實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器在孔道灌漿非線性超聲測(cè)試中的應(yīng)用

研究方向：無損檢測(cè)

測(cè)試目的：

超聲波作為頻率高于20kHz的聲波被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)中，以超聲波作為探傷波的無損檢測(cè)法稱為超聲波無損檢測(cè)法，簡(jiǎn)稱超聲波法，該法在混凝土缺陷和損傷的檢測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。超聲波法包括線性超聲波法和非線性超聲波法。利用線性超聲法對(duì)混凝土缺陷和損傷進(jìn)行識(shí)別時(shí)主要是依據(jù)包括衰減系數(shù)、振幅、波速在內(nèi)的線性參數(shù)的不同程度的變化規(guī)律，通常情況下較大缺陷的線性參數(shù)較無缺陷時(shí)的數(shù)值變化明顯。而非線性超聲法在對(duì)混凝土缺陷和損傷進(jìn)行識(shí)別時(shí)則主要依據(jù)超聲波在入射到混凝土后產(chǎn)生的各種非線性超聲現(xiàn)象，此現(xiàn)象主要包括高階諧波、聲共振頻率漂移和混頻調(diào)幅下的旁頻等。目前已被很多研究學(xué)者證實(shí)非線性超聲法在檢測(cè)材料的微小缺陷方面的靈敏程度比常規(guī)線性超聲法更高，更容易識(shí)別。

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

圖：非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過程：

搭建非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)，信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源產(chǎn)生所需的電信號(hào)，然而此信號(hào)所蘊(yùn)含的能量較低，因此需要將電信號(hào)先通過發(fā)射超聲換能器將之轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)然后入射到混凝土試件中。聲信號(hào)在入射到混凝土試件后就會(huì)攜帶有混凝土試件內(nèi)部的損傷信息然后再被另一端的接收換能器所接收，接收換能器的作用與發(fā)射換能器的作用恰好相反，其是將接收到的攜帶有有效信息的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后此電信號(hào)被示波器所采集進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，示波器可以直觀顯示波形，方便觀察。

確定入射頻率、增益電壓等測(cè)試參數(shù)，本文的超聲試驗(yàn)將根據(jù)二階幅值是否明顯來選取最優(yōu)的發(fā)射頻率。依據(jù)以往他人測(cè)試結(jié)論，試驗(yàn)將從40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz頻率中優(yōu)選出適合不同試件尺寸的發(fā)射頻率。由于本次試驗(yàn)測(cè)試過中一階諧波幅值在五種不同的入射頻率下均可以觀察到，因此其一階諧波幅值不具有對(duì)比性，主要是二階諧波幅值是否可以明顯的觀察到并且讀取到。基本觀察不到當(dāng)入射頻率為60kHz時(shí)的二階諧波幅值；當(dāng)改變?nèi)肷漕l率為55kHz時(shí)可以觀察到需要進(jìn)行坐標(biāo)處理才能讀取具體數(shù)值的二階諧波幅值，數(shù)據(jù)處理不方便；而在將入射頻率降低到50kHz時(shí)，可以基本觀察到二階諧波幅值，但是數(shù)值顯示不明顯；因此繼續(xù)降低入射頻率為45kHz時(shí)，可以觀察到明顯的二階諧波幅值；作為嘗試又繼續(xù)將入射頻率降低為40kHz，不僅觀察到二階諧波幅值，亦觀察三階諧波幅值，而且二階諧波幅值出現(xiàn)的頻數(shù)不是很穩(wěn)定，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于三階諧波幅值的研究還沒有成熟性的結(jié)論。因此為獲得穩(wěn)定的二階諧波幅值，本次試驗(yàn)不選取入射頻率為40kHz的超聲波。

功率放大器的增益電壓的適用范圍會(huì)隨著超聲發(fā)射頻率的增大而減小，通常功率放大器可以放大接收到的信號(hào)發(fā)生器傳來的電信號(hào)，而幅值正是能量指標(biāo)的表征，據(jù)此可以推算增大增益電壓亦可增大求取相對(duì)非線性系數(shù)時(shí)所用到的一階諧波幅值和二階諧波幅值。鑒于此，下面對(duì)同配合比制備的尺寸為200*200*200mm3的立方體試件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，做出了依次增大的增益電壓下的頻譜圖，見下圖。測(cè)試過程中采用的增益電壓分別為7V、8V、9V、10V、11V。為了使觀察的圖形更加形象直觀，下圖對(duì)二階諧波幅值處的具體數(shù)值進(jìn)行了放大處理，以期得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

圖：不同增益電壓下的諧波幅值變化圖

隨著增益電壓從7V逐漸增加到11V，均會(huì)在45kHz處出現(xiàn)一階諧波幅值和在90kHz處出現(xiàn)二階諧波幅值，頻率不會(huì)發(fā)生改變；從兩幅圖中均可以觀察到，隨著增益電壓的不斷增加，一階諧波幅值和二階諧波幅值都不斷增大。因此可以通過不斷增加增益電壓而獲取不同的一階和二階諧波幅值，借此來擬合求非線性系數(shù)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此方法的可行性，下面對(duì)于入射頻率為45kH的不同增益電壓下一階和二階諧波幅值進(jìn)行擬合，如下圖所示。

圖：輸入頻率為45kHz的基波幅值與二階幅值擬合圖

由上圖可知，基波幅值的平方與二階諧波幅值在45kHz的入射頻率下經(jīng)不同的增益電壓后所擬合處的相對(duì)非線性系數(shù)形狀較好，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.923，因此采用此種方法可以獲得較為準(zhǔn)確的相對(duì)非線性系數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）基于同配合比制備的尺寸為200*200*200mm3的立方體試件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土梁試件的非線性超聲測(cè)試時(shí)可將超聲波的入射頻率確定為45kHz，波形選取為正弦波；

（2）采用利用不斷增加增益電壓所獲得的一階諧波幅值和二階諧波幅值，然后將二者通過最小二乘法進(jìn)行擬合進(jìn)一步求取的相對(duì)非線性系數(shù)值的方法是可行的，并且線性相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9以上。

安泰ATA-2042高壓放大器：

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《預(yù)應(yīng)力混凝土梁孔道灌漿非線性超聲檢測(cè)試驗(yàn)研究》