实验名称：斜裂纹管道超声导波的混沌振子检测方法研究

  研究方向：无损检测

  实验原理：

  利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在萤光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

  测试设备：信号发生器、ATA-8202射频功率放大器、压电片、管道试件、电脑。

  实验过程：

图：实验原理

  实验所用不锈钢管几何参数为50mm直径，长3m，壁厚1mm，实验原理如上图所示：采用泰克任意信号发生器激励信号，接着通过ATA-8202功率放大器进行功率放大，放大后的信号接入管道左侧压电环，通过压电逆效应产生超声导波，通过压电效应由16片并联的压电片接收信号，传入示波器。选用Hanning窗调制的单音频正弦信号作为检测信号，表达式如(2.1)，其中fc为导波信号的中心频率。实验采用10周期激励信号，具体如图2.2所示。本文实验采样频率设置为100M/s。

图2.1：信号表达式

  实验结果：

  采用人工预制裂纹，包含5种裂纹角度0：0°裂纹，30°裂纹，45°裂纹，60°裂纹和90°裂纹。裂纹几何参数为：厚05mm，宽2mm，长度为20mm。采用软件计算实验管和其他波导结构结果一样，在给定的频率100kHz范围内存在大量的模态，这导致了实验的复杂性。在略低频段拥有较少的模态，如小于20kHz只存在2种模态;在略高频段拥有较多的模态，如大于50kHz存在5种模态。实验中，模态越少越利于检测，但是频率低会导致超声导波的波长相对较长，波形易重叠且能量小，反而不利于缺陷检测。在激励信号时尽可能选取频散曲线上较为平坦的频率内的单一模态，这样，激励信号的能量会集中在一个较窄的频带内。因此适当的频率选取是本文实验的重点本文选取L(0.2)模态来进行本次实验，此模态拥有显著的利于实际检测的特点：传播速度最快，较为简单，容易激发，且在一定频域内不分散。

  实验结果采用式(2.2)来计算缺陷位置Lx

其中，L0是管道右端部与接收传感器之间的长度，此处由于本实验接收传感器距管道左端面为30mm，因此L0=2970mm，t1，t2，t3分别为接收传感器接收到入射波的时刻，缺陷回波时刻和管道端面回波时刻。以实验所测45°裂纹为例，如图2.4所示，从图中可以看出，实验信号中分别存在入射波，缺陷回波和端面回波。分别选取波包第一点和波峰位置来确定回波时刻，进而计算缺陷的位置，如表2.1所示。从表中可以得出，由波峰计算得出Lx=1446.08mm，由波包第一点计算得出的Lx=1542.10mm。真实缺陷距离接收传感器距离为1470mm，因此通过波峰对应时刻来确定的缺陷位置相对误差为1.63%，而通过波包第一点位置来确定的缺陷位置相对误差为4.90%。以峰值作为特征点引起了缺陷定位误差，出现这种状况的原因可能是：1)激发信号并不是理想信号，包含了多模态；2)由于频散必然导致的多模态现象。由于采用波包最高点比第一点具有更好的精确度，因此选用波包峰值点作为时间起点，计算超声导波的传播速度。

图：裂纹实验信号

  安泰ATA-8202射频功率放大器：

  图：ATA-8202射频功率放大器

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