声发射信号在导波杆中传播的放大规律实验研究

　　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[1]。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[2-4]。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[5]。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[6]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→0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[7]。

　　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[8],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。