實驗名稱：高壓放大器在非(fei)線性超聲傳播(bo)研(yan)究(jiu)中的(de)應用

　　研究方(fang)向(xiang)：超聲波(bo)

　　測試目的：

　　超(chao)(chao)聲(sheng)波在(zai)混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)中的(de)(de)傳播是一(yi)個極為復雜的(de)(de)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)過程。當(dang)超(chao)(chao)聲(sheng)波穿(chuan)過混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)材料(liao)時，攜帶了(le)大量(liang)有關混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)內部(bu)結構(gou)和(he)(he)構(gou)造的(de)(de)信息。傳統的(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)波檢測方法雖然在(zai)混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)(de)質量(liang)和(he)(he)內部(bu)缺陷評價上(shang)得以廣泛應(ying)用，但(dan)由于其(qi)基(ji)(ji)于線(xian)(xian)彈性(xing)理論(lun)(lun)而獲得的(de)(de)有限的(de)(de)首波振幅和(he)(he)波速(su)測試(shi)參數，在(zai)表征混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)初始損傷及微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)的(de)(de)變化(hua)上(shang)受到(dao)相(xiang)當(dang)的(de)(de)限制，導(dao)致其(qi)分(fen)(fen)辨(bian)率和(he)(he)精度明顯不足(zu)，而非(fei)線(xian)(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)波的(de)(de)發展(zhan)為解決這(zhe)一(yi)問題(ti)提供(gong)了(le)理論(lun)(lun)上(shang)的(de)(de)可能。鑒(jian)于目前混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)的(de)(de)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)檢測理論(lun)(lun)和(he)(he)試(shi)驗研究(jiu)(jiu)上(shang)的(de)(de)不足(zu)，為深(shen)入探究(jiu)(jiu)混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)材料(liao)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)的(de)(de)產(chan)生(sheng)機理與(yu)響應(ying)規律，為非(fei)線(xian)(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)測試(shi)方法提供(gong)理論(lun)(lun)基(ji)(ji)礎，本文采用理論(lun)(lun)分(fen)(fen)析、數值模擬、試(shi)驗測試(shi)和(he)(he)信號分(fen)(fen)析等手段，就(jiu)混凝(ning)(ning)土(tu)(tu)非(fei)線(xian)(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)傳播特(te)性(xing)開展(zhan)深(shen)入系統的(de)(de)理論(lun)(lun)和(he)(he)試(shi)驗研究(jiu)(jiu)。

　　測(ce)試設(she)備：ATA-2042高壓放大器、示波器、信號發生器、超聲換能器、凡士林等(deng)。

　　實驗過(guo)程(cheng)：

圖：砂漿試(shi)樣的非線性超聲測試(shi)系統

　　搭建非線性超聲測試(shi)系(xi)統，混(hun)凝土非線性超聲測試(shi)系(xi)統主要(yao)包(bao)括：信號發生器、ATA-2042高壓放大器、數字示波器和發射與接收換能器。信號發生器發射信號類型為10個周期的脈沖波。為避免超聲波在混凝土內的傳播出現較強的衰減效應，發射脈沖頻率不宜過高，故選用的脈沖頻率為40kHz。高壓放大器型號為ATA-2042，將輸入信號的峰值電壓放大至50~350V，輸入與輸出電阻均設置為50Ω。數字示波器的輸入阻抗為1MΩ，采樣率為2.5MS/s，滿足Nyquist-Shannon采樣定理。對128次的采集信號進行平均處理，以減少噪聲的干擾，提高接收信號的信噪比。超聲波的發射與接收端分別采用PXR04和PXR07型接觸式平面縱波換能器。

　　換能(neng)(neng)(neng)器(qi)與砂漿(jiang)試樣(yang)之間(jian)采用(yong)凡(fan)士林進行耦合，在(zai)固(gu)定(ding)換能(neng)(neng)(neng)器(qi)前(qian)用(yong)記(ji)(ji)號(hao)(hao)筆標記(ji)(ji)測點位置(zhi)，以保證發射換能(neng)(neng)(neng)器(qi)與接收換能(neng)(neng)(neng)器(qi)均位于(yu)試樣(yang)的(de)中心位置(zhi)。使用(yong)紙巾擦拭砂漿(jiang)試樣(yang)，避(bi)免換能(neng)(neng)(neng)器(qi)與試樣(yang)間(jian)夾雜灰塵等細顆粒，再將換能(neng)(neng)(neng)器(qi)通(tong)過松緊(jin)帶緊(jin)密纏繞并固(gu)定(ding)在(zai)標記(ji)(ji)位置(zhi)。信號(hao)(hao)分析選(xuan)取(qu)時域曲線中的(de)前(qian)7個周期的穩定波形，通過快速傅里葉變換獲得相應頻譜曲線，提取基波幅值A₁和二階諧波幅值(zhi)A₂，并計算(suan)非線性參數θ。

　　實驗結果：

　　（1）激勵電壓與非線性參數θ的關系

　　不同(tong)測試電壓(ya)的混凝土非線性超聲參數θ如下圖所示。對于四組不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，在50~350V的激勵電壓范圍內，非線性超聲參數θ呈波動狀態，說明其未受測試電壓的影響，該結論與完整砂漿的高次諧波試驗結論相吻合，進一步證明了上述測試電壓條件下，非線性超聲參數θ與測試電壓幅值無關。對于同組混凝土試樣，由不同試樣個體所獲得的非線性系數具有一定差異，裂紋的長度、角度均對非線性超聲參數θ具有顯著影響，即使對于相同粗骨料粒徑的混凝土試樣，超聲傳播路徑周圍的微觀結構具有隨機性和離散性特征。

圖：不同激勵(li)電壓條(tiao)件下的非(fei)線性系數變化(hua)情(qing)況

　　（2）粗骨料粒徑與非線性參數θ的關系

　　對(dui)于不同粗(cu)骨料粒徑的混凝土試樣(yang)，其非線(xian)性參數θ由50~350V電壓下的基波幅值A₁與二次諧波幅(fu)值A₂的線性擬合(he)確定，擬合(he)直線的決定系數R²如(ru)下面圖表所示。所有混凝土試(shi)樣的(de)決定(ding)系數R²均接近于1，表明基波幅值A₁與二次(ci)諧波幅值A₂隨激(ji)勵電壓增(zeng)加呈線性規律。以各組(zu)3個混凝土試樣的非線性參數θ平均值作為不同粗骨料粒徑混凝土的代表值，結果如下圖所示。隨著混凝土粗骨料粒徑的增大，混凝土內的ITZ長度增加，非線性參數θ顯著增加，該規律與數值模擬得到結論相合。

圖表(biao)：不同混(hun)凝(ning)土試樣的(de)基波與二次諧波線性擬合決定系數R²

圖：不(bu)同骨料粒徑的非線(xian)性參數(shu)θ

　　通過(guo)數(shu)值(zhi)模擬和試驗研(yan)究了激勵幅值(zhi)、混凝土裂(lie)紋密度與非線性參(can)數(shu)θ的關系，利用非線性參數θ表征材料的微裂紋并得到了良好的效果。

　　安泰(tai)ATA-2042電壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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　　本(ben)文實(shi)驗案例參考自(zi)知網論文《混凝(ning)土非線性超聲傳播特性的理論與試(shi)驗研究》