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)研究

摘要：根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)理論關(guān)于彈性波經(jīng)過變截面桿其位移透射系數(shù)增加的原理，設(shè)計(jì)一系列桿底部為階梯形或圓錐形接頭的新型導(dǎo)波桿，通過實(shí)驗(yàn)證明，與普通導(dǎo)波桿相比，其可以起到放大聲發(fā)射信號(hào)而不改變其類型的作用，為后續(xù)波形分析提供方便，提高檢測(cè)精度。實(shí)驗(yàn)還證明：導(dǎo)波桿的放大系數(shù)與桿的大小面積比值有關(guān)，小端面面積一定時(shí)，增加大端面面積，將使階梯桿和圓錐桿放大系數(shù)都增加；大小端面面積相同的圓錐桿和錐度大的圓錐桿放大系數(shù)大?？紤]實(shí)際金屬，除了彈性外還有粘性和塑性，內(nèi)部還有雜質(zhì)和缺陷，會(huì)引起能量的衰減和頻散效應(yīng)，建議實(shí)際檢測(cè)中選用大小面積比比值大的，并且錐度大的圓錐形導(dǎo)波桿，同時(shí)選擇均勻和彈性好的材料，以得到清晰的信號(hào)波形。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；圓錐；波導(dǎo)桿；放大信號(hào)

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(cè)是無損檢測(cè)和評(píng)估中的一種重要方法，具有動(dòng)態(tài)評(píng)估和實(shí)時(shí)診斷性。目前廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、材料實(shí)驗(yàn)、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)。對(duì)于傳感器不能直接安放在被檢測(cè)對(duì)象上的情況，需要用導(dǎo)波桿進(jìn)行輔助檢測(cè)。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(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。