声发射信号在导波杆中传播的放大规律实验研究

摘要：根据弹性动力学理论关于弹性波经过变截面杆其位移透射系数增加的原理，设计一系列杆底部为阶梯形或圆锥形接头的新型导波杆，通过实验证明，与普通导波杆相比，其可以起到放大声发射信号而不改变其类型的作用，为后续波形分析提供方便，提高检测精度。实验还证明：导波杆的放大系数与杆的大小面积比值有关，小端面面积一定时，增加大端面面积，将使阶梯杆和圆锥杆放大系数都增加；大小端面面积相同的圆锥杆和锥度大的圆锥杆放大系数大。考虑实际金属，除了弹性外还有粘性和塑性，内部还有杂质和缺陷，会引起能量的衰减和频散效应，建议实际检测中选用大小面积比比值大的，并且锥度大的圆锥形导波杆，同时选择均匀和弹性好的材料，以得到清晰的信号波形。
关键词：声发射；圆锥；波导杆；放大信号

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。目前广泛应用于航空航天、石油化工、材料实验、交通运输等工业。对于传感器不能直接安放在被检测对象上的情况，需要用导波杆进行辅助检测。在美国，检测人员已将波导杆用于原子能压力容器在线监测和可靠性评价，得到良好的效果。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。