實驗名稱：非線性超聲檢測實驗

研究方向：以RTM/紡織復(fù)合材料為檢測對象，利用非線性超聲檢測方法對RTM復(fù)合材料孔隙缺陷進行表征，通過非線性特征參量測量，初步實現(xiàn)對RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率的定量表征。

實驗?zāi)康模候炞C非線性超聲系統(tǒng)的基本要求以及幾種非線性超聲實驗方法并針對本研究的檢測對象RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率缺陷對超聲信號的非線性響應(yīng)特點，設(shè)計基于有限幅度非線性超聲檢測方法的檢測實驗系統(tǒng)。

測試設(shè)備：系統(tǒng)主要包括TektronicAFG3102、功率放大器Aigtek公司的ATA-8202、TektronixTDS3032B數(shù)字式熒光示波器、發(fā)射和接收壓電傳感器、計算機和夾具。

實驗過程：本研究的非線性超聲實驗系統(tǒng)采用聲波透射法，寬帶接收方式，分別測量基波和二階、三階高次諧波的幅值。首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波脈沖串，引入功率放大器放大，激勵發(fā)射壓電傳感器發(fā)射單一頻率的超聲波，使其耦合進入被測材料，大振幅超聲波與材料中的晶格畸變、微裂紋、晶格的非簡諧性等微損傷相互作用，使得透過材料的聲波發(fā)生較強的非線性失真，位于試樣另一端的接收換能器將對該非線性超聲信號進行采集，然后利用matlab軟件對接收到的超聲信號進行快速傅里葉變換，得到基波和二次諧波幅值，通過公式計算得到材料的高階相對非線性系數(shù)。原理框圖如下所示：

(a)非線性超聲實驗系統(tǒng)激勵波形選擇

圖3-7所示為3種常見激勵波形。采用連續(xù)波(圖3-7(a))進行激勵，激勵信號可產(chǎn)生單一頻率的超聲波(如圖3-7(b)所示)。由于非線性超聲檢測主要是在頻域上分析信號，因此激勵信號中頻率成分會對實驗結(jié)果帶來很大影響，所以保證激勵信號中頻率單一是非線性超聲檢測的前提條件。但要得到大功率連續(xù)波通常比較困難，而且連續(xù)波激勵下，檢測的軸向分辨率低。采用單脈沖模式(圖3-7(c)作為激勵方式，盡管該模式下激勵波形幅值很大，檢測的軸向分辨力高，但單脈沖信號本身頻率范圍較寬(如圖3-7(d)所示)，很有可能在發(fā)射端引入除基波以外的頻率成分，而不同的頻率成分與微缺陷作用的非線性響應(yīng)也不一樣，使得接受信號中引入不是由材料本身產(chǎn)生的非線性諧波成分，導(dǎo)致測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。同時由于單脈沖激勵下超聲波與材料作用的時間很短很難產(chǎn)生強的非線性效應(yīng)，因此，基于以上所述原因，本實驗擬采用圖3-7(e)所示的脈沖串模式作為激勵信號。該模式下能獲得輸出功率較高且頻率成分較單一的激勵信號，因此脈沖串模式在非線性超聲檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

脈沖串模式下波形周期數(shù)可調(diào)，周期數(shù)越多，頻率成分越單一。結(jié)合試塊及實驗室現(xiàn)有換能器等條件,本實驗采用頻率為2.25M周期數(shù)為30的脈沖串。圖3-8(a)為本實驗所用到的20個周期的脈沖串激勵信號時域波形。圖3-8(b)為FFT變換后的頻域波形，從頻域上看，在5MHz的倍頻位置上并沒有出現(xiàn)二次諧波，表明所用信號頻率成分單一不會給實驗結(jié)果帶來影響。

實驗結(jié)果：實驗選用中心頻率為2.25MHz的窄帶PZT材料壓電品片作為發(fā)射換能器，之所以選擇裸片作為發(fā)射換能器是因為，與商業(yè)化換能器相比，裸片的振動是自由振動不受阻尼塊及其它部件的影響，很大程度上減少了換能器引入的非線性干擾信號對檢測結(jié)果的影響。圖3-9為PZT品片實物圖。圖3-10為PZT品片由方波激勵而得到的初始振動波形圖。圖3-11PZT品片掃頻圖，從圖中可以看到該品片的中心頻率為2.25M,目頻帶寬度較窄，其產(chǎn)生的超聲波頻率成分比較單一符合課題選擇非線性超聲實驗的發(fā)射換能器條件。

本實驗選擇寬帶接收方式，如圖3-12所示，即由一個頻帶較寬的換能器同時接收基波和高階諧波。能夠?qū)邮招盘栔械幕ê椭C波都有較好的響應(yīng)。保證了實驗的一致性，同步性較好。基于上述理論，實驗選擇了OlympusPanametrics系列商用探頭，其型號為OlympusC109,該探頭中心頻率4MHz。圖3-13是該換能器的實物圖，圖3-14為該探頭的掃頻圖，從圖中可以看出該換能器寬帶較寬，對1.5MHz到6.5MHz頻率范圍內(nèi)均有響應(yīng)。可方便實驗觀測二次、三次諧波。

本實驗是為了驗證非線性超聲系統(tǒng)的基本要求以及幾種非線性超聲實驗方法并針對本研究的檢測對象RTM/紡織復(fù)合材料孔隙率缺陷對超聲信號的非線性響應(yīng)特點，設(shè)計了基于有限幅度非線性超聲檢測方法的檢測實驗系統(tǒng)。并分析了實驗系統(tǒng)可能帶來的非線性干擾源，分別選定了符合非線性超聲實驗的激勵波形、發(fā)射和接收換能器等，確保了試驗系統(tǒng)的可靠性。

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布，如想了解更多實驗方案，請持續(xù)關(guān)注安泰官網(wǎng)www.aigtek.com。Aigtek是國內(nèi)專業(yè)從事測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測試儀器產(chǎn)品的研發(fā)與制造。