實驗名稱：斜裂紋管道超聲導波的混沌振子檢測方法研究

研究方向：無損檢測

實驗原理：

利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器、壓電片、管道試件、電腦。

實驗過程：

圖：實驗原理

實驗所用不銹鋼管幾何參數為50mm直徑，長3m，壁厚1mm，實驗原理如上圖所示：采用泰克任意信號發生器激勵信號，接著通過ATA-8202功率放大器進行功率放大，放大后的信號接入管道左側壓電環，通過壓電逆效應產生超聲導波，通過壓電效應由16片并聯的壓電片接收信號，傳入示波器。選用Hanning窗調制的單音頻正弦信號作為檢測信號，表達式如(2.1)，其中fc為導波信號的中心頻率。實驗采用10周期激勵信號，具體如圖2.2所示。本文實驗采樣頻率設置為100M/s。

圖2.1：信號表達式

實驗結果：

采用人工預制裂紋，包含5種裂紋角度0：0°裂紋，30°裂紋，45°裂紋，60°裂紋和90°裂紋。裂紋幾何參數為：厚05mm，寬2mm，長度為20mm。采用軟件計算實驗管和其他波導結構結果一樣，在給定的頻率100kHz范圍內存在大量的模態，這導致了實驗的復雜性。在略低頻段擁有較少的模態，如小于20kHz只存在2種模態;在略高頻段擁有較多的模態，如大于50kHz存在5種模態。實驗中，模態越少越利于檢測，但是頻率低會導致超聲導波的波長相對較長，波形易重疊且能量小，反而不利于缺陷檢測。在激勵信號時盡可能選取頻散曲線上較為平坦的頻率內的單一模態，這樣，激勵信號的能量會集中在一個較窄的頻帶內。因此適當的頻率選取是本文實驗的重點本文選取L(0.2)模態來進行本次實驗，此模態擁有顯著的利于實際檢測的特點：傳播速度最快，較為簡單，容易激發，且在一定頻域內不分散。

實驗結果采用式(2.2)來計算缺陷位置Lx

其中，L0是管道右端部與接收傳感器之間的長度，此處由于本實驗接收傳感器距管道左端面為30mm，因此L0=2970mm，t1，t2，t3分別為接收傳感器接收到入射波的時刻，缺陷回波時刻和管道端面回波時刻。以實驗所測45°裂紋為例，如圖2.4所示，從圖中可以看出，實驗信號中分別存在入射波，缺陷回波和端面回波。分別選取波包第一點和波峰位置來確定回波時刻，進而計算缺陷的位置，如表2.1所示。從表中可以得出，由波峰計算得出Lx=1446.08mm，由波包第一點計算得出的Lx=1542.10mm。真實缺陷距離接收傳感器距離為1470mm，因此通過波峰對應時刻來確定的缺陷位置相對誤差為1.63%，而通過波包第一點位置來確定的缺陷位置相對誤差為4.90%。以峰值作為特征點引起了缺陷定位誤差，出現這種狀況的原因可能是：1)激發信號并不是理想信號，包含了多模態；2)由于頻散必然導致的多模態現象。由于采用波包最高點比第一點具有更好的精確度，因此選用波包峰值點作為時間起點，計算超聲導波的傳播速度。

圖：裂紋實驗信號

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。

審核編輯黃宇