電壓放大器在混凝土超聲波傳播衰減研究中的應(yīng)用

　　實驗名稱：電壓放大器在混凝土超聲波傳播衰減研究中的應(yīng)用

　　研究方向：超聲檢測

　　測試目的：

　　超聲檢測技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程（BME）及工業(yè)無損檢測（NDT）領(lǐng)域常用的檢測技術(shù)，可在不侵入被測物體的情況下實現(xiàn)隱伏病灶、缺陷的檢測。國內(nèi)外學(xué)者已在超聲成像算法領(lǐng)域進行了富有成效的研究，開發(fā)了如超聲層析成像（CT）、相控陣聚焦、合成孔徑聚焦（SAFT）、復(fù)合平面波成像等成像算法。然而在混凝土超聲無損檢測領(lǐng)域，超聲算法的應(yīng)用面臨著一些特別的問題，如超聲換能器與混凝土粗糙表面的耦合問題、混凝土中可透過聲波的頻率上限問題、混凝土內(nèi)的聲波散射問題、混凝土內(nèi)聲束指向性問題等。這些問題的特殊性均是源自混凝土材料的異質(zhì)性和混凝土結(jié)構(gòu)的大尺度。BME超聲檢測的對象是生物組織，生物組織對聲波的散射作用遠不及混凝土骨料嚴重，所探測區(qū)域的深度僅在十?dāng)?shù)厘米，因此可使用數(shù)兆赫茲的高頻聲波，成像分辨率在毫米級。傳統(tǒng)工業(yè)NDT中的超聲檢測的對象多為金屬，除多晶金屬外，一般的金屬介質(zhì)對聲波的散射作用也遠小于混凝土介質(zhì)。目前，關(guān)于混凝土材料特性對超聲無損檢測技術(shù)應(yīng)用的影響的研究還較少，基于上述問題，本文針對混凝土材料中超聲傳播的衰減行為和超聲信號的統(tǒng)計隨機性進行了研究。

　　測試設(shè)備：ATA-2041電壓放大器、任意波形發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、筆記本電腦。

　　圖：實驗儀器實物圖

　　實驗過程：

　　所有換能器均由400Vpp的電壓驅(qū)動，并以2MHz的速率進行采樣。換能器SA1~SA21可分為三條路徑，SA1~SA7為路徑1，SA8~SA14為路徑2，SA15~SA21為路徑3。換能器陣列中每個換能器按順序激勵，同時同一路徑中的其他換能器用來接收超聲信號，例如在路徑1中，當(dāng)SA1作為激勵源發(fā)射超聲脈沖，SA2~SA7即作為接受傳感器接收超聲信號。

　　實驗所使用的超聲脈沖信號可根據(jù)公式進行計算，中心頻率f取為50kHz，70kHz，90kHz，110kHz，140kHz五個值。對于每個頻率點，SA1~SA21依次被激勵，每次激勵采集8通道數(shù)據(jù)，包括1個用于采集激勵信號的通道，1個用于采集噪聲的通道和6個用于采集介質(zhì)中傳播的超聲信號的通道。最終形成的數(shù)據(jù)文件還要加上一個時間序列，所以每次激勵的數(shù)據(jù)文件包含9個數(shù)據(jù)列，每個數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)量為8萬個采樣點（2MHz采樣頻率對應(yīng)的采樣時間為40ms），且每一次激勵均需重復(fù)20次以降低噪聲。因此，假設(shè)每個采樣點所占存儲空間為8bit，則每個激勵頻率對應(yīng)的總數(shù)據(jù)量應(yīng)為21×20×9×8×104×8bit=2.5×109bit，換算成Mbyte（Mb）即為302.8Mb。這一數(shù)據(jù)量是可以用NI-6366數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和配套的Labview軟件輕松處理的。

　　由于每條傳播路徑上均布有7個換能器，且相鄰兩個換能器的縱向間距為200mm，因此在每個激勵頻率下可以測得距離激勵源200mm，400mm，600mm，800mm，1000mm，1200mm六個位置處的超聲信號（每個位置處的信號數(shù)量不同，200mm處的信號數(shù)量最多，1200mm處的信號數(shù)量最少），共計30組頻率—位置組合，基于這30組數(shù)據(jù)可以對同一激勵頻率不同傳播距離，以及同一傳播距離不同激勵頻率的信號進行統(tǒng)計分析，從而得到超聲波在混凝土中傳播的衰減及隨機特性。

　　實驗結(jié)果：

　　1、衰減基準

　　圖：混凝土中兩個面對面換能器測得的脈沖響應(yīng)（a）~（e）為時域信號，（f）~（j）為頻域信號

　　SA21和SA22為埋入混凝土中一對緊貼的換能器，其力學(xué)邊界條件和其他換能器應(yīng)是相近的，因此將SA21激勵，SA22接收的信號作為衰減計算的基準。考慮到不同頻率下SA的脈沖響應(yīng)并不相同，根據(jù)波形和頻率下的換能器響應(yīng)，測量結(jié)果見上圖。可以看到，接收信號在時域扭曲、變形，在頻域搬移、擴展，這是換能器內(nèi)部聲波的多次反射、PZT片的機電特性以及換能器材料的慣性造成的。

　　2、超聲衰減測量結(jié)果

　　圖：混凝土中超聲衰減率系數(shù)（a）和傳播距離的關(guān)系（b）和頻率的關(guān)系

　　衰減系數(shù)隨著聲波傳播距離的增加而增大，如上圖第一組的(a)，這是符合物理事實的，即聲波傳播的越遠，聲壓、聲能衰減越多。而衰減系數(shù)及衰減率系數(shù)均與頻率呈二次多項式趨勢，并且在所測頻率范圍內(nèi)存在局部最小衰減及衰減率，局部最小值對應(yīng)的頻率在100kHz左右，如上圖兩組的(b)，這種趨勢主要是由材料衰減引起的。在第二組(a)中，衰減率隨傳播距離的增加而減小，這種趨勢主要是由擴散衰減引起的。

　　擴散衰減率與衰減距離有關(guān)，且對于混凝土材料中衰減距離小于800mm的測試點位，擴散衰減率占總衰減率的50%以上。因此，若要使用衰減率系數(shù)作為評價材料性能的指標，應(yīng)考慮總衰減率中擴散衰減率的影響，并采用與衰減距離無關(guān)的材料衰減來表征材料特性。

　　安泰ATA-2041電壓放大器：

　　圖：ATA-2041電壓放大器指標參數(shù)

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　　本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《混凝土中超聲波傳播的衰減及隨機特性研究》