實驗名稱：基于非線性超聲波法的混凝土碳化無損檢測技術研究

實驗目的：文章提出并實現了一種用于混凝土無損檢測的非線性超聲技術。該方法的原理是利用PZT傳感器檢測脈沖傳播過程中的二次諧波。根據碳化過程中的混凝土密實度變化，引起超聲波穿透混凝土過程中非線性超聲波參數改變的特性。通過FFT變換獲得二次諧波非線性參數，評估混凝土碳化狀況。實驗結果表明，在混凝土碳化過程中，所測得的非線性參數變化明顯。因此，基于非線性超聲波特性的檢測技術，檢測混凝土碳化是可行的。

測試設備：電壓放大器、數字示波器等。

實驗過程：

根據配合比澆筑100mm×100mm×100mm的立方體試樣，用于對比超聲波入射頻率對非線性參數的影響。將試樣養護28d后，進行快速碳化實驗。利用任意波形發生器激發3個周期長的脈沖波電信號并輸出至電壓功率放大器中，由功率放大器將該電信號峰值電壓放大為56V。放大后的電信號激勵介質（試樣）發射端的PZT壓電瓷片，使PZT壓電瓷片經“逆壓電效應”后發出超聲波。試樣封裝示意圖如圖1所示。

圖1：混凝土試樣封裝示意圖

介質（試樣）接收端的PZT壓電瓷片接收超聲波信號，經PZT壓電瓷片的“直接壓電效應”后，機械超聲波信號變為電信號，放大46db并傳入數字示波器中。對于3個試樣分別采用入射頻率為50kHz、75kHz、100kHz，幅值為10Vpp的3個周期長的脈沖信號，在平均模式下進行256平均采集，數據結果取平均值。將數據錄入計算機并通過FFT轉換成頻域圖，獲得基波（A1）和二次諧波（A2）的幅值，計算得到相對非線性參數βr，探究非線性參數隨著碳化時間的變化規律。

實驗結果：

圖2顯示了非線性參數的變化情況。隨著碳化天數的不斷增加，首波幅值A1也在不斷增加，二次諧波幅值A2在不斷減小，所得的非線性參數相應的也在不斷減小。當脈沖超聲波的非線性參數的入射頻率為75kHz時，其非線性參數值高于入射頻率為50kHz與100kHz時。但入射頻率為75kHz前后非線性參數的變化程度相對于入射頻率為50kHz與100kHz的非線性參數要小。這可能是由于入射頻率為50kHz，超聲波產生了嚴重的散射與衰減；當超聲波入射頻率為100kHz時，超聲波衰減太快，二次諧波幅值迅速下降。

圖2：試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時間變化的非線性參數值

圖3顯示了使用50kHz、75kHz、100kHz為入射頻率的脈沖超聲波在碳化進程中的非線性參數的變化程度。入射頻率為50kHz時，非線性參數的最大變化為89.4%；入射頻率為75kHz時，非線性參數的最大變化為67.1%；入射頻率為100kHz時，非線性參數的最大變化為95.2%。超聲波入射頻率為50kHz與100kHz時的非線性參數敏感程度高于入射頻率為75kHz時。

圖3：試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時間改變的非線性參數前后變化

由于入射頻率為75kHz時的非線性參數值最大，非線性參數衰減相對于入射頻率為50kHz與100kHz時要小，可以選擇入射頻率75kHz為基頻測量非線性超聲波參數。結果表明，在混凝土碳化過程中，所測得的非線性參數變化明顯。因此，基于非線性超聲波特性的檢測技術，檢測混凝土碳化是可行的。

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審核編輯 黃宇