電壓放大器在混凝土超聲波傳播衰減研究中的應(yīng)用

　　實(shí)驗(yàn)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(cè)

　　測(cè)試目的：

　　超聲檢測(cè)技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程（BME）及工業(yè)無損檢測(cè)（NDT）領(lǐng)域常用的檢測(cè)技術(shù)，可在不侵入被測(cè)物體的情況下實(shí)現(xiàn)隱伏病灶、缺陷的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在超聲成像算法領(lǐng)域進(jìn)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(cè)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(cè)的對(duì)象是生物組織，生物組織對(duì)聲波的散射作用遠(yuǎn)不及混凝土骨料嚴(yán)重，所探測(cè)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(jí)。傳統(tǒng)工業(yè)NDT中的超聲檢測(cè)的對(duì)象多為金屬，除多晶金屬外，一般的金屬介質(zhì)對(duì)聲波的散射作用也遠(yuǎn)小于混凝土介質(zhì)。目前，關(guān)于混凝土材料特性對(duì)超聲無損檢測(cè)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(duì)混凝土材料中超聲傳播的衰減行為和超聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性進(jìn)行了研究。

　　測(cè)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(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物圖

　　實(shí)驗(yàn)過程：

　　所有換能器均由400Vpp的電壓驅(qū)動(dòng)，并以2MHz的速率進(jìn)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(gè)換能器按順序激勵(lì)，同時(shí)同一路徑中的其他換能器用來接收超聲信號(hào)，例如在路徑1中，當(dāng)SA1作為激勵(lì)源發(fā)射超聲脈沖，SA2~SA7即作為接受傳感器接收超聲信號(hào)。

　　實(shí)驗(yàn)所使用的超聲脈沖信號(hào)可根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，中心頻率f取為50kHz，70kHz，90kHz，110kHz，140kHz五個(gè)值。對(duì)于每個(gè)頻率點(diǎn)，SA1~SA21依次被激勵(lì)，每次激勵(lì)采集8通道數(shù)據(jù)，包括1個(gè)用于采集激勵(lì)信號(hào)的通道，1個(gè)用于采集噪聲的通道和6個(gè)用于采集介質(zhì)中傳播的超聲信號(hào)的通道。最終形成的數(shù)據(jù)文件還要加上一個(gè)時(shí)間序列，所以每次激勵(lì)的數(shù)據(jù)文件包含9個(gè)數(shù)據(jù)列，每個(gè)數(shù)據(jù)列的數(shù)據(jù)量為8萬個(gè)采樣點(diǎn)（2MHz采樣頻率對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間為40ms），且每一次激勵(lì)均需重復(fù)20次以降低噪聲。因此，假設(shè)每個(gè)采樣點(diǎn)所占存儲(chǔ)空間為8bit，則每個(gè)激勵(lì)頻率對(duì)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(gè)換能器，且相鄰兩個(gè)換能器的縱向間距為200mm，因此在每個(gè)激勵(lì)頻率下可以測(cè)得距離激勵(lì)源200mm，400mm，600mm，800mm，1000mm，1200mm六個(gè)位置處的超聲信號(hào)（每個(gè)位置處的信號(hào)數(shù)量不同，200mm處的信號(hào)數(shù)量最多，1200mm處的信號(hào)數(shù)量最少），共計(jì)30組頻率—位置組合，基于這30組數(shù)據(jù)可以對(duì)同一激勵(lì)頻率不同傳播距離，以及同一傳播距離不同激勵(lì)頻率的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得到超聲波在混凝土中傳播的衰減及隨機(jī)特性。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　1、衰減基準(zhǔn)

　　圖：混凝土中兩個(gè)面對(duì)面換能器測(cè)得的脈沖響應(yīng)（a）~（e）為時(shí)域信號(hào)，（f）~（j）為頻域信號(hào)

　　SA21和SA22為埋入混凝土中一對(duì)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(lì)，SA22接收的信號(hào)作為衰減計(jì)算的基準(zhǔn)。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(cè)量結(jié)果見上圖。可以看到，接收信號(hào)在時(shí)域扭曲、變形，在頻域搬移、擴(kuò)展，這是換能器內(nèi)部聲波的多次反射、PZT片的機(jī)電特性以及換能器材料的慣性造成的。

　　2、超聲衰減測(cè)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(shí)的，即聲波傳播的越遠(yuǎn)，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(xiàng)式趨勢(shì)，并且在所測(cè)頻率范圍內(nèi)存在局部最小衰減及衰減率，局部最小值對(duì)應(yīng)的頻率在100kHz左右，如上圖兩組的(b)，這種趨勢(shì)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(shì)主要是由擴(kuò)散衰減引起的。

　　擴(kuò)散衰減率與衰減距離有關(guān)，且對(duì)于混凝土材料中衰減距離小于800mm的測(cè)試點(diǎn)位，擴(kuò)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(píng)價(jià)材料性能的指標(biāo)，應(yīng)考慮總衰減率中擴(kuò)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(biāo)參數(shù)

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　　本文實(shí)驗(yàn)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(jī)特性研究》