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(guò)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(guò)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。考慮實(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)

中圖分類號(hào):TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0197-02

Amplification Law Experiment of Acoustic Emission Signal Propagation in Wave Guide Rod

L Mao-san1， HUANG Zhen-feng1， MAO Han-ling2

(1. College of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China; 2. Guangxi Radio and TV University， Nanning 530022， China)

Abstract:

Based on the knowledge of elastic dynamics theory， and the principle of the displacement transmission coefficient increase of the elastic wave when it cross the variable cross-section， series of new wave guide rods which adopt a stepped or conical connector at their bottoms were designed. The experimental results show that comparing with ordinary wave guide rod， it can magnify the signal of acoustic emission without the variation of the signal type， and can not only provide the convenience for the follow-up waveform analysis， but also improve measuring accuracy. It also proves that the coefficient of amplification is concerned with the area ratio of the rod， the coefficient of amplification of stepped and conical rods is increased when adding the big end face area， and for the conical rod which has same end face area， the bigger the conical degree， the bigger the coefficient of amplification will be. Since the actual metal has stickiness and plasticity besides elasticity， and exists some flaw and impurity in its interior， which can lead to the energy decrease and frequency dispersion effect， it is better to choose the wave guide rods which have the big area ratio and conical degree in the practical testing to get clear waveform of the signal.

Keywords: acoustic emission; cone; wave guide rod; magnify signal

收稿日期:2010-06-03

基金項(xiàng)目:廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(桂科自0991069)

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(wú)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)[1]。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)[2-4]。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)[5]。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。

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)[6]為:

M=uT/uI=21+S2/S1

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→0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)[7]。

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[8]，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。

圖1 桿件結(jié)構(gòu)圖

表1 波導(dǎo)桿的尺寸

項(xiàng)目D/dh/L(D-d)∶h

階梯桿1

階梯桿2

圓錐桿3

圓錐桿4

圓錐桿5

圓錐桿6

圓錐桿742/19.5

30/19.5

42/19.5

42/19.5

42/19.5

42/19.5

30/19.55/80

5/80

10/80

15/80

20/80

25/80

10/80

2.25

1.5

1.125

0.9

1.05

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[9-10]，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)。

表2 不同組的項(xiàng)目比值

項(xiàng)目最大振幅比能量比

第一組1.131.52

第二組1.061.22

第三組1.523.23

第四組1.421.92

第五組1.231.26

第六組1.141.08

第七組1.211.41

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)。對(duì)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(duì)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(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。

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