實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器在非線性超聲傳播研究中的應(yīng)用

　　研究方向：超聲波

　　測(cè)試目的：

　　超聲波在混凝土中的傳播是一個(gè)極為復(fù)雜的非線性過(guò)程。當(dāng)超聲波穿過(guò)混凝土材料時(shí)，攜帶了大量有關(guān)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的信息。傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法雖然在混凝土的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷評(píng)價(jià)上得以廣泛應(yīng)用，但由于其基于線彈性理論而獲得的有限的首波振幅和波速測(cè)試參數(shù)，在表征混凝土初始損傷及微觀結(jié)構(gòu)的變化上受到相當(dāng)?shù)南拗疲瑢?dǎo)致其分辨率和精度明顯不足，而非線性超聲波的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了理論上的可能。鑒于目前混凝土的非線性超聲檢測(cè)理論和試驗(yàn)研究上的不足，為深入探究混凝土材料非線性超聲的產(chǎn)生機(jī)理與響應(yīng)規(guī)律，為非線性超聲測(cè)試方法提供理論基礎(chǔ)，本文采用理論分析、數(shù)值模擬、試驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)分析等手段，就混凝土非線性超聲傳播特性開展深入系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。

　　測(cè)試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、示波器、信號(hào)發(fā)生器、超聲換能器、凡士林等。

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：砂漿試樣的非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)

　　搭建非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)，混凝土非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)主要包括：信號(hào)發(fā)生器、ATA-2042高壓放大器、數(shù)字示波器和發(fā)射與接收換能器。信號(hào)發(fā)生器發(fā)射信號(hào)類型為10個(gè)周期的脈沖波。為避免超聲波在混凝土內(nèi)的傳播出現(xiàn)較強(qiáng)的衰減效應(yīng)，發(fā)射脈沖頻率不宜過(guò)高，故選用的脈沖頻率為40kHz。高壓放大器型號(hào)為ATA-2042，將輸入信號(hào)的峰值電壓放大至50~350V，輸入與輸出電阻均設(shè)置為50Ω。數(shù)字示波器的輸入阻抗為1MΩ，采樣率為2.5MS/s，滿足Nyquist-Shannon采樣定理。對(duì)128次的采集信號(hào)進(jìn)行平均處理，以減少噪聲的干擾，提高接收信號(hào)的信噪比。超聲波的發(fā)射與接收端分別采用PXR04和PXR07型接觸式平面縱波換能器。

　　換能器與砂漿試樣之間采用凡士林進(jìn)行耦合，在固定換能器前用記號(hào)筆標(biāo)記測(cè)點(diǎn)位置，以保證發(fā)射換能器與接收換能器均位于試樣的中心位置。使用紙巾擦拭砂漿試樣，避免換能器與試樣間夾雜灰塵等細(xì)顆粒，再將換能器通過(guò)松緊帶緊密纏繞并固定在標(biāo)記位置。信號(hào)分析選取時(shí)域曲線中的前7個(gè)周期的穩(wěn)定波形，通過(guò)快速傅里葉變換獲得相應(yīng)頻譜曲線，提取基波幅值A(chǔ)₁和二階諧波幅值A₂，并計(jì)算非線性參數(shù)θ。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　（1）激勵(lì)電壓與非線性參數(shù)θ的關(guān)系

　　不同測(cè)試電壓的混凝土非線性超聲參數(shù)θ如下圖所示。對(duì)于四組不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，在50~350V的激勵(lì)電壓范圍內(nèi)，非線性超聲參數(shù)θ呈波動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明其未受測(cè)試電壓的影響，該結(jié)論與完整砂漿的高次諧波試驗(yàn)結(jié)論相吻合，進(jìn)一步證明了上述測(cè)試電壓條件下，非線性超聲參數(shù)θ與測(cè)試電壓幅值無(wú)關(guān)。對(duì)于同組混凝土試樣，由不同試樣個(gè)體所獲得的非線性系數(shù)具有一定差異，裂紋的長(zhǎng)度、角度均對(duì)非線性超聲參數(shù)θ具有顯著影響，即使對(duì)于相同粗骨料粒徑的混凝土試樣，超聲傳播路徑周圍的微觀結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)性和離散性特征。

圖：不同激勵(lì)電壓條件下的非線性系數(shù)變化情況

　　（2）粗骨料粒徑與非線性參數(shù)θ的關(guān)系

　　對(duì)于不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，其非線性參數(shù)θ由50~350V電壓下的基波幅值A(chǔ)₁與二次諧波幅值A₂的線性擬合確定，擬合直線的決定系數(shù)R²如下面圖表所示。所有混凝土試樣的決定系數(shù)R²均接近于1，表明基波幅值A(chǔ)₁與二次諧波幅值A₂隨激勵(lì)電壓增加呈線性規(guī)律。以各組3個(gè)混凝土試樣的非線性參數(shù)θ平均值作為不同粗骨料粒徑混凝土的代表值，結(jié)果如下圖所示。隨著混凝土粗骨料粒徑的增大，混凝土內(nèi)的ITZ長(zhǎng)度增加，非線性參數(shù)θ顯著增加，該規(guī)律與數(shù)值模擬得到結(jié)論相合。

圖表：不同混凝土試樣的基波與二次諧波線性擬合決定系數(shù)R²

圖：不同骨料粒徑的非線性參數(shù)θ

　　通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了激勵(lì)幅值、混凝土裂紋密度與非線性參數(shù)θ的關(guān)系，利用非線性參數(shù)θ表征材料的微裂紋并得到了良好的效果。

　　安泰ATA-2042電壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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　　本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《混凝土非線性超聲傳播特性的理論與試驗(yàn)研究》

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