功率放大器在時間反轉的固體火箭發動機干耦合超聲檢測中的應用

實驗名稱:功率放大器在干耦合超聲檢測系統中的應用

實驗設備：

干耦合探頭、超聲波脈沖發生接收儀、前置放大器、數字存儲示波卡、探頭工裝、功率放大器、信號發生器、示波器、電腦

實驗內容:

為了解決超聲檢測過程中不能在固體火箭發動機殼體粘接結構表面涂抹耦合劑的問題，首先構建了一套干耦合超聲檢測系統，設計了具有特殊結構形式壓電振子和傳聲桿的干耦合探頭。然后提出基于時間反轉的干耦合超聲成像方法，分析干耦合超聲時間反轉聚焦原理，通過對損傷散射信號的提取、時間反轉及二次加載，建立聚焦時刻的瞬態波動圖，最后通過對結構微元信號幅值求和乘積兩種方式對缺陷進行成像。

實驗過程：

1.干耦合超聲的時間反轉方法

干耦合超聲時間反轉聚焦的過程如圖所示，首先，干耦合發射探頭中壓電振子受逆壓電效應影響激發產生超聲波，并通過傳聲桿傳入到復合材料試件中;然后，多個干耦合接收探頭在試件上不同位置接收板中的缺陷散射信號;其次，對接收信號進行時間反轉、放大及延時等處理，并以原接收探頭作為發射探頭，將處理后的信號重新加載發射;最后，二次采集接收信號，信號在波源處產生聚焦放大效果。

2.干耦合超聲檢測系統

工作原理：首先由超聲波脈沖發生接收儀激勵產生一定頻率的脈沖信號，并將其加載在干耦合探頭中壓電振子上，受逆壓電效應影響產生超聲波，并以導波形式在板中傳播，被接收探頭接收后受壓電效應影響超聲波又轉換為電信號，電信號經前置放大器放大后由數字存儲示波卡進行采集、存儲并通過PC機進行顯示。

3.實驗驗證

本文采用5周期漢寧窗調制正弦函數作為激勵信號，頻率為70 kHz，信號重復頻率為1 kHz，電壓峰峰值為2V ，功放放大倍數為20倍。檢測時，首先由PC機調制激勵信號，發送至信號發生器，設定好檢測參數經ATA-4051功率放大器放大后加載至發射探頭，另在試件各檢測位置布置接收探頭與示波器相連，為保持各檢測探頭耦合壓力一致，采用相同質量鋼塊進行加壓。同時連接示波器與信號發生器的Trigger端使兩者保持同步，并采用方波上升沿的方式進行觸發控制。經USB通信后，在LabVIEW環境中可實現示波器各通道采集數據的同步顯示與存儲，將存儲的信號數據進行截取、反轉、放大等操作，并重新發送至信號發生器進行加載，交換發射/接收探頭電纜，采集得到最終的聚焦放大信號，從而構成了整個時間反轉操作這一閉環過程。

實驗結果：

根據導波傳播規律,聚焦時刻t,與到達損傷時間t之間的關系為: t, = tw 一ta= 0.4 ms.取f=0.1 mm ,超聲波在鋼中的傳播速度為3 100 m/s,橫坐標范圍為0 ~160 mm,縱坐標范圍為0~80 mm.根據求和、乘積形式得到最終的損傷成像分別如圖1、2所示.運用超聲水浸C掃描得到的圖像如圖3所示。

1)干耦合檢測信號經過時間反轉、二次加載及發射后會產生聚焦放大效果,位于缺陷處的能量最大；

2)通過對損傷散射信號進行采集、時間反轉及提取包絡線,建立信號聚焦時刻的瞬態波動圖，根據實驗數據初步驗證了干耦合的時間反轉成像檢測方法。