高压放大器在非线性超声传播研究中的应用

　　实验名称：高压放大器在非线性超声传播研究中的应用

　　研究方向：超声波

　　测试目的：

　　超声波在混凝土中的传播是一个极为复杂的非线性过程。当超声波穿过混凝土材料时，携带了大量有关混凝土内部结构和构造的信息。传统的超声波检测方法虽然在混凝土的质量和内部缺陷评价上得以广泛应用，但由于其基于线弹性理论而获得的有限的首波振幅和波速测试参数，在表征混凝土初始损伤及微观结构的变化上受到相当的限制，导致其分辨率和精度明显不足，而非线性超声波的发展为解决这一问题提供了理论上的可能。鉴于目前混凝土的非线性超声检测理论和试验研究上的不足，为深入探究混凝土材料非线性超声的产生机理与响应规律，为非线性超声测试方法提供理论基础，本文采用理论分析、数值模拟、试验测试和信号分析等手段，就混凝土非线性超声传播特性开展深入系统的理论和试验研究。

　　测试设备：ATA-2042高压放大器、示波器、信号发生器、超声换能器、凡士林等。

　　实验过程：

图：砂浆试样的非线性超声测试系统

　　搭建非线性超声测试系统，混凝土非线性超声测试系统主要包括：信号发生器、ATA-2042高压放大器、数字示波器和发射与接收换能器。信号发生器发射信号类型为10个周期的脉冲波。为避免超声波在混凝土内的传播出现较强的衰减效应，发射脉冲频率不宜过高，故选用的脉冲频率为40kHz。高压放大器型号为ATA-2042，将输入信号的峰值电压放大至50~350V，输入与输出电阻均设置为50Ω。数字示波器的输入阻抗为1MΩ，采样率为2.5MS/s，满足Nyquist-Shannon采样定理。对128次的采集信号进行平均处理，以减少噪声的干扰，提高接收信号的信噪比。超声波的发射与接收端分别采用PXR04和PXR07型接触式平面纵波换能器。

　　换能器与砂浆试样之间采用凡士林进行耦合，在固定换能器前用记号笔标记测点位置，以保证发射换能器与接收换能器均位于试样的中心位置。使用纸巾擦拭砂浆试样，避免换能器与试样间夹杂灰尘等细颗粒，再将换能器通过松紧带紧密缠绕并固定在标记位置。信号分析选取时域曲线中的前7个周期的稳定波形，通过快速傅里叶变换获得相应频谱曲线，提取基波幅值A1和二阶谐波幅值A2，并计算非线性参数θ。

　　实验结果：

　　（1）激励电压与非线性参数θ的关系

　　不同测试电压的混凝土非线性超声参数θ如下图所示。对于四组不同粗骨料粒径的混凝土试样，在50~350V的激励电压范围内，非线性超声参数θ呈波动状态，说明其未受测试电压的影响，该结论与完整砂浆的高次谐波试验结论相吻合，进一步证明了上述测试电压条件下，非线性超声参数θ与测试电压幅值无关。对于同组混凝土试样，由不同试样个体所获得的非线性系数具有一定差异，裂纹的长度、角度均对非线性超声参数θ具有显著影响，即使对于相同粗骨料粒径的混凝土试样，超声传播路径周围的微观结构具有随机性和离散性特征。

图：不同激励电压条件下的非线性系数变化情况

　　（2）粗骨料粒径与非线性参数θ的关系

　　对于不同粗骨料粒径的混凝土试样，其非线性参数θ由50~350V电压下的基波幅值A1与二次谐波幅值A2的线性拟合确定，拟合直线的决定系数R2如下面图表所示。所有混凝土试样的决定系数R2均接近于1，表明基波幅值A1与二次谐波幅值A2随激励电压增加呈线性规律。以各组3个混凝土试样的非线性参数θ平均值作为不同粗骨料粒径混凝土的代表值，结果如下图所示。随着混凝土粗骨料粒径的增大，混凝土内的ITZ长度增加，非线性参数θ显著增加，该规律与数值模拟得到结论相合。

图表：不同混凝土试样的基波与二次谐波线性拟合决定系数R2

图：不同骨料粒径的非线性参数θ

　　通过数值模拟和试验研究了激励幅值、混凝土裂纹密度与非线性参数θ的关系，利用非线性参数θ表征材料的微裂纹并得到了良好的效果。

　　安泰ATA-2042高压放大器：

图：ATA-2042高压放大器指标参数

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　　本文实验案例参考自知网论文《混凝土非线性超声传播特性的理论与试验研究》