實驗名稱：高壓放大器在非線性超聲傳播研究中的應用

　　研究方向：超聲波

　　測試目的：

　　超聲波在混凝土中的传播是一个极为复杂的非線性过程。当超聲波穿过混凝土材料时，携带了大量有关混凝土内部结构和构造的信息。传统的超聲波检测方法虽然在混凝土的质量和内部缺陷评价上得以广泛应用，但由于其基于线弹性理论而获得的有限的首波振幅和波速测试参数，在表征混凝土初始损伤及微观结构的变化上受到相当的限制，导致其分辨率和精度明显不足，而非線性超聲波的发展为解决这一问题提供了理论上的可能。鉴于目前混凝土的非線性超声检测理论和试验研究上的不足，为深入探究混凝土材料非線性超声的产生机理与响应规律，为非線性超声测试方法提供理论基�。�本文采用理论分析、数值模拟、试验测试和信号分析等手段，就混凝土非線性超聲傳播特性开展深入系统的理论和试验研究。

　　測試設備：ATA-2042高壓放大器、示波器、信號發生器、超聲換能器、凡士林等。

　　實驗過程：

圖：砂漿試樣的非線性超聲測試系統

　　搭建非線性超聲測試系統，混凝土非線性超聲測試系統主要包括：信號發生器、ATA-2042高壓放大器、数字示波器和发射与接收换能器。信号发生器发射信号类型为10个周期的脉冲波。为避免超聲波在混凝土内的传播出现较强的衰减效应，发射脉冲频率不宜过高，故选用的脉冲频率为40kHz。高壓放大器型号为ATA-2042，将输入信号的峰值电压放大至50~350V，输入与输出电阻均设置为50Ω。数字示波器的输入阻抗为1MΩ，采样率为2.5MS/s，满足Nyquist-Shannon采样定理。对128次的采集信号进行平均处理，以减少噪声的干扰，提高接收信号的信噪比。超聲波的发射与接收端分别采用PXR04和PXR07型接触式平面纵波换能器。

　　換能器與砂漿試樣之間采用凡士林進行耦合，在固定換能器前用記號筆標記測點位置，以保證發射換能器與接收換能器均位于試樣的中心位置。使用紙巾擦拭砂漿試樣，避免換能器與試樣間夾雜灰塵等細顆粒，再將換能器通過松緊帶緊密纏繞並固定在標記位置。信號分析選取時域曲線中的前7個周期的穩定波形，通過快速傅裏葉變換獲得相應頻譜曲線，提取基波幅值A₁和二階諧波幅值A₂，並計算非線性參數θ。

　　實驗結果：

　�。�1）激勵電壓與非線性參數θ的關系

　　不同測試電壓的混凝土非線性超聲參數θ如下圖所示。對于四組不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，在50~350V的激勵電壓範圍內，非線性超聲參數θ呈波動狀態，說明其未受測試電壓的影響，該結論與完整砂漿的高次諧波試驗結論相吻合，進一步證明了上述測試電壓條件下，非線性超聲參數θ與測試電壓幅值無關。對于同組混凝土試樣，由不同試樣個體所獲得的非線性系數具有一定差異，裂紋的長度、角度均對非線性超聲參數θ具有顯著影響，即使對于相同粗骨料粒徑的混凝土試樣，超聲傳播路徑周圍的微觀結構具有隨機性和離散性特征。

圖：不同激勵電壓條件下的非線性系數變化情況

　　（2）粗骨料粒徑與非線性參數θ的關系

　　對于不同粗骨料粒徑的混凝土試樣，其非線性參數θ由50~350V電壓下的基波幅值A₁與二次諧波幅值A₂的線性擬合確定，擬合直線的決定系數R²如下面圖表所示。所有混凝土試樣的決定系數R²均接近于1，表明基波幅值A₁與二次諧波幅值A₂隨激勵電壓增加呈線性規律。以各組3個混凝土試樣的非線性參數θ平均值作爲不同粗骨料粒徑混凝土的代表值，結果如下圖所示。隨著混凝土粗骨料粒徑的增大，混凝土內的ITZ長度增加，非線性參數θ顯著增加，該規律與數值模擬得到結論相合。

圖表：不同混凝土試樣的基波與二次諧波線性擬合決定系數R²

圖：不同骨料粒徑的非線性參數θ

　　通過數值模擬和試驗研究了激勵幅值、混凝土裂紋密度與非線性參數θ的關系，利用非線性參數θ表征材料的微裂紋並得到了良好的效果。

　　安泰ATA-2042電壓放大器：

圖：ATA-2042高壓放大器指标参数

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　　本文實驗案例參考自知網論文《混凝土非線性超聲傳播特性的理論與試驗研究》