声发射信号在导波杆中传播的放大规律实验

2011-04-14 14:27:44来源: 互联网

0 引言

声发射(AE)是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象,也称为弹性波发射。声发射检测是无损检测和评估中的一种重要方法,具有动态评估和实时诊断性。大庆石油学院李善春博士通过研究不同长度和不同截面积的导波杆,得出杆长度和面积对声发射信号的影响,将其用于石油管道和水管泄漏检测。本文在以上研究的基础上,通过理论分析和实验相结合方法,设计出一种能放大信号的波导杆,使波导杆的应用范围更广泛。

1 弹性波经过杆截面突变的传播

当声发射弹性波沿金属杆传播时,在杆截面面积发生突变处,会发生波的透射和反射作用。设声发射弹性波从大截面杆传播到小截面杆,其位移投射系数为:

式中:S1为杆大截面面积;S2为杆小截面面积;uI为入射波位移;uT为透射波位移。令α=S2/S1,则M=2/(1+α)。由上式可知,当S2一定时,增加S1则位移透射系数M增加。但当S2/S1→O时,uT/uI→2,所以弹性波每经过一个截面积间断杆时,单级放大倍数的极限为2。圆锥形杆可以近似看做由一系列面积发生强间断的阶梯杆所组成。弹性波在其传播也会增加位移透射系数。

声发射弹性波经过变截面杆透射后位移增大,质点间的振幅增加,所以质点间弹力增加,利用压电传感器把力信号转换为电信号原理,其电信号也增加,起到放大声发射信号的效果。

2 实验方案与步骤

为了研究不同结构形状的导波杆对声发射信号的放大情况,采集经过不同结构的导波杆信号,利用能量、最大振幅二个参数研究其放大规律。所以设计了一系列不同结构的杆来研究其放大规律。如图1所示,(a)为阶梯形杆,(b)为圆锥形杆,尺寸见表1。

采集系统:声华科技公司SR150声发射传感器,自带前置放大器(放大倍数为40 dB);成都中科动态仪器公司PCI4721数据采集卡;上位机PC。

试验步骤如下:

(1)利用0.5 mm HB铅笔芯折断作为声源进行传感器标定。

(2)把传感器1放在铁板(500 mm×500 mm×4 mm)表面,传感器2安放在导波杆上面,且布置在同一圆周上(圆周半径R=200 mm),传感器与铁板及杆之间使用凡士林耦合。在两传感器分布圆圆心处断铅,采集信号,每组杆采集20次断铅信号。

(3)换不同的杆重复步骤(2),记传感器同时在导波杆1和铁板采集信号为第一组,传感器同时在导波杆2和铁板采集信号为第二组,依次类推至第七组。

3 结果与分析

采集到的信号经过小波去噪处理后,处理结果见表2(比值为传感器安放在导波杆的信号与安放铁板信号之比)。

由第一组和第二组数据分析,对面积比α=0.46阶梯杆1和面积比α=0.65阶梯杆2,随着面积比α的增加,最大振幅比和能量比都减小,符合位移透射系数M=2/(1+α)随α增加而减小的性质。对圆锥杆3~6,其大小端面积相同,α为定值,由第三组至第六组数据可知,随着锥度的减小,其最大振幅比和能量比都减小。其原因在于这里的假设是完全弹性体,没有能量的损失,而实际金属介质并非完全弹性体,除了弹性外还有粘性和塑形,内部还有少量杂质和缺陷,这些都会引起能量的损耗。设单位体积的能量损耗一定,对圆锥杆而言,锥度愈小,其体积愈大,波在其传播时,损耗也愈大。这就解释了相同面积比,不同锥度的圆锥杆对信号的放大情况不同。从第一、三、四组数据可以看出,相同面积比的阶梯杆1和圆锥杆3,4,圆锥杆的最大振幅比和能量比都比阶梯杆1的大些。比较第三组和第七组数据,杆3和杆7为相同的高度和小端面积,但杆3的大端面积比杆7大,其最大振幅和能量比也比杆7大。

4 结论

(1)位移透射系数M=2/(1+α)只对完全弹性体适合,实际应用中,M除了与α有关外,还与杆的具体结构和杆的物理性质等有关,需要实验去修正M。

(2)阶梯形杆的放大比与其面积比有关,固定小端面积,当大端面积增加时,放大比增加,但并非线性关系。

(3)当圆锥形波导杆的大小端面面积一定时,锥度越大,能量、最大振幅值越大,反之越小。

(4)当圆锥形杆的高度和小端面积固定时,大端面积越大,放大倍数也越大。

由此可知,圆锥形波导杆在声发射检测中,可以起到导波与放大信号作用,使得波形更清晰,有利于准确检测,提高分析精度,使导波杆应用更广泛。

关键字:信号  放大  规律  实验

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0414/article_6926.html
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