實驗名稱：電壓放大器在混凝土超聲波傳播衰減研究中的應用

研究方向：超聲檢測

測試目的：

超聲檢測技術是生物醫學工程（BME）及工業無損檢測（NDT）領域常用的檢測技術，可在不侵入被測物體的情況下實現隱伏病灶、缺陷的檢測。國內外學者已在超聲成像算法領域進行了富有成效的研究，開發了如超聲層析成像（CT）、相控陣聚焦、合成孔徑聚焦（SAFT）、復合平面波成像等成像算法。然而在混凝土超聲無損檢測領域，超聲算法的應用面臨著一些特別的問題，如超聲換能器與混凝土粗糙表面的耦合問題、混凝土中可透過聲波的頻率上限問題、混凝土內的聲波散射問題、混凝土內聲束指向性問題等。這些問題的特殊性均是源自混凝土材料的異質性和混凝土結構的大尺度。BME超聲檢測的對象是生物組織，生物組織對聲波的散射作用遠不及混凝土骨料嚴重，所探測區域的深度僅在十數厘米，因此可使用數兆赫茲的高頻聲波，成像分辨率在毫米級。傳統工業NDT中的超聲檢測的對象多為金屬，除多晶金屬外，一般的金屬介質對聲波的散射作用也遠小于混凝土介質。目前，關于混凝土材料特性對超聲無損檢測技術應用的影響的研究還較少，基于上述問題，本文針對混凝土材料中超聲傳播的衰減行為和超聲信號的統計隨機性進行了研究。

測試設備：ATA-2041電壓放大器、任意波形發生器、數據采集系統、筆記本電腦。

圖：實驗儀器實物圖

實驗過程：

所有換能器均由400Vpp的電壓驅動，并以2MHz的速率進行采樣。換能器SA1~SA21可分為三條路徑，SA1~SA7為路徑1，SA8~SA14為路徑2，SA15~SA21為路徑3。換能器陣列中每個換能器按順序激勵，同時同一路徑中的其他換能器用來接收超聲信號，例如在路徑1中，當SA1作為激勵源發射超聲脈沖，SA2~SA7即作為接受傳感器接收超聲信號。

實驗所使用的超聲脈沖信號可根據公式進行計算，中心頻率f取為50kHz，70kHz，90kHz，110kHz，140kHz五個值。對于每個頻率點，SA1~SA21依次被激勵，每次激勵采集8通道數據，包括1個用于采集激勵信號的通道，1個用于采集噪聲的通道和6個用于采集介質中傳播的超聲信號的通道。最終形成的數據文件還要加上一個時間序列，所以每次激勵的數據文件包含9個數據列，每個數據列的數據量為8萬個采樣點（2MHz采樣頻率對應的采樣時間為40ms），且每一次激勵均需重復20次以降低噪聲。因此，假設每個采樣點所占存儲空間為8bit，則每個激勵頻率對應的總數據量應為21×20×9×8×104×8bit=2.5×109bit，換算成Mbyte（Mb）即為302.8Mb。這一數據量是可以用NI-6366數據采集系統和配套的Labview軟件輕松處理的。

由于每條傳播路徑上均布有7個換能器，且相鄰兩個換能器的縱向間距為200mm，因此在每個激勵頻率下可以測得距離激勵源200mm，400mm，600mm，800mm，1000mm，1200mm六個位置處的超聲信號（每個位置處的信號數量不同，200mm處的信號數量最多，1200mm處的信號數量最少），共計30組頻率—位置組合，基于這30組數據可以對同一激勵頻率不同傳播距離，以及同一傳播距離不同激勵頻率的信號進行統計分析，從而得到超聲波在混凝土中傳播的衰減及隨機特性。

實驗結果：

1、衰減基準

圖：混凝土中兩個面對面換能器測得的脈沖響應（a）~（e）為時域信號，（f）~（j）為頻域信號

SA21和SA22為埋入混凝土中一對緊貼的換能器，其力學邊界條件和其他換能器應是相近的，因此將SA21激勵，SA22接收的信號作為衰減計算的基準。考慮到不同頻率下SA的脈沖響應并不相同，根據波形和頻率下的換能器響應，測量結果見上圖。可以看到，接收信號在時域扭曲、變形，在頻域搬移、擴展，這是換能器內部聲波的多次反射、PZT片的機電特性以及換能器材料的慣性造成的。

2、超聲衰減測量結果

圖：混凝土中超聲衰減率系數（a）和傳播距離的關系（b）和頻率的關系

衰減系數隨著聲波傳播距離的增加而增大，如上圖第一組的(a)，這是符合物理事實的，即聲波傳播的越遠，聲壓、聲能衰減越多。而衰減系數及衰減率系數均與頻率呈二次多項式趨勢，并且在所測頻率范圍內存在局部最小衰減及衰減率，局部最小值對應的頻率在100kHz左右，如上圖兩組的(b)，這種趨勢主要是由材料衰減引起的。在第二組(a)中，衰減率隨傳播距離的增加而減小，這種趨勢主要是由擴散衰減引起的。

擴散衰減率與衰減距離有關，且對于混凝土材料中衰減距離小于800mm的測試點位，擴散衰減率占總衰減率的50%以上。因此，若要使用衰減率系數作為評價材料性能的指標，應考慮總衰減率中擴散衰減率的影響，并采用與衰減距離無關的材料衰減來表征材料特性。

安泰ATA-2041電壓放大器：

圖：ATA-2041電壓放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。

本文實驗案例參考自知網論文《混凝土中超聲波傳播的衰減及隨機特性研究》

審核編輯黃宇