聲發射信號在導波桿中傳播的放大規律實驗研究

摘 要:根據彈性動力學理論關于彈性波經過變截面桿其位移透射系數增加的原理，設計一系列桿底部為階梯形或圓錐形接頭的新型導波桿，通過實驗證明，與普通導波桿相比，其可以起到放大聲發射信號而不改變其類型的作用，為后續波形分析提供方便，提高檢測精度。實驗還證明:導波桿的放大系數與桿的大小面積比值有關，小端面面積一定時，增加大端面面積，將使階梯桿和圓錐桿放大系數都增加;大小端面面積相同的圓錐桿和錐度大的圓錐桿放大系數大。考慮實際金屬，除了彈性外還有粘性和塑性，內部還有雜質和缺陷，會引起能量的衰減和頻散效應，建議實際檢測中選用大小面積比比值大的，并且錐度大的圓錐形導波桿，同時選擇均勻和彈性好的材料，以得到清晰的信號波形。

關鍵詞:聲發射; 圓錐; 波導桿; 放大信號

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號: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

基金項目:廣西自然科學基金資助項目(桂科自0991069)

0 引 言

聲發射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發出瞬態彈性波的現象，也稱為彈性波發射。聲發射檢測是無損檢測和評估中的一種重要方法，具有動態評估和實時診斷性。目前廣泛應用于航空航天、石油化工、材料實驗、交通運輸等工業[1]。對于傳感器不能直接安放在被檢測對象上的情況，需要用導波桿進行輔助檢測[2-4]。在美國，檢測人員已將波導桿用于原子能壓力容器在線監測和可靠性評價，得到良好的效果。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射信號的影響，將其用于石油管道和水管泄漏檢測[5]。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 彈性波經過桿截面突變的傳播

當聲發射彈性波沿金屬桿傳播時，在桿截面面積發生突變處，會發生波的透射和反射作用。設聲發射彈性波從大截面桿傳播到小截面桿，其位移投射系數[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S2一定時，增加S1則位移透射系數M增加。但當S2/S1→0時，uT/uI→2，所以彈性波每經過一個截面積間斷桿時，單級放大倍數的極限為2。圓錐形桿可以近似看做由一系列面積發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[7]。

聲發射彈性波經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[8]，其電信號也增加，起到放大聲發射信號的效果。

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射信號的放大情況，采集經過不同結構的導波桿信號，利用能量、最大振幅二個參數研究其放大規律。所以設計了一系列不同結構的桿來研究其放大規律。如圖1所示，(a)為階梯形桿，(b)為圓錐形桿，尺寸見表1。

圖1 桿件結構圖

表1 波導桿的尺寸

項目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:聲華科技公司SR150聲發射傳感器，自帶前置放大器(放大倍數為40 dB);成都中科動態儀器公司PCI4721數據采集卡;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

采集到的信號經過小波去噪處理后[9-10]，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)。

表2 不同組的項目比值

項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據分析，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據可知，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、四組數據可以看出，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據，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，放大倍數也越大。

由此可知，圓錐形波導桿在聲發射檢測中，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。

參考文獻

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