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  實驗名稱(cheng)：斜裂紋管(guan)道超聲導(dao)波的混沌振子檢測方法研究

  研究方向：無損檢測

  實(shi)驗原(yuan)理(li)：

  利用(yong)超聲能透(tou)入金屬(shu)材料的深處，并由一截面(mian)(mian)進入另一截面(mian)(mian)時，在界(jie)面邊緣(yuan)發生反(fan)射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當(dang)超聲波束(shu)自零件(jian)表面(mian)由探頭(tou)通至金屬(shu)內(nei)部(bu)，遇到缺陷(xian)與零件底面時就(jiu)分別發生(sheng)反射波來，在螢光(guang)屏上(shang)形成脈沖波形，根據這些脈沖(chong)波(bo)形來判斷缺陷位(wei)置和大(da)小。

  測試設備(bei)：信號發生(sheng)器、ATA-8202射頻功率放(fang)大器、壓電(dian)片、管道試件、電(dian)腦。

  實驗過程(cheng)：

圖：實驗(yan)原(yuan)理

  實驗所用不(bu)銹鋼管幾何(he)參數為50mm直徑，長3m，壁厚1mm，實驗原(yuan)理(li)如上圖(tu)所(suo)示：采用泰(tai)克任意信號發生器激勵信號，接著通(tong)過ATA-8202功率(lv)放大器進行(xing)功率(lv)放大，放大(da)后的信號接(jie)入管道左側(ce)壓電環，通過壓電逆(ni)效應產生(sheng)超聲導波，通過壓(ya)電效應由16片并聯的(de)壓(ya)電片接收(shou)信(xin)號，傳入示波器(qi)。選用Hanning窗調制的單音頻正弦信號作為(wei)檢(jian)測信號，表(biao)達式如(2.1)，其中fc為導波信(xin)號(hao)的(de)中心頻率。實驗采用(yong)10周(zhou)期(qi)激勵信(xin)號(hao)，具體(ti)如(ru)圖(tu)2.2所示(shi)。本文(wen)實(shi)驗(yan)采樣(yang)頻率設置為100M/s。

圖2.1：信號表達式

  實驗結(jie)果：

  采用人工預制裂紋，包(bao)含(han)5種裂紋角度0：0°裂紋，30°裂紋，45°裂(lie)紋，60°裂(lie)紋(wen)和90°裂(lie)紋(wen)。裂(lie)紋(wen)幾何參數為：厚(hou)05mm，寬2mm，長度為20mm。采用(yong)軟件(jian)計算實驗(yan)管和(he)其他波導結(jie)構結(jie)果一樣，在給(gei)定的頻率100kHz范圍內存在大量的模態，這導致了實驗的(de)復雜性(xing)。在略低頻段擁有較少的(de)模態(tai)，如小(xiao)于20kHz只(zhi)存(cun)在2種(zhong)模態;在略高頻段(duan)擁(yong)有(you)較多(duo)的模態，如大于50kHz存在(zai)5種模態。實(shi)驗中(zhong)，模態越(yue)少越(yue)利于檢測，但(dan)是(shi)頻率低會導(dao)致超(chao)聲導(dao)波的波長相對較長，波形易重(zhong)疊且能量小，反而(er)不利于缺陷檢測。在(zai)激勵信號時(shi)盡可能選取頻散曲線上較為(wei)平坦的頻率內的單一模態，這樣(yang)，激勵(li)信(xin)號的(de)能(neng)量(liang)會集中在(zai)一個較(jiao)窄的(de)頻(pin)帶內。因此適當(dang)的(de)頻(pin)率選(xuan)取(qu)是本文實(shi)驗(yan)的(de)重點本文選(xuan)取(qu)L(0.2)模態來進行本次實(shi)驗(yan)，此(ci)模態(tai)擁有(you)顯著的利于實(shi)際檢測的特點：傳(chuan)播速度(du)最快，較(jiao)為簡單，容(rong)易激發，且在一定頻域內不分(fen)散。

  實(shi)驗結果(guo)采用式(shi)(2.2)來(lai)計(ji)算缺陷(xian)位置(zhi)Lx

其(qi)中，L0是管道右端部與接收傳(chuan)感器之(zhi)間的長度，此處(chu)由于本實(shi)驗接(jie)收傳感器距管道(dao)左端面為30mm，因(yin)此L0=2970mm，t1，t2，t3分別為接收(shou)傳感(gan)器接收(shou)到入射波的(de)時刻，缺陷回(hui)波(bo)(bo)時刻和(he)管(guan)道(dao)端面回(hui)波(bo)(bo)時刻。以實驗(yan)所測45°裂紋為例，如(ru)圖2.4所示，從圖中可以(yi)看出，實驗信號中分(fen)別存在(zai)入(ru)射波，缺(que)陷回波(bo)和(he)端面(mian)回波(bo)。分(fen)別選取波(bo)包第(di)一點和(he)波(bo)峰位置來確定回波(bo)時刻，進而計(ji)算缺陷的位(wei)置，如表(biao)2.1所示。從(cong)表(biao)中可以(yi)得出，由波峰計算得出Lx=1446.08mm，由波包第一點計算得出的Lx=1542.10mm。真實(shi)缺陷(xian)距(ju)離接收(shou)傳感器距(ju)離為1470mm，因此通過(guo)波峰對(dui)應時(shi)刻來確定的缺陷位置(zhi)相對(dui)誤差為1.63%，而通過波包(bao)第一(yi)點位(wei)置來確定(ding)的缺(que)陷位(wei)置相對誤差為4.90%。以(yi)峰(feng)值作為特征(zheng)點引起了缺(que)陷定(ding)位(wei)誤差，出現這(zhe)種(zhong)狀況的原因可(ke)能(neng)是(shi)：1)激(ji)發信(xin)號并不(bu)是(shi)理(li)想信(xin)號，包含了多(duo)(duo)模態；2)由于頻散(san)必然導致的多(duo)(duo)模態現象。由于采用波(bo)包最高(gao)點比第一點具有(you)更好的精(jing)確度，因此選用(yong)波包峰值點作為(wei)時間起點，計算超(chao)聲(sheng)導(dao)波的傳播(bo)速度(du)。

圖：裂紋實驗信號

  安泰ATA-8202射頻功率放(fang)大器：

  圖：ATA-8202射頻功率放大器

  本文實驗素材由西安安泰電子(zi)整(zheng)理發布(bu)。公司致力于(yu)功率(lv)(lv)放大器、功率(lv)(lv)信(xin)號(hao)源、計(ji)量校準源等產品為核心的相關行業測試解決方案的研究(jiu)，為(wei)用(yong)戶提供具有競(jing)爭力(li)的測試方案，Aigtek已(yi)經成(cheng)為在業界(jie)擁(yong)有廣(guang)泛(fan)產品線，且具有相當(dang)規模的(de)儀器(qi)設備(bei)供應商，樣機都(dou)支(zhi)持免費(fei)試用。如想(xiang)了解更多功率放大器等產(chan)品，請持續關注(zhu)安泰電子(zi)官網www.aigtek.com或撥打029-88865020。