裂隙煤巖材料超聲波無損探傷實驗系統設計與應用

馮俊軍，陶 熠，劉純林，黃琪嵩，許 波，鄧權龍

（安徽工業大學 建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

隨著我國工業現代化的不斷推進，工程材料或機械構件的質量要求越來越高。無損探傷作為保證產品質量、確保設備安全的重要技術，在巖土工程、機械制造、石油化工和航空航天領域得到了廣泛的應用[1-4]。超聲波檢測是應用最廣泛的無損探傷方法之一，它利用進入被檢材料的超聲波對材料表面或內部缺陷進行檢測，也可用于材料內部組織和特性的表征以及應力的測量[5]。

高等院校開設超聲波無損探傷實驗教學對于培養學生實踐操作能力具有重要意義[6-7]。根據教育部發布的《安全科學與工程類教學質量國家標準》，在安全工程專業培養計劃中，超聲波無損探傷實驗教學是專業核心課程 “安全檢測技術” 的重要組成部分。超聲波無損探傷實驗是一項理論與實踐相結合的綜合科目[8]，對實驗人員的理論水平和操作能力要求均比較高。在實驗教學過程中，該課程還要求學生在具體實驗操作前必須掌握相應的基礎理論知識，特別是超聲波檢測技術原理與材料超聲響應特征，這無疑對當前超聲波無損探傷實驗的教學內容和平臺建設提出了挑戰。

當前，由于缺乏完善的超聲無損探傷實驗教學平臺，以及分析材料超聲響應特征的實驗系統軟件，導致目前實驗教學內容僅限于利用超聲波測量材料厚度。顯然，利用超聲波測量材料厚度僅僅是超聲檢測的常規應用。對于深部地下巖土工程，借助超聲波無損探傷技術準確判斷煤巖材料的內部缺陷，是確保地下建筑工程安全的關鍵[9]。因此，本文搭建了一套超聲波無損探傷實驗系統平臺，基于MATLAB GUI 開發了用于分析超聲波時域特征、頻譜特征和散射特征的功能模塊和綜合評估材料損傷程度的功能模塊。該實驗系統有助于進一步提高超聲波無損探傷實驗的教學效果，使學生充分理解煤巖材料無損探傷的技術原理，掌握超聲波無損探傷技術的操作方法，最終提高學生在安全檢測技術方面的實踐能力。

1 搭建實驗系統平臺

圖1 超聲波無損探傷技術原理圖

超聲波無損探傷技術的基本原理如圖1 所示，超聲波在均勻的介質中一般沿直線傳播，當遇到聲阻抗不同的2 種介質（如材料內部的孔隙、裂隙、雜質等）界面時，會引發裂隙摩擦效應和波形散射效應，最終導致超聲波發生不同程度的能量耗散，表現為幅值顯著衰減[10-11]。目前，常見的超聲波無損探傷系統均是根據超聲波在被測介質中傳播衰減情況來判斷缺陷位置和大小。在實際檢測過程中，對于地下巖土工程中各類煤巖材料，由于被測試樣內部缺陷數量、尺度和類別均存在較大差異，并且這些因素都會影響超聲波幅值衰減程度。因此，僅僅依靠超聲波幅值衰減規律不足以全面判定材料內部缺陷特征，需要建立一套具有多因素綜合分析模塊的超聲波無損探傷實驗系統。

針對上述需求，本文搭建了一套超聲波無損探傷實驗系統平臺，該平臺主要包括超聲波激發和接收裝置，實驗系統如圖2 所示。其中，超聲波激發采用ARB-1410 板卡，板卡產生的高頻電壓通過導線傳遞到換能器晶體的電極板上，從而激勵壓電晶體以相同的頻率做彈性振動。當換能器與相鄰介質之間耦合接觸時，高頻彈性振動以振動波的形式以本身自有的特性在固體介質中傳遞。超聲波接收采用Express-8 多通道聲發射板卡，其主要原理是利用正壓電效應進行工作，當超聲波作用到壓電晶體時，施加的作用力在晶體的相應界面上產生交變電荷，此電荷經過放大器轉換為電壓信號后輸入聲發射接收通道，最終由聲發射采集系統將接收的超聲波信號在終端可視化。實驗操作嚴格遵守國際巖石力學推薦的測試標準[12]，首先對每個試樣兩端涂抹超聲波實驗專用高真空脂，然后將超聲波換能器貼合到試樣兩端并施加一定耦合力后即可開始測試。超聲波發射頻率范圍為50～300 kHz，發射幅值采用10 V，接收門檻為45 dB。

圖2 超聲波無損探傷實驗系統平臺

2 實驗系統功能與模塊設計

2.1 系統主要功能

通過搭建的超聲波無損探傷實驗系統平臺采集得到穿透試樣的超聲波振動信號，壓電傳感器將振動信號轉化為電壓信號，最終輸出相應的波形數據文件。基于MATLAB GUI 平臺，進一步開發了超聲波無損探傷實驗系統分析軟件。軟件主要功能包括：用戶登錄、輸入數據、分析數據和導出數據，其中分析數據功能包括時域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評估模塊，這些模塊是該實驗系統的功能核心，系統功能框架如圖3 所示。

圖3 超聲波無損探傷實驗系統功能框架

軟件使用MATLAB 的deploytool 工具編譯生成可執行文件，用戶只需安裝MATLAB2010b 對應的函數運行庫、圖形運行庫即可雙擊運行該軟件。為保證實驗數據的安全性和避免誤操作，授權用戶需要在登錄界面輸入正確的用戶名和密碼后點擊回車鍵，軟件后臺校驗用戶輸入的用戶名和密碼是否正確，如果用戶名和密碼正確，才可進入實驗系統主界面，如圖4所示。

圖4 超聲波無損探傷實驗系統主界面

在系統主界面點擊菜單欄“輸入數據”，用戶可通過單擊選擇需要處理的超聲波波形數據文件。選擇完畢，在系統主界面點擊菜單欄“分析數據”，可彈出數據分析主界面，包括時域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評估模塊。

2.2 時域特征分析模塊

時域特征分析模塊主要用于分析超聲波穿透試樣前后的波形幅值衰減規律。超聲波在材料中傳播時，當遇到材料缺陷或損傷時（孔隙、裂隙等），超聲波的波動作用會引發材料缺陷拉壓變形（P 波）或剪切畸變（S 波），缺陷表面在相對運動時產生摩擦效應[10]。摩擦效應將導致超聲波總能量發生耗散，最終表現為超聲波幅值的衰減現象，如圖5 所示。該分析模塊界面分為上下2 個坐標區域，分別為入射波和透射波，其中入射波為超聲波實驗系統發射的原始波形，透射波是原始波形穿透試樣后的超聲波。橫坐標軸為超聲波在試樣中的傳播時間，縱坐標軸為超聲波的電壓幅值，該功能模塊可以清晰地反映試樣的幅值衰減規律。

圖5 時域特征分析模塊界面

2.3 頻譜特征分析模塊

頻譜特征分析模塊主要用于分析超聲波穿透試樣后的波形主頻變化規律。超聲波波形往往包含多分量波形，波形頻譜則是從另一個角度來展現各分量波形的形態，可以方便地看出每種分量波形在整體波形中占據的比重，使分析不同成分波形衰減更有針對性。因此，作為時間函數的超聲波信號，不僅需要在時間域描述該信號隨時間變化的性質。還需要采用頻率域對信號進行譜分析，這種以頻率為變量描述信號的方法稱為信號頻譜分析技術。在信號處理領域，基于Fourier 變換的信號頻域表示及其能量的頻域分布揭示了信號在頻域的特征，超聲波頻譜表示如下：

上述測試結果顯示:多功能北斗智能手杖的拐杖終端實現了對老人空間、時間信息以及健康信息的獲取,手機端軟件實現了對老人健康安全信息的實時監測。因此,該系統功能較為完善,工作穩定可靠,具有較高的實用價值。

式中，f為超聲波頻率，t為時間。當超聲波在材料中傳播時，在遇到不同尺度的材料缺陷或損傷時，不同頻率的波形會發生不同程度的反射和吸收現象，最終表現為波形主頻的變化。因此，通過超聲波波形頻譜變化可清晰反映出材料缺陷和損傷對不同成分波形的影響，使超聲波幅值衰減更有針對性，具體分析模塊界面如圖6 所示。從圖中可以看出，當超聲波穿透試樣后，頻率50 kHz 的波形分量發生了嚴重衰減，其波形主頻從50 kHz 遷移到了150 kHz，在分析超聲波幅值衰減時要注意區分這2 種不同主頻的波形。

圖6 頻譜特征分析模塊界面

2.4 散射特征分析模塊

超聲波在材料中的傳播衰減機制不僅包括裂紋面摩擦效應，還包括夾雜物造成的散射效應。散射效應是由于材料內部雜質或缺陷造成，當雜質或缺陷尺度與波長相近時，散射效應就會發生[13]。散射的出現，使得原來的超聲波強度減弱，造成總能量衰減。因此，通過分析試樣的波形散射特征可判斷不同尺度雜質或缺陷所造成的材料損傷，從而識別出導致試樣損傷的主導成分。

超聲波散射特征采用多重分形譜函數f(α)-α(q)描述，該函數表示如下[14]：

式中，pi(δ)為超聲波電壓信號，δ為時間劃分尺度，q為權重因子。通過該多重分形譜函數可對超聲波時間序列數據的結構性差異進行定量描述，通過函數形態揭示不同尺度缺陷或雜質對試樣損傷程度的影響。當函數譜峰偏左，則說明小尺度雜質或缺陷所引發的散射效應占據主導地位，試樣損傷以細微孔隙為主；反之，如果函數譜峰偏右，則說明大尺度雜質或缺陷所引發的散射效應占據主導地位，試樣損傷以大尺度裂隙為主，具體分析模塊界面如圖7 所示。一般而言，超聲波無損探傷實驗系統發射的原始波形多重分形譜峰居中，意味著此時超聲波均勻分布，并未包含任何散射信號；而穿透試樣后的超聲波多重分形譜則形態各異，此時的超聲波包含試樣雜質或缺陷引發的散射信號，通過譜峰的偏向就可判斷試樣內部主導損傷成分。

圖7 散射特征分析模塊界面

2.5 損傷綜合評估模塊

損傷綜合評估模塊是在綜合考慮超聲波時域特征、頻譜特征和散射特征的基礎上，對試樣的損傷程度給出最終量化評價，模塊界面如圖8 所示。該量化評價指標選用超聲波品質因子Q，該指標采用譜比法計算得出，表示如下[15]：

式中，A1(f)和A2(f)是相應頻率下超聲波的發射幅值和接收幅值，t是超聲波穿透材料所需的時間。超聲波品質因子Q反映了試樣的完整性，Q越大，則試樣完整性越高，即整體損傷程度越小。

圖8 損傷綜合評估模塊界面

3 實驗系統應用案例

3.1 試樣制備與實驗操作

3.2 超聲響應特征分析

首先采用搭建的超聲波無損探傷實驗系統平臺開展了超聲波實驗研究，采集了穿透煤巖試樣后的超聲波振動信號。然后通過超聲波無損探傷實驗系統進一步分析了超聲波穿透煤巖試樣后的幅值衰減特征、頻譜變化特征和波形散射特征，各功能模塊分析結果如圖10 所示。從圖中可以看出，時域分析結果顯示：煤巖試樣內部損傷導致超聲波穿透試樣后幅值發生了顯著衰減，并且波形持續時間也顯著增大，這是由于超聲波在試樣內部發生多次反射和折射所造成的；頻譜分析結果顯示，發射的超聲波原始波形中高頻部分（＞250 kHz）幾乎被試樣內部缺陷完全耗散吸收，且超聲波主頻仍然處于低頻區域（＜100 kHz），說明試樣內部的缺陷尺度與低頻超聲波的波長較為接近；最后，散射分析結果顯示：超聲波散射波形的多重分形譜峰從初始的形態發生一定程度的右偏，表明試樣內部的損傷和缺陷以大尺度裂隙為主。

圖9 超聲波無損探傷實驗試樣制備及操作方法

圖10 煤巖試樣超聲波無損探傷實驗分析結果

3.3 試樣損傷綜合評估

利用超聲波無損探傷實驗系統的損傷綜合評估模塊對試樣的整體損傷程度進行定量分析，根據式（5）計算得到實驗中煤巖試樣的品質因子Q 為19.05，具體分析結果如圖11 所示。根據文獻[16]可知，常見煤巖材料品質因子范圍為10.1～105.8，將本實驗煤巖試樣的品質因子與之進行對比可知，實驗中所用煤巖材料損傷程度較為嚴重，構成損傷的主要缺陷為大尺度裂隙，裂隙尺度與低頻超聲波的波長較為接近。

4 實驗系統特點

相較于傳統超聲波實驗平臺，本實驗系統充分拓展了超聲波無損探傷的實驗教學內容，不僅能夠分析材料的超聲響應時域特征、頻譜特征和散射特征，還可對試樣內部損傷程度做出綜合量化評估。具體來說，該實驗系統具有如下特點：

（1）通過MATLAB GUI 開發，將煤巖材料超聲響應特征和損傷評估的關鍵理論集成到相應的功能模塊，降低了實驗操作人員的理論學習門檻，減輕了學生在學習超聲波無損探傷技術時的心理負擔，有利于提高實驗教學平臺的教學效果。

（2）通過形式統一的實驗結果分析界面，將實驗數據處理工作統一化和規范化，減少數據處理過程中人為因素的影響和人員誤操作，提高了實驗人員數據處理效率，保證了實驗分析結果的嚴謹性。

（3）對于地下巖土工程中煤巖材料，僅僅依靠傳統的超聲波幅值衰減規律不足以全面判定材料內部缺陷特征。本實驗系統綜合考慮了多重因素，包括超聲波穿透煤巖材料的時域特征、頻譜特征和散射特征，最終對材料的損傷程度、損傷缺陷類型和尺度做出判斷，分析結果綜合性強、可靠性高。

5 結語

本文基于MATLAB GUI 開發了一套超聲波無損探傷實驗系統，該實驗系統包括時域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評估模塊，可用于分析超聲波穿透試樣后的幅值衰減規律、主頻變化規律和波形散射特征，并對試樣整體損傷情況做出綜合評估。實驗系統應用案例表明，對于地下巖土工程中富含裂隙的煤巖材料，該實驗系統可有效判別材料的損傷程度、損傷缺陷類型和尺度范圍。借助該實驗系統開展超聲波無損探傷實驗教學，有助于學生理解和掌握煤巖材料無損探傷的技術原理和操作方法，最終提高學生在地下巖土工程領域安全檢測方面的實踐能力。