實(shí)驗(yàn)名稱：電壓放大器在非共線混頻方法檢測(cè)混凝土中的應(yīng)用

研究方向：無損檢測(cè)

測(cè)試目的：

無損檢測(cè)是在不損傷或不干擾待測(cè)物體的結(jié)構(gòu)材料的情況下，對(duì)其內(nèi)部損傷進(jìn)行探測(cè)的方法。傳統(tǒng)無損檢測(cè)法在儀器攜帶，操作程序，檢測(cè)精度，損傷定位等方面有諸多不足和局限性，基于這些情況，提出了非線性超聲混頻檢測(cè)方法。當(dāng)兩列入射基頻超聲波滿足特定的條件后，在具有非線性源介質(zhì)傳播過程中相遇將發(fā)生諧振效應(yīng)，產(chǎn)生第三列超聲波，即混頻波，該波包含著傳播介質(zhì)材料損傷的相關(guān)參數(shù)信息。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了非線性超聲非共線混頻法的研究進(jìn)展。根據(jù)兩列入射基頻超聲波的方向是否共線平行，可將非線性超聲混頻檢測(cè)法劃分成非共線混頻檢測(cè)法和共線混頻檢測(cè)法兩類。其中的非共線混頻檢測(cè)技術(shù)具有頻率可選、空間選擇、方向可控等明顯優(yōu)勢(shì)，除了對(duì)微損傷敏感度高之外，還可通過分開激勵(lì)兩列入射聲波，采用相位反轉(zhuǎn)法，有效排除非線性源的影響，因此有巨大的研究潛力。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、發(fā)射換能器、有機(jī)玻璃楔塊組等。

圖：非共線混頻測(cè)試裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程：

在完整混凝土非共線混頻試驗(yàn)中，需要先制備混凝土試樣，然后使用信號(hào)發(fā)生器，高壓放大器ATA-2042，示波器來搭建完整混凝土非共線混頻測(cè)試裝置，接著通過計(jì)算得到一組有機(jī)玻璃楔塊角度52度和71度之后，聯(lián)系相關(guān)廠家定制得到有機(jī)玻璃楔塊組。楔塊組與混凝土試樣以及超聲波換能器兩兩之間使用超聲耦合劑凡士林粘接。

圖：非共線混頻測(cè)試裝置示意圖

確定基頻波頻率比d為0.83，PXR04換能器設(shè)置接近最優(yōu)激勵(lì)參數(shù)40kHz，PXR07換能器設(shè)置激勵(lì)參數(shù)為48kHz，激勵(lì)幅值皆為150V，示波器采樣率設(shè)為5MSa/s。由于試驗(yàn)儀器的限制，信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)波形采用的是雙通道正弦波。

在能夠正常運(yùn)行檢測(cè)的情況下，試驗(yàn)測(cè)試過程中分別改變基頻波的頻率和幅值，研究各參數(shù)包括非線性系數(shù)之間的變化規(guī)律。且分別運(yùn)用非共線混頻法和高次諧波法進(jìn)行探測(cè)，這里高次諧波法主要是用來與非共線混頻法做對(duì)比，體現(xiàn)非共線混頻法良好的檢測(cè)效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

一、基頻頻率變化的影響

圖3：基頻頻率與各參數(shù)變化趨勢(shì)

圖4：基頻頻率與A3變化趨勢(shì)

由圖3和圖4可知，保持頻率比d不變，隨著頻率w2不斷增加，A1，A2，A3幅度變化總體趨勢(shì)是增加的，中間有個(gè)別的點(diǎn)顯示與總體趨勢(shì)有些突兀不同，原因可能是試驗(yàn)過程中儀器與試樣之間的耦合效果不好，同時(shí)混凝土是多成分復(fù)合材料，具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和離散性。通過分析可知，基頻頻率的變化會(huì)導(dǎo)致混頻非線性系數(shù)的變化，兩者是有關(guān)系的。

二、基頻幅度變化的影響

圖5：A3與A1關(guān)系

圖6：A3與A2關(guān)系

近似的，還可以得到A3隨A1變化趨勢(shì)以及A3隨A2變化趨勢(shì)如圖5和圖6；A3隨A1變化趨勢(shì)以及A3隨A2變化趨勢(shì)都是大致增加的。混頻波和頻頻率是兩基頻頻率之和，即混頻和頻波能量接近兩基頻波能量之和，這基本符合圖中的逐漸上升的變化趨勢(shì)。

三、與高次諧波法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖7：高次諧波法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由上圖可看出，無論是從敏感度系數(shù)，還是在標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)方面，非共線混頻方法對(duì)高次諧波明顯的優(yōu)勢(shì)，其非線性系數(shù)對(duì)基頻波頻率變化和幅值變化而相應(yīng)的變化幅度更大，更敏感。

在相同的試驗(yàn)條件下，運(yùn)用高次諧波法做對(duì)比試驗(yàn)，綜合敏感度系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差以及離散系數(shù)等表征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于高次諧波法，非共線混頻法的非線性系數(shù)對(duì)基頻波的頻率和幅值變化更具有敏感性。

安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《基于混頻測(cè)試的混凝土非線性聲學(xué)特性的試驗(yàn)研究》