0 引言

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射（Acoustic Emission, 簡稱AE） ,有時也稱為應力波發射。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，被稱為聲發射源。近年來，流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機制無直接關系的另一類彈性波源，被稱為其它或二次聲發射源在美國，檢測人員已將波導桿用于原子能壓力容器在線監測和可靠性評價，得到良好的效果。大慶石油學院李善春博士通過研究不同長度和不同截面積的導波桿，得出桿長度和面積對聲發射信號的影響，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上，通過理論分析和實驗相結合方法，設計出一種能放大信號的波導桿，使波導桿的應用范圍更廣泛。

聲發射是一種常見的物理現象，各種材料聲發射信號的頻率范圍很寬，從幾Hz的次聲頻、20 Hz~20K Hz的聲頻到數MHz的超聲頻；聲發射信號幅度的變化范圍也很大，從10m的微觀位錯運動到1m量級的地震波。如果聲發射釋放的應變能足夠大，就可產生人耳聽得見的聲音。大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要藉助靈敏的電子儀器才能檢測出來。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術，人們將聲發射儀器形象地稱為材料的聽診器。

1 彈性波經過桿截面突變的傳播

當聲發射彈性波沿金屬桿傳播時，在桿截面面積發生突變處，會發生波的透射和反射作用。設聲發射彈性波從大截面桿傳播到小截面桿，其位移投射系數為：

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）。但當S2/S1→O時，uT/uI→2,所以彈性波每經過一個截面積間斷桿時，單級放大倍數的極限為2.圓錐形桿可以近似看做由一系列面積發生強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。

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

2 實驗方案與步驟

為了研究不同結構形狀的導波桿對聲發射信號的放大情況，采集經過不同結構的導波桿信號，利用能量、最大振幅二個參數研究其放大規律。所以設計了一系列不同結構的桿來研究其放大規律。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：聲華科技公司SR150聲發射傳感器，自帶前置放大器（放大倍數為40 dB）；成都中科動態儀器公司PCI4721數據采集卡；上位機PC.

試驗步驟如下：

（1）利用0.5 mm HB鉛筆芯折斷作為聲源進行傳感器標定。

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

3 結果與分析

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

由第一組和第二組數據分析，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M=2/（1+α）隨α增加而減小的性質。其原因在于這里的假設是完全彈性體，沒有能量的損失，而實際金屬介質并非完全彈性體，除了彈性外還有粘性和塑形，內部還有少量雜質和缺陷，這些都會引起能量的損耗。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、四組數據可以看出，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據，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 結論

（1）位移透射系數M=2/（1+α）只對完全彈性體適合，實際應用中，M除了與α有關外，還與桿的具體結構和桿的物理性質等有關，需要實驗去修正M.

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

（3）當圓錐形波導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，放大倍數也越大。

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