)態(tài)評估和實(shí)時(shí)診斷性。大慶石油學(xué)院李善春博士通過研究不同長度和不同截面積的導(dǎo)波桿，得出桿長度和面積對聲發(fā)射信號(hào)的影響，將其用于石油管道和水管泄漏檢測。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，通過理論分析和實(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。

1 彈性波經(jīng)過桿截面突變的傳播

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)。由上式可知，當(dāng)S2一定時(shí)，增加S1則位移透射系數(shù)M增加。但當(dāng)S2/S1→O時(shí)，uT/uI→2，所以彈性波每經(jīng)過一個(gè)截面積間斷桿時(shí)，單級放大倍數(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)波桿對聲發(fā)射信號(hào)的放大情況，采集經(jīng)過不同結(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)。對圓錐桿3～6，其大小端面積相同，α為定值，由第三組至第六組數(shù)據(jù)可知，隨著錐度的減小，其最大振幅比和能量比都減小。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。設(shè)單位體積的能量損耗一定，對圓錐桿而言，錐度愈小，其體積愈大，波在其傳播時(shí)，損耗也愈大。這就解釋了相同面積比，不同錐度的圓錐桿對信號(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，提高分析精度，使導(dǎo)波桿應(yīng)用更廣泛。
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