声发射信号在导波杆中传播的放大规律实验
0 引言
声发射(ae)是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象，也称为弹性波发射。声发射检测是无损检测和评估中的一种重要方法，具有动态评估和实时诊断性。大庆石油学院李善春博士通过研究不同长度和不同截面积的导波杆，得出杆长度和面积对声发射信号的影响，将其用于石油管道和水管泄漏检测。本文在以上研究的基础上，通过理论分析和实验相结合方法，设计出一种能放大信号的波导杆，使波导杆的应用范围更广泛。
1 弹性波经过杆截面突变的传播
当声发射弹性波沿金属杆传播时，在杆截面面积发生突变处，会发生波的透射和反射作用。设声发射弹性波从大截面杆传播到小截面杆，其位移投射系数为：
式中：s1为杆大截面面积；s2为杆小截面面积；ui为入射波位移；ut为透射波位移。令α=s2/s1，则m=2/(1+α)。由上式可知，当s2一定时，增加s1则位移透射系数m增加。但当s2/s1→o时，ut/ui→2，所以弹性波每经过一个截面积间断杆时，单级放大倍数的极限为2。圆锥形杆可以近似看做由一系列面积发生强间断的阶梯杆所组成。弹性波在其传播也会增加位移透射系数。
声发射弹性波经过变截面杆透射后位移增大，质点间的振幅增加，所以质点间弹力增加，利用压电传感器把力信号转换为电信号原理，其电信号也增加，起到放大声发射信号的效果。
2 实验方案与步骤
为了研究不同结构形状的导波杆对声发射信号的放大情况，采集经过不同结构的导波杆信号，利用能量、最大振幅二个参数研究其放大规律。所以设计了一系列不同结构的杆来研究其放大规律。如图1所示，(a)为阶梯形杆，(b)为圆锥形杆，尺寸见表1。
采集系统：声华科技公司sr150声发射传感器，自带前置放大器(放大倍数为40 db)；成都中科动态仪器公司pci4721数据采集卡；上位机pc。
试验步骤如下：
(1)利用0．5 mm hb铅笔芯折断作为声源进行传感器标定。
(2)把传感器1放在铁板(500 mm×500 mm×4 mm)表面，传感器2安放在导波杆上面，且布置在同一圆周上(圆周半径r=200 mm)，传感器与铁板及杆之间使用凡士林耦合。在两传感器分布圆圆心处断铅，采集信号，每组杆采集20次断铅信号。
(3)换不同的杆重复步骤(2)，记传感器同时在导波杆1和铁板采集信号为第一组，传感器同时在导波杆2和铁板采集信号为第二组，依次类推至第七组。
3 结果与分析
采集到的信号经过小波去噪处理后，处理结果见表2(比值为传感器安放在导波杆的信号与安放铁板信号之比)。
由第一组和第二组数据分析，对面积比α=0．46阶梯杆1和面积比α=0.65阶梯杆2，随着面积比α的增加，最大振幅比和能量比都减小，符合位移透射系数m=2/(1+α)随α增加而减小的性质。对圆锥杆3～6，其大小端面积相同，α为定值，由第三组至第六组数据可知，随着锥度的减小，其最大振幅比和能量比都减小。其原因在于这里的假设是完全弹性体，没有能量的损失，而实际金属介质并非完全弹性体，除了弹性外还有粘性和塑形，内部还有少量杂质和缺陷，这些都会引起能量的损耗。设单位体积的能量损耗一定，对圆锥杆而言，锥度愈小，其体积愈大，波在其传播时，损耗也愈大。这就解释了相同面积比，不同锥度的圆锥杆对信号的放大情况不同。从第一、三、四组数据可以看出，相同面积比的阶梯杆1和圆锥杆3，4，圆锥杆的最大振幅比和能量比都比阶梯杆1的大些。比较第三组和第七组数据，杆3和杆7为相同的高度和小端面积，但杆3的大端面积比杆7大，其最大振幅和能量比也比杆7大。
4 结论
(1)位移透射系数m=2/(1+α)只对完全弹性体适合，实际应用中，m除了与α有关外，还与杆的具体结构和杆的物理性质等有关，需要实验去修正m。
(2)阶梯形杆的放大比与其面积比有关，固定小端面积，当大端面积增加时，放大比增加，但并非线性关系。
(3)当圆锥形波导杆的大小端面面积一定时，锥度越大，能量、最大振幅值越大，反之越小。
(4)当圆锥形杆的高度和小端面积固定时，大端面积越大，放大倍数也越大。
由此可知，圆锥形波导杆在声发射检测中，可以起到导波与放大信号作用，使得波形更清晰，有利于准确检测，提高分析精度，使导波杆应用更广泛。
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1 弹性波经过杆截面突变的传播
当声发射弹性波沿金属杆传播时，在杆截面面积发生突变处，会发生波的透射和反射作用。设声发射弹性波从大截面杆传播到小截面杆，其位移投射系数为：
式中：s1为杆大截面面积；s2为杆小截面面积；ui为入射波位移；ut为透射波位移。令α=s2/s1，则m=2/(1+α)。由上式可知，当s2一定时，增加s1则位移透射系数m增加。但当s2/s1→o时，ut/ui→2，所以弹性波每经过一个截面积间断杆时，单级放大倍数的极限为2。圆锥形杆可以近似看做由一系列面积发生强间断的阶梯杆所组成。弹性波在其传播也会增加位移透射系数。
声发射弹性波经过变截面杆透射后位移增大，质点间的振幅增加，所以质点间弹力增加，利用压电传感器把力信号转换为电信号原理，其电信号也增加，起到放大声发射信号的效果。
2 实验方案与步骤
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试验步骤如下：
(1)利用0．5 mm hb铅笔芯折断作为声源进行传感器标定。
(2)把传感器1放在铁板(500 mm×500 mm×4 mm)表面，传感器2安放在导波杆上面，且布置在同一圆周上(圆周半径r=200 mm)，传感器与铁板及杆之间使用凡士林耦合。在两传感器分布圆圆心处断铅，采集信号，每组杆采集20次断铅信号。
(3)换不同的杆重复步骤(2)，记传感器同时在导波杆1和铁板采集信号为第一组，传感器同时在导波杆2和铁板采集信号为第二组，依次类推至第七组。
3 结果与分析
采集到的信号经过小波去噪处理后，处理结果见表2(比值为传感器安放在导波杆的信号与安放铁板信号之比)。
由第一组和第二组数据分析，对面积比α=0．46阶梯杆1和面积比α=0.65阶梯杆2，随着面积比α的增加，最大振幅比和能量比都减小，符合位移透射系数m=2/(1+α)随α增加而减小的性质。对圆锥杆3～6，其大小端面积相同，α为定值，由第三组至第六组数据可知，随着锥度的减小，其最大振幅比和能量比都减小。其原因在于这里的假设是完全弹性体，没有能量的损失，而实际金属介质并非完全弹性体，除了弹性外还有粘性和塑形，内部还有少量杂质和缺陷，这些都会引起能量的损耗。设单位体积的能量损耗一定，对圆锥杆而言，锥度愈小，其体积愈大，波在其传播时，损耗也愈大。这就解释了相同面积比，不同锥度的圆锥杆对信号的放大情况不同。从第一、三、四组数据可以看出，相同面积比的阶梯杆1和圆锥杆3，4，圆锥杆的最大振幅比和能量比都比阶梯杆1的大些。比较第三组和第七组数据，杆3和杆7为相同的高度和小端面积，但杆3的大端面积比杆7大，其最大振幅和能量比也比杆7大。
4 结论
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(4)当圆锥形杆的高度和小端面积固定时，大端面积越大，放大倍数也越大。
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