實驗名稱：非線性超聲檢測實驗

　　研究方向：以RTM/紡織(zhi)(zhi)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)為檢測對(dui)象，利用非線性超(chao)聲檢測方法對(dui)RTM復合(he)材(cai)(cai)料(liao)孔隙(xi)缺陷進行表征(zheng)(zheng)，通過非線性特征(zheng)(zheng)參量(liang)測量(liang)，初步實現(xian)對(dui)RTM/紡織(zhi)(zhi)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)孔隙(xi)率的定量(liang)表征(zheng)(zheng)。

　　實驗目的：驗(yan)證非(fei)線(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)系(xi)統的(de)基本(ben)要求以及幾種非(fei)線(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)實驗(yan)方法(fa)并(bing)針對(dui)(dui)本(ben)研究的(de)檢測對(dui)(dui)象RTM/紡織復合材料(liao)孔隙率缺陷對(dui)(dui)超(chao)聲(sheng)信號的(de)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)響應特點，設計基于(yu)有限(xian)幅(fu)度非(fei)線(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)檢測方法(fa)的(de)檢測實驗(yan)系(xi)統。

　　測試設備：系統主要包括TektronicAFG3102、ATA-8202射頻功率(lv)放大(da)器、數字式熒光(guang)示波器、發(fa)射和接收壓電傳(chuan)感器、計算機和夾具。

　　實驗過程：本研究的(de)非(fei)線(xian)性超聲實驗系統采用聲波(bo)透射法(fa)，寬帶接收方式，分別測量基波(bo)和(he)二(er)階、三階高次諧(xie)波(bo)的(de)幅(fu)值。首先由信號(hao)發(fa)生器產(chan)生正(zheng)弦波(bo)脈沖串，引入(ru)功率放(fang)大(da)器放(fang)大(da)，激(ji)勵發(fa)射壓電(dian)傳感器發(fa)射單(dan)一(yi)頻率的(de)超聲波(bo)，使其耦(ou)合進入(ru)被測材(cai)料(liao)，大(da)振幅(fu)超聲波(bo)與材(cai)料(liao)中的(de)晶格畸變(bian)、微裂紋、晶格的(de)非(fei)簡諧(xie)性等微損傷相(xiang)互作用，使得透過(guo)(guo)材(cai)料(liao)的(de)聲波(bo)發(fa)生較強的(de)非(fei)線(xian)性失(shi)真(zhen)，位于(yu)試(shi)樣(yang)另一(yi)端(duan)的(de)接收換(huan)能器將對該非(fei)線(xian)性超聲信號(hao)進行(xing)采集，然后(hou)利用matlab軟件對接收到(dao)的(de)超聲信號(hao)進行(xing)快速傅里葉變(bian)換(huan)，得到(dao)基波(bo)和(he)二(er)次諧(xie)波(bo)幅(fu)值，通過(guo)(guo)公式計算(suan)得到(dao)材(cai)料(liao)的(de)高階相(xiang)對非(fei)線(xian)性系數。原理(li)框圖如下所示：

　　(a)非線性超聲實驗系統激勵波形選(xuan)擇(ze)

　　圖3-7所(suo)(suo)示為3種常見激(ji)(ji)(ji)勵(li)波形。采(cai)用連(lian)續波(圖3-7(a))進行激(ji)(ji)(ji)勵(li)，激(ji)(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)可產生(sheng)(sheng)單(dan)一頻(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)聲波(如(ru)圖3-7(b)所(suo)(suo)示)。由于(yu)非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)(chao)聲檢(jian)測(ce)(ce)主要是(shi)(shi)在頻(pin)(pin)域(yu)上分(fen)(fen)析信(xin)號(hao)，因此激(ji)(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)中頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)會對實(shi)驗結果(guo)帶(dai)來很大(da)影響，所(suo)(suo)以保證激(ji)(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)中頻(pin)(pin)率(lv)單(dan)一是(shi)(shi)非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)(chao)聲檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)前提條件。但要得到(dao)大(da)功(gong)率(lv)連(lian)續波通常比較(jiao)(jiao)困難，而(er)且連(lian)續波激(ji)(ji)(ji)勵(li)下，檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向(xiang)分(fen)(fen)辨率(lv)低(di)。采(cai)用單(dan)脈(mo)沖(chong)(chong)模(mo)式(圖3-7(c)作(zuo)為激(ji)(ji)(ji)勵(li)方式，盡(jin)管該模(mo)式下激(ji)(ji)(ji)勵(li)波形幅值很大(da)，檢(jian)測(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向(xiang)分(fen)(fen)辨力高(gao)，但單(dan)脈(mo)沖(chong)(chong)信(xin)號(hao)本(ben)身頻(pin)(pin)率(lv)范圍較(jiao)(jiao)寬(如(ru)圖3-7(d)所(suo)(suo)示)，很有可能在發射(she)端引入(ru)除基波以外的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)，而(er)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)與微(wei)缺陷作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)響應也不(bu)一樣(yang)，使得接受信(xin)號(hao)中引入(ru)不(bu)是(shi)(shi)由材(cai)料本(ben)身產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)諧波成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)，導致(zhi)測(ce)(ce)量結果(guo)不(bu)夠準確。同時(shi)由于(yu)單(dan)脈(mo)沖(chong)(chong)激(ji)(ji)(ji)勵(li)下超(chao)(chao)聲波與材(cai)料作(zuo)用的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)很短很難產生(sheng)(sheng)強的(de)(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)效應，因此，基于(yu)以上所(suo)(suo)述原因，本(ben)實(shi)驗擬采(cai)用圖3-7(e)所(suo)(suo)示的(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)(chong)串模(mo)式作(zuo)為激(ji)(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)。該模(mo)式下能獲(huo)得輸出(chu)功(gong)率(lv)較(jiao)(jiao)高(gao)且頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)較(jiao)(jiao)單(dan)一的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)勵(li)信(xin)號(hao)，因此脈(mo)沖(chong)(chong)串模(mo)式在非(fei)(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)(chao)聲檢(jian)測(ce)(ce)領域(yu)得到(dao)了廣泛應用。

　　脈(mo)沖(chong)(chong)串(chuan)模式下波(bo)形周期(qi)數(shu)可調，周期(qi)數(shu)越(yue)多，頻(pin)(pin)率(lv)(lv)成分越(yue)單(dan)一。結合試塊(kuai)及(ji)實(shi)(shi)驗(yan)室現(xian)有換能(neng)器(qi)等條件,本實(shi)(shi)驗(yan)采(cai)用(yong)(yong)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)為(wei)2.25M周期(qi)數(shu)為(wei)30的(de)脈(mo)沖(chong)(chong)串(chuan)。圖3-8(a)為(wei)本實(shi)(shi)驗(yan)所(suo)用(yong)(yong)到的(de)20個周期(qi)的(de)脈(mo)沖(chong)(chong)串(chuan)激勵信號時域(yu)波(bo)形。圖3-8(b)為(wei)FFT變換后(hou)的(de)頻(pin)(pin)域(yu)波(bo)形，從頻(pin)(pin)域(yu)上(shang)看，在5MHz的(de)倍頻(pin)(pin)位置上(shang)并(bing)沒有出現(xian)二次(ci)諧波(bo)，表明(ming)所(suo)用(yong)(yong)信號頻(pin)(pin)率(lv)(lv)成分單(dan)一不(bu)會(hui)給實(shi)(shi)驗(yan)結果(guo)帶來影響。

　　實驗結果：

　　實(shi)驗選用(yong)中心頻(pin)(pin)率為2.25MHz的(de)(de)(de)(de)窄帶(dai)PZT材(cai)料壓電(dian)品(pin)(pin)片(pian)(pian)作為發射換能(neng)(neng)器(qi)，之所(suo)以(yi)選擇(ze)裸片(pian)(pian)作為發射換能(neng)(neng)器(qi)是(shi)因為，與商(shang)業化換能(neng)(neng)器(qi)相比，裸片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)振動是(shi)自由振動不(bu)受(shou)阻尼(ni)塊及其(qi)它部件的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，很(hen)大程度上減少了(le)換能(neng)(neng)器(qi)引入(ru)的(de)(de)(de)(de)非線性干擾信(xin)號對檢測結(jie)果(guo)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。圖(tu)3-9為PZT品(pin)(pin)片(pian)(pian)實(shi)物圖(tu)。圖(tu)3-10為PZT品(pin)(pin)片(pian)(pian)由方波激勵而(er)得到的(de)(de)(de)(de)初始振動波形圖(tu)。圖(tu)3-11PZT品(pin)(pin)片(pian)(pian)掃頻(pin)(pin)圖(tu)，從圖(tu)中可以(yi)看(kan)到該品(pin)(pin)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)(de)中心頻(pin)(pin)率為2.25M,目頻(pin)(pin)帶(dai)寬度較窄，其(qi)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)波頻(pin)(pin)率成分比較單(dan)一符合課題(ti)選擇(ze)非線性超聲(sheng)實(shi)驗的(de)(de)(de)(de)發射換能(neng)(neng)器(qi)條件。

　　本(ben)實(shi)驗(yan)是為了(le)驗(yan)證非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)系(xi)統的(de)基本(ben)要(yao)求以及幾種非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)實(shi)驗(yan)方法并針對(dui)本(ben)研究的(de)檢(jian)(jian)測對(dui)象(xiang)RTM/紡織復合材料孔隙率缺陷對(dui)超(chao)聲(sheng)信號的(de)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)響應特點，設計了(le)基于有限幅度非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)檢(jian)(jian)測方法的(de)檢(jian)(jian)測實(shi)驗(yan)系(xi)統。并分(fen)(fen)析了(le)實(shi)驗(yan)系(xi)統可能(neng)帶來的(de)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)干(gan)擾源，分(fen)(fen)別選定了(le)符合非(fei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)超(chao)聲(sheng)實(shi)驗(yan)的(de)激勵波形(xing)、發(fa)射和(he)接收(shou)換能(neng)器(qi)等，確(que)保了(le)試驗(yan)系(xi)統的(de)可靠性(xing)(xing)。

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