高壓放大器在非線性超聲傳播研究中的應(yīng)用

　　實驗名稱：高壓放大器在非線性超聲傳播研究中的應(yīng)用

　　研究方向：超聲波

　　測試目的：

　　超聲波在混凝土中的傳播是一個極為復(fù)雜的非線性過程。當(dāng)超聲波穿過混凝土材料時，攜帶了大量有關(guān)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的信息。傳統(tǒng)的超聲波檢測方法雖然在混凝土的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷評價上得以廣泛應(yīng)用，但由于其基于線彈性理論而獲得的有限的首波振幅和波速測試參數(shù)，在表征混凝土初始損傷及微觀結(jié)構(gòu)的變化上受到相當(dāng)?shù)南拗疲瑢?dǎo)致其分辨率和精度明顯不足，而非線性超聲波的發(fā)展為解決這一問題提供了理論上的可能。鑒于目前混凝土的非線性超聲檢測理論和試驗研究上的不足，為深入探究混凝土材料非線性超聲的產(chǎn)生機(jī)理與響應(yīng)規(guī)律，為非線性超聲測試方法提供理論基礎(chǔ)，本文采用理論分析、數(shù)值模擬、試驗測試和信號分析等手段，就混凝土非線性超聲傳播特性開展深入系統(tǒng)的理論和試驗研究。

　　測試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、示波器、信號發(fā)生器、超聲換能器、凡士林等。

　　實驗過程：

圖：砂漿試樣的非線性超聲測試系統(tǒng)

　　搭建非線性超聲測試系統(tǒng)，混凝土非線性超聲測試系統(tǒng)主要包括：信號發(fā)生器、ATA-2042高壓放大器、數(shù)字示波器和發(fā)射與接收換能器。信號發(fā)生器發(fā)射信號類型為10個周期的脈沖波。為避免超聲波在混凝土內(nèi)的傳播出現(xiàn)較強(qiáng)的衰減效應(yīng)，發(fā)射脈沖頻率不宜過高，故選用的脈沖頻率為40kHz。高壓放大器型號為ATA-2042，將輸入信號的峰值電壓放大至50~350V，輸入與輸出電阻均設(shè)置為50Ω。數(shù)字示波器的輸入阻抗為1MΩ，采樣率為2.5MS/s，滿足Nyquist-Shannon采樣定理。對128次的采集信號進(jìn)行平均處理，以減少噪聲的干擾，提高接收信號的信噪比。超聲波的發(fā)射與接收端分別采用PXR04和PXR07型接觸式平面縱波換能器。

　　換能器與砂漿試樣之間采用凡士林進(jìn)行耦合，在固定換能器前用記號筆標(biāo)記測點位置，以保證發(fā)射換能器與接收換能器均位于試樣的中心位置。使用紙巾擦拭砂漿試樣，避免換能器與試樣間夾雜灰塵等細(xì)顆粒，再將換能器通過松緊帶緊密纏繞并固定在標(biāo)記位置。信號分析選取時域曲線中的前7個周期的穩(wěn)定波形，通過快速傅里葉變換獲得相應(yīng)頻譜曲線，提取基波幅值A(chǔ)1和二階諧波幅值A2，并計算非線性參數(shù)θ。

　　實驗結(jié)果：

　　（1）激勵電壓與非線性參數(shù)θ的關(guān)系

　　不同測試電壓的混凝土非線性超聲參數(shù)θ如下圖所示。對于四組不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，在50~350V的激勵電壓范圍內(nèi)，非線性超聲參數(shù)θ呈波動狀態(tài)，說明其未受測試電壓的影響，該結(jié)論與完整砂漿的高次諧波試驗結(jié)論相吻合，進(jìn)一步證明了上述測試電壓條件下，非線性超聲參數(shù)θ與測試電壓幅值無關(guān)。對于同組混凝土試樣，由不同試樣個體所獲得的非線性系數(shù)具有一定差異，裂紋的長度、角度均對非線性超聲參數(shù)θ具有顯著影響，即使對于相同粗骨料粒徑的混凝土試樣，超聲傳播路徑周圍的微觀結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)性和離散性特征。

圖：不同激勵電壓條件下的非線性系數(shù)變化情況

　　（2）粗骨料粒徑與非線性參數(shù)θ的關(guān)系

　　對于不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，其非線性參數(shù)θ由50~350V電壓下的基波幅值A(chǔ)1與二次諧波幅值A2的線性擬合確定，擬合直線的決定系數(shù)R2如下面圖表所示。所有混凝土試樣的決定系數(shù)R2均接近于1，表明基波幅值A(chǔ)1與二次諧波幅值A2隨激勵電壓增加呈線性規(guī)律。以各組3個混凝土試樣的非線性參數(shù)θ平均值作為不同粗骨料粒徑混凝土的代表值，結(jié)果如下圖所示。隨著混凝土粗骨料粒徑的增大，混凝土內(nèi)的ITZ長度增加，非線性參數(shù)θ顯著增加，該規(guī)律與數(shù)值模擬得到結(jié)論相合。

圖表：不同混凝土試樣的基波與二次諧波線性擬合決定系數(shù)R2

圖：不同骨料粒徑的非線性參數(shù)θ

　　通過數(shù)值模擬和試驗研究了激勵幅值、混凝土裂紋密度與非線性參數(shù)θ的關(guān)系，利用非線性參數(shù)θ表征材料的微裂紋并得到了良好的效果。

　　安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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　　本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《混凝土非線性超聲傳播特性的理論與試驗研究》