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摘要：超声非线性分析作为一种无损检测技术主要用于材料的微裂纹，弱粘接，残余应力以及疲劳强度等方面的风险评估。与常规超声基于时域信号幅值检测技术不同的是非线性超声检测技术是基于基频和谐波频率强度进行无损评估。本文采用HPA高功率放大器将加汉宁窗的正弦信号激励基频探头，通过宽带谐波探头接受透射信号分析了岩石样品的非线性系数。验证了基于HPA高功率放大器搭建的超声非线性研究平台的可行性。

关键词：非线性超声 超声相控阵 微裂纹无损检测

1.       研究背景

    常规非线性超声谐波分析法基于二次谐波检测，通过高能超声激励被测材料，测量基波和二次谐波分析材料的非线性系数β：

A1和A2分别为接收信号的基波和二次谐波频率处的绝对振幅值。K=2π/λ波数。

通过控制变量试验，可以发现非线性数β与材料的疲劳强度,粘接强度,微裂纹，残余应力等在一定范围内有着线性关系。从而实现对材料弱粘接，疲劳强度的无损评估，甚至材料的寿命预估。本文为了验证该平台可行性设计了针对岩石样品的超声非线性测试平台。采用250 kHz基频探头对岩石样品激励超声信号，在透射检测的模式下采用500 kHz宽频超声换能器接受基频和谐波频率信号。通过在岩样中部施加垂直声波传播方向的单轴向外部载荷，测量不同载荷下岩样声学非线性系数的变化得到不同载荷下岩样声学非线性系数的变化规律。

2.       实验设计

本实验平台采用的HPA高功率放大器具有最高1500 Vpp输出，最高功率可超5 KW，带宽从50 kHz 到超过5 MHz。激励探头为窄带250 kHz中心频率的压电复合材料换能器，接收探头为中心频率为500 kHz(带宽>70%)宽带压电复合材料换能器。岩石样品长度10 cm。为尽量消除实验装置中非来自岩样的非线性效应，考虑：

1. 选择10周期正弦信号加汉宁窗作为激励信号，使得激励信号频率更纯净（如图3和4）；

   2. 由于水或一般含水的耦合剂将带来大量的非线性效应，采用了水杨酸苯酯（C₁₃H₁₀O_3，白色粉末晶体，熔点42℃）作为耦合剂粘合两个探头和岩样。

图1. 声学非线性实验平台

3.        实验过程

  通过测试不通激励信号的频谱发现，正弦信号加汉宁窗可以使得信号频率成分更干净（如图3和4），因此实验采用信号发生器产生该信号作为激励信号输入HPA高功率放大器放大至大于1000 Vpp后激励250 kHz窄带超声换能器。

  通过示波器采集到岩样的投射超声信号后进行FFT分析可以观察到基频和倍频谐波峰。通过在岩样中部分别施加垂直于传播方向的单轴外部载荷：33.5 N,67 N,95.5 N,174.5 N,256 N.每次施加外部载荷后测量当前的投射时域信号并保存，同时不改变其他任何参数和实验条件。

4.        实验结果

通过施加5次不同的外部载荷，共得到6组实验数据，根据公式1计算相对声学非线性系数可得到如下曲线（图5）。可以发现当施加的外部载荷等量递增时，非线性系数与外部载荷成相对完好的线性关系。前三次施加外部载荷平均递增量约31.8 N，后两次施加外部载荷平均地增量约80.25 N,相对非线性系数前三次平均递增量约1.41X10^-3,后两次平均递增量约0.55X10^-3。

图5. 单轴外部载荷下非线性系数变化曲线

5.        结论

   基于HPA高功率放大器搭建的声学非线性测量系统实现了岩样的声学非线性系数测量并得到了外部载荷与非线性系数变化的关系曲线。整套系统简单实用，性价比较高。本实验仅为验证系统的可行性，虽然本实验中尽量排除了非检测对象外的非线性效应，但由于非线性效应与众多因素相关（环境温度，施加载荷方式等），更为准确的测量需要进一步完善实验条件。

参考文献：

1：周正干，刘斯明. 铝合金初期塑性变形与疲劳损伤的非线性超声无损评价方法, 机械工程学报 2011,47(6), DOI：10.3901/JME.2011.06.001