圆形波导杆中两种情况下声信号的传播特性

    在高、低温环境下进行声发射检测或者材料的声发射特性实验研究中,随着实验温度的升高或降低,传感器无法直接与试样连接,只能通过辅助配件与试样连接而接受声信号,如采用波导杆。如何选择合适的波导杆,确保声发射检测结果的可靠性,以及声信号经过波导杆传递后幅值、能量、频谱、波形等参数的变化情况,一直是声发射检测工作中比较关注的问题。文献[1]在圆形波导杆的端面上进行了断铅信号实验,研究波导杆直径和长度对声信号特征参数的影响,得出了声信号经波导杆传递后幅值变化较小以及在波导杆端面会产生波形转换的结论;文献[2]得出了在实际应用中波导杆对声信号的计数和幅值影响较小、在实际检测中应重点关注计数和幅值参数以及由于声速在波导杆和被测工件中的不同而影响定位精度的结论。对波导杆长度对声信号特征参数的影响、在波导杆表面上产生的声信号沿波导杆的传播特性、波导杆长度及直径变化对声信号频谱特征的影响、实际应用中声信号在波导杆的传播形式以及在波导杆端面和表面上产生的声信号经传播后信号特征参数的差异等问题鲜有文献研究。为此,本文选择了7种规格的波导杆,在长度依次为3.2、2.5、2.0、1.5、1.0 m的波导杆端面圆上和圆周表面上进行断铅信号实验工作,对70多组实验据进行分析,阐述了波导杆直径和长度变化对声信号特征参数的影响、波导杆表面上产生的声信号的传播参数特性,对比了波导杆端面上和表面上产生的声信号经传播后信号的特征参数的变化;同时,在对接焊钢管上进行断铅声信号实验,采取了传感器直接耦合在工件上和通过波导杆接受断铅信号的两种方式,研究了实际应用中声信号在波导杆上的传递方式。

    1 声信号在波导杆中的传播

    在波导杆研究实验中,选用的波导杆长度L与直径d的比值远大于10,同时还需满足:材料均匀而且各向同性,服从虎克定律;在波导杆一端施加的信号产生的振动位移很小,由其激发的位移是线性弹性;在纵向振动时,波导杆的端面保持为平面,应力均匀分布在每一个截面上。因此,波导杆可以认为是一个有限长的细杆,满足纵波在细杆中的传播方程[3]。

    波在细杆的传播过程中,波能的一部分将通过内摩擦、热传及散射等物理过程转化为热能,因此波在传播中其强度和振幅都将逐渐减小。波沿x轴传播一段距离后,平面波的振幅、强度衰减[4]。

    波在传播过程中,振动状态由近及远地向前推进,能量也随之不断地向前传播。随着波导杆长度的变化,波的传播能量也发生变化。波在介质中传播时,通过垂直于波传播方向截面dS时波的能流[4]: