聲發(fā)射(AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象,，也稱為彈性波發(fā)射。聲發(fā)射檢測是無損檢測和評估中的一種重要方法,，具有動態(tài)評估和實時診斷性,。大慶石油學(xué)院李善春博士通過研究不同長度和不同截面積的導(dǎo)波桿，得出桿長度和面積對聲發(fā)射信號的影響,，將其用于石油管道和水管泄漏檢測。本文在以上研究的基礎(chǔ)上,，通過理論分析和實驗相結(jié)合方法,，設(shè)計出一種能放大信號的波導(dǎo)桿，使波導(dǎo)桿的應(yīng)用范圍更廣泛。

1 彈性波經(jīng)過桿截面突變的傳播

當(dāng)聲發(fā)射彈性波沿金屬桿傳播時,，在桿截面面積發(fā)生突變處,，會發(fā)生波的透射和反射作用。設(shè)聲發(fā)射彈性波從大截面桿傳播到小截面桿,，其位移投射系數(shù)為：

式中：S1為桿大截面面積,；S2為桿小截面面積；uI為入射波位移,；uT為透射波位移,。令α=S2/S1，則M=2/(1+α),。由上式可知,，當(dāng)S2一定時，增加S1則位移透射系數(shù)M增加,。但當(dāng)S2/S1→O時,，uT/uI→2，所以彈性波每經(jīng)過一個截面積間斷桿時,，單級放大倍數(shù)的極限為2,。圓錐形桿可以近似看做由一系列面積發(fā)生強(qiáng)間斷的階梯桿所組成。彈性波在其傳播也會增加位移透射系數(shù),。

聲發(fā)射彈性波經(jīng)過變截面桿透射后位移增大,，質(zhì)點間的振幅增加，所以質(zhì)點間彈力增加,，利用壓電傳感器把力信號轉(zhuǎn)換為電信號原理,，其電信號也增加，起到放大聲發(fā)射信號的效果,。

2 實驗方案與步驟

為了研究不同結(jié)構(gòu)形狀的導(dǎo)波桿對聲發(fā)射信號的放大情況,，采集經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波桿信號，利用能量,、最大振幅二個參數(shù)研究其放大規(guī)律,。所以設(shè)計了一系列不同結(jié)構(gòu)的桿來研究其放大規(guī)律。如圖1所示,，(a)為階梯形桿,，(b)為圓錐形桿，尺寸見表1,。

采集系統(tǒng)：聲華科技公司SR150聲發(fā)射傳感器,，自帶前置放大器(放大倍數(shù)為40 dB)；成都中科動態(tài)儀器公司PCI4721數(shù)據(jù)采集卡,；上位機(jī)PC,。

試驗步驟如下：

(1)利用0．5 mm HB鉛筆芯折斷作為聲源進(jìn)行傳感器標(biāo)定,。

(2)把傳感器1放在鐵板(500 mm×500 mm×4 mm)表面，傳感器2安放在導(dǎo)波桿上面,，且布置在同一圓周上(圓周半徑R=200 mm),，傳感器與鐵板及桿之間使用凡士林耦合。在兩傳感器分布圓圓心處斷鉛,，采集信號,，每組桿采集20次斷鉛信號。

(3)換不同的桿重復(fù)步驟(2),，記傳感器同時在導(dǎo)波桿1和鐵板采集信號為第一組,，傳感器同時在導(dǎo)波桿2和鐵板采集信號為第二組，依次類推至第七組,。

3 結(jié)果與分析

采集到的信號經(jīng)過小波去噪處理后,，處理結(jié)果見表2(比值為傳感器安放在導(dǎo)波桿的信號與安放鐵板信號之比)。

由第一組和第二組數(shù)據(jù)分析,，對面積比α=0．46階梯桿1和面積比α=0.65階梯桿2,，隨著面積比α的增加，最大振幅比和能量比都減小,，符合位移透射系數(shù)M=2/(1+α)隨α增加而減小的性質(zhì),。對圓錐桿3～6，其大小端面積相同,，α為定值,，由第三組至第六組數(shù)據(jù)可知，隨著錐度的減小,，其最大振幅比和能量比都減小,。其原因在于這里的假設(shè)是完全彈性體，沒有能量的損失,，而實際金屬介質(zhì)并非完全彈性體,，除了彈性外還有粘性和塑形，內(nèi)部還有少量雜質(zhì)和缺陷,，這些都會引起能量的損耗,。設(shè)單位體積的能量損耗一定，對圓錐桿而言,，錐度愈小,，其體積愈大，波在其傳播時,，損耗也愈大,。這就解釋了相同面積比，不同錐度的圓錐桿對信號的放大情況不同,。從第一,、三,、四組數(shù)據(jù)可以看出，相同面積比的階梯桿1和圓錐桿3,，4，圓錐桿的最大振幅比和能量比都比階梯桿1的大些,。比較第三組和第七組數(shù)據(jù),，桿3和桿7為相同的高度和小端面積，但桿3的大端面積比桿7大,，其最大振幅和能量比也比桿7大,。

4 結(jié)論

(1)位移透射系數(shù)M=2/(1+α)只對完全彈性體適合，實際應(yīng)用中,，M除了與α有關(guān)外,，還與桿的具體結(jié)構(gòu)和桿的物理性質(zhì)等有關(guān)，需要實驗去修正M,。

(2)階梯形桿的放大比與其面積比有關(guān),，固定小端面積，當(dāng)大端面積增加時,，放大比增加,，但并非線性關(guān)系。

(3)當(dāng)圓錐形波導(dǎo)桿的大小端面面積一定時,，錐度越大,，能量、最大振幅值越大,，反之越小,。

(4)當(dāng)圓錐形桿的高度和小端面積固定時，大端面積越大,，放大倍數(shù)也越大,。

由此可知，圓錐形波導(dǎo)桿在聲發(fā)射檢測中,，可以起到導(dǎo)波與放大信號作用,，使得波形更清晰，有利于準(zhǔn)確檢測,，提高分析精度,，使導(dǎo)波桿應(yīng)用更廣泛。