聲發(fā)射信號在導波桿中傳播的放大規(guī)律實驗

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，具有動態(tài)評估和實時診斷性。大慶石油學院李善春博士通過研究不同長度和不同截面積的導波桿，得出桿長度和面積對聲發(fā)射信號的影響，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上，通過理論分析和實驗相結合方法，設計出一種能放大信號的波導桿，使波導桿的應用范圍更廣泛。

1 彈性波經(jīng)過桿截面突變的傳播

當聲發(fā)射彈性波沿金屬桿傳播時，在桿截面面積發(fā)生突變處，會發(fā)生波的透射和反射作用。設聲發(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S2一定時，增加S1則位移透射系數(shù)M增加。但當S2/S1→O時，uT/uI→2，所以彈性波每經(jīng)過一個截面積間斷桿時，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)生強間斷的階梯桿所組成。彈性波在其傳播也會增加位移透射系數(shù)。

聲發(fā)射彈性波經(jīng)過變截面桿透射后位移增大，質點間的振幅增加，所以質點間彈力增加，利用壓電傳感器把力信號轉換為電信號原理，其電信號也增加，起到放大聲發(fā)射信號的效果。

2 實驗方案與步驟

為了研究不同結構形狀的導波桿對聲發(fā)射信號的放大情況，采集經(jīng)過不同結構的導波桿信號，利用能量、最大振幅二個參數(shù)研究其放大規(guī)律。所以設計了一系列不同結構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)；成都中科動態(tài)儀器公司PCI4721數(shù)據(jù)采集卡；上位機PC。

試驗步驟如下：

(1)利用0．5 mm HB鉛筆芯折斷作為聲源進行傳感器標定。

(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，每組桿采集20次斷鉛信號。

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

3 結果與分析

采集到的信號經(jīng)過小波去噪處理后，處理結果見表2(比值為傳感器安放在導波桿的信號與安放鐵板信號之比)。

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。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是完全彈性體，沒有能量的損失，而實際金屬介質并非完全彈性體，除了彈性外還有粘性和塑形，內部還有少量雜質和缺陷，這些都會引起能量的損耗。設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，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 結論

(1)位移透射系數(shù)M=2/(1+α)只對完全彈性體適合，實際應用中，M除了與α有關外，還與桿的具體結構和桿的物理性質等有關，需要實驗去修正M。

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

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

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

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