實(shí)驗(yàn)名稱：斜裂紋管道超聲導(dǎo)波的混沌振子檢測(cè)方法研究

研究方向：無(wú)損檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)原理：

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

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器、壓電片、管道試件、電腦。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)所用不銹鋼管幾何參數(shù)為50mm直徑，長(zhǎng)3m，壁厚1mm，實(shí)驗(yàn)原理如上圖所示：采用泰克任意信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)信號(hào)，接著通過(guò)ATA-8202功率放大器進(jìn)行功率放大，放大后的信號(hào)接入管道左側(cè)壓電環(huán)，通過(guò)壓電逆效應(yīng)產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，通過(guò)壓電效應(yīng)由16片并聯(lián)的壓電片接收信號(hào)，傳入示波器。選用Hanning窗調(diào)制的單音頻正弦信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，表達(dá)式如(2.1)，其中fc為導(dǎo)波信號(hào)的中心頻率。實(shí)驗(yàn)采用10周期激勵(lì)信號(hào)，具體如圖2.2所示。本文實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)置為100M/s。

圖2.1：信號(hào)表達(dá)式

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

采用人工預(yù)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(shù)為：厚05mm，寬2mm，長(zhǎng)度為20mm。采用軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)管和其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)果一樣，在給定的頻率100kHz范圍內(nèi)存在大量的模態(tài)，這導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。在略低頻段擁有較少的模態(tài)，如小于20kHz只存在2種模態(tài);在略高頻段擁有較多的模態(tài)，如大于50kHz存在5種模態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，模態(tài)越少越利于檢測(cè)，但是頻率低會(huì)導(dǎo)致超聲導(dǎo)波的波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，波形易重疊且能量小，反而不利于缺陷檢測(cè)。在激勵(lì)信號(hào)時(shí)盡可能選取頻散曲線上較為平坦的頻率內(nèi)的單一模態(tài)，這樣，激勵(lì)信號(hào)的能量會(huì)集中在一個(gè)較窄的頻帶內(nèi)。因此適當(dāng)?shù)念l率選取是本文實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)本文選取L(0.2)模態(tài)來(lái)進(jìn)行本次實(shí)驗(yàn)，此模態(tài)擁有顯著的利于實(shí)際檢測(cè)的特點(diǎn)：傳播速度最快，較為簡(jiǎn)單，容易激發(fā)，且在一定頻域內(nèi)不分散。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用式(2.2)來(lái)計(jì)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(zhǎng)度，此處由于本實(shí)驗(yàn)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(shí)刻，缺陷回波時(shí)刻和管道端面回波時(shí)刻。以實(shí)驗(yàn)所測(cè)45°裂紋為例，如圖2.4所示，從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)信號(hào)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(diǎn)和波峰位置來(lái)確定回波時(shí)刻，進(jìn)而計(jì)算缺陷的位置，如表2.1所示。從表中可以得出，由波峰計(jì)算得出Lx=1446.08mm，由波包第一點(diǎn)計(jì)算得出的Lx=1542.10mm。真實(shí)缺陷距離接收傳感器距離為1470mm，因此通過(guò)波峰對(duì)應(yīng)時(shí)刻來(lái)確定的缺陷位置相對(duì)誤差為1.63%，而通過(guò)波包第一點(diǎn)位置來(lái)確定的缺陷位置相對(duì)誤差為4.90%。以峰值作為特征點(diǎn)引起了缺陷定位誤差，出現(xiàn)這種狀況的原因可能是：1)激發(fā)信號(hào)并不是理想信號(hào)，包含了多模態(tài)；2)由于頻散必然導(dǎo)致的多模態(tài)現(xiàn)象。由于采用波包最高點(diǎn)比第一點(diǎn)具有更好的精確度，因此選用波包峰值點(diǎn)作為時(shí)間起點(diǎn)，計(jì)算超聲導(dǎo)波的傳播速度。

圖：裂紋實(shí)驗(yàn)信號(hào)

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

圖：ATA-8202射頻功率放大器

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。

審核編輯黃宇