聲發(fā)射信號在導波桿中傳播的放大規律實(shí)驗研究

摘要：根據彈性動(dòng)力學(xué)理論關(guān)于彈性波經(jīng)過(guò)變截面桿其位移透射系數增加的原理，設計一系列桿底部為階梯形或圓錐形接頭的新型導波桿，通過(guò)實(shí)驗證明，與普通導波桿相比，其可以起到放大聲發(fā)射信號而不改變其類(lèi)型的作用，為后續波形分析提供方便，提高檢測精度。實(shí)驗還證明：導波桿的放大系數與桿的大小面積比值有關(guān)，小端面面積一定時(shí)，增加大端面面積，將使階梯桿和圓錐桿放大系數都增加；大小端面面積相同的圓錐桿和錐度大的圓錐桿放大系數大?？紤]實(shí)際金屬，除了彈性外還有粘性和塑性，內部還有雜質(zhì)和缺陷，會(huì )引起能量的衰減和頻散效應，建議實(shí)際檢測中選用大小面積比比值大的，并且錐度大的圓錐形導波桿，同時(shí)選擇均勻和彈性好的材料，以得到清晰的信號波形。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；圓錐；波導桿；放大信號

0 引言
聲發(fā)射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現象，也稱(chēng)為彈性波發(fā)射。聲發(fā)射檢測是無(wú)損檢測和評估中的一種重要方法，具有動(dòng)態(tài)評估和實(shí)時(shí)診斷性。目前廣泛應用于航空航天、石油化工、材料實(shí)驗、交通運輸等工業(yè)。對于傳感器不能直接安放在被檢測對象上的情況，需要用導波桿進(jìn)行輔助檢測。在美國，檢測人員已將波導桿用于原子能壓力容器在線(xiàn)監測和可靠性評價(jià)，得到良好的效果。大慶石油學(xué)院李善春博士通過(guò)研究不同長(cháng)度和不同截面積的導波桿，得出桿長(cháng)度和面積對聲發(fā)射信號的影響，將其用于石油管道和水管泄漏檢測。本文在以上研究的基礎上，通過(guò)理論分析和實(shí)驗相結合方法，設計出一種能放大信號的波導桿，使波導桿的應用范圍更廣泛。

1 彈性波經(jīng)過(guò)桿截面突變的傳播
當聲發(fā)射彈性波沿金屬桿傳播時(shí)，在桿截面面積發(fā)生突變處，會(huì )發(fā)生波的透射和反射作用。設聲發(fā)射彈性波從大截面桿傳播到小截面桿，其位移投射系數為：

式中：S1為桿大截面面積；S2為桿小截面面積；uI為入射波位移；uT為透射波位移。令α=S2／S1，則M=2／(1+α)。由上式可知，當S2一定時(shí)，增加S1則位移透射系數M增加。但當S2／S1→O時(shí)，uT／uI→2，所以彈性波每經(jīng)過(guò)一個(gè)截面積間斷桿時(shí)，單級放大倍數的極限為2。圓錐形桿可以近似看做由一系列面積發(fā)生強間斷的階梯桿所組成。彈性波在其傳播也會(huì )增加位移透射系數。
聲發(fā)射彈性波經(jīng)過(guò)變截面桿透射后位移增大，質(zhì)點(diǎn)間的振幅增加，所以質(zhì)點(diǎn)間彈力增加，利用壓電傳感器把力信號轉換為電信號原理，其電信號也增加，起到放大聲發(fā)射信號的效果。