實驗名稱：高壓放大器在非線性超聲傳播研究中的應用

研究方向：超聲波

測試目的：

超聲波在混凝土中的傳播是一個極為復雜的非線性過程。當超聲波穿過混凝土材料時，攜帶了大量有關混凝土內部結構和構造的信息。傳統的超聲波檢測方法雖然在混凝土的質量和內部缺陷評價上得以廣泛應用，但由于其基于線彈性理論而獲得的有限的首波振幅和波速測試參數，在表征混凝土初始損傷及微觀結構的變化上受到相當的限制，導致其分辨率和精度明顯不足，而非線性超聲波的發展為解決這一問題提供了理論上的可能。鑒于目前混凝土的非線性超聲檢測理論和試驗研究上的不足，為深入探究混凝土材料非線性超聲的產生機理與響應規律，為非線性超聲測試方法提供理論基礎，本文采用理論分析、數值模擬、試驗測試和信號分析等手段，就混凝土非線性超聲傳播特性開展深入系統的理論和試驗研究。

測試設備：ATA-2042高壓放大器、示波器、信號發生器、超聲換能器、凡士林等。

實驗過程：

圖：砂漿試樣的非線性超聲測試系統

搭建非線性超聲測試系統，混凝土非線性超聲測試系統主要包括：信號發生器、ATA-2042高壓放大器、數字示波器和發射與接收換能器。信號發生器發射信號類型為10個周期的脈沖波。為避免超聲波在混凝土內的傳播出現較強的衰減效應，發射脈沖頻率不宜過高，故選用的脈沖頻率為40kHz。高壓放大器型號為ATA-2042，將輸入信號的峰值電壓放大至50~350V，輸入與輸出電阻均設置為50Ω。數字示波器的輸入阻抗為1MΩ，采樣率為2.5MS/s，滿足Nyquist-Shannon采樣定理。對128次的采集信號進行平均處理，以減少噪聲的干擾，提高接收信號的信噪比。超聲波的發射與接收端分別采用PXR04和PXR07型接觸式平面縱波換能器。

換能器與砂漿試樣之間采用凡士林進行耦合，在固定換能器前用記號筆標記測點位置，以保證發射換能器與接收換能器均位于試樣的中心位置。使用紙巾擦拭砂漿試樣，避免換能器與試樣間夾雜灰塵等細顆粒，再將換能器通過松緊帶緊密纏繞并固定在標記位置。信號分析選取時域曲線中的前7個周期的穩定波形，通過快速傅里葉變換獲得相應頻譜曲線，提取基波幅值A1和二階諧波幅值A2，并計算非線性參數θ。

實驗結果：

（1）激勵電壓與非線性參數θ的關系

不同測試電壓的混凝土非線性超聲參數θ如下圖所示。對于四組不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，在50~350V的激勵電壓范圍內，非線性超聲參數θ呈波動狀態，說明其未受測試電壓的影響，該結論與完整砂漿的高次諧波試驗結論相吻合，進一步證明了上述測試電壓條件下，非線性超聲參數θ與測試電壓幅值無關。對于同組混凝土試樣，由不同試樣個體所獲得的非線性系數具有一定差異，裂紋的長度、角度均對非線性超聲參數θ具有顯著影響，即使對于相同粗骨料粒徑的混凝土試樣，超聲傳播路徑周圍的微觀結構具有隨機性和離散性特征。

圖：不同激勵電壓條件下的非線性系數變化情況

（2）粗骨料粒徑與非線性參數θ的關系

對于不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，其非線性參數θ由50~350V電壓下的基波幅值A1與二次諧波幅值A2的線性擬合確定，擬合直線的決定系數R2如下面圖表所示。所有混凝土試樣的決定系數R2均接近于1，表明基波幅值A1與二次諧波幅值A2隨激勵電壓增加呈線性規律。以各組3個混凝土試樣的非線性參數θ平均值作為不同粗骨料粒徑混凝土的代表值，結果如下圖所示。隨著混凝土粗骨料粒徑的增大，混凝土內的ITZ長度增加，非線性參數θ顯著增加，該規律與數值模擬得到結論相合。

圖表：不同混凝土試樣的基波與二次諧波線性擬合決定系數R2

圖：不同骨料粒徑的非線性參數θ

通過數值模擬和試驗研究了激勵幅值、混凝土裂紋密度與非線性參數θ的關系，利用非線性參數θ表征材料的微裂紋并得到了良好的效果。

安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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審核編輯：湯梓紅