影响波导杆应用的一个关键因素就是衰减问题，刘建军等经过研究认为，进行高温检测的过程中，检测是否成功很大程度上取决于波导杆的耦合是否良好。蒋俊等通过试验证明，只要耦合良好，幅值并不会降低很多。从现场测试来看，波导另一端表面的最大衰减不到２０ｄＢ，完全可以满足检测所需。李建功等利用ＡＮＳＹＳ软件对ＡＥ信号在波导杆中的传播规律进行了数值模拟。数值模拟分析结果表明，ＡＥ信号在波导杆中传播时受波导杆的粗细以及长短影响，波导杆直径在１～１０ｍｍ间时，其对ＡＥ信号传播的影响较小，且波导杆长度应尽量大于０．５ｍ，以保证信号的稳定性。
在以上研究以及运用声学知识分析的基础上，设计了波导杆，其结构如图１所示，笔者分别设计了不同材料、不同直径、不同长度以及有无拐角的波导杆，研究各影响因素对波导杆传导声波的影响。采用控制变量法设计，即研究某一影响因素时，确保其他因素相同。
研究不同结构的波导杆对ＡＥ信号幅值、波形等的影响，确定最适合ＡＥ检测的波导杆的结构。断铅试验是一种稳定、可靠、重复性高的验证方法，常用于模拟损伤源。参数分析法和波形分析法是ＡＥ信号处理最常用的方法，主要用于描述ＡＥ源特性以及评估材料损伤程度，因此采用断铅试验来比较波导杆特性。
采用１６通道声发射系统采集信号，该系统主要由压电传感器、前置放大器、ＡＥ信号记录和分析软件等组成，ＡＥ前置放大器的放大倍数为４０ｄＢ。传感器靠压电效应，将材料局部损伤以能量形式释放的弹性波转化为电信号。门槛值设定为４５ｄＢ，信号采样率设为３Ｍｂ·ｓ－１。采用直径为０．５ｍｍ 的铅芯在矩形试件表面进行断铅试验，铅芯伸长量为２．５ｍｍ，每次断铅时保证铅芯与试件表面夹角为３０°。传感器１，２和５分别置于距离断铅１０ｍｍ处，并采用磁性夹具固定。传感器和试件之间涂有耦合剂，目的是减少ＡＥ信号在传感器和试件界面处过度散射和衰减，采用１０次断铅取平均值的方法进行对比。通道１，２，５进行１０次断铅的ＡＥ信号幅值平均值分别为９８．４，９６．４，９８．０ｄＢ。３个传感器采集的每次断铅的ＡＥ波形也极为类似，为典型的高衰减突发性ＡＥ信号。
快速傅里叶变换（ＦＦＴ）作为时域和频域转换的分析工具，广泛应用在数字通信、图像处理、雷达信号处理、航空航天等领域，利用ＦＦＴ对ＡＥ信号的频谱进行了计算，以观察波形在频域内的变化。
图３为采集的第６次断铅时的ＡＥ波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，３个传感器采集到的波形几乎一致。由ＦＦＴ得出的频谱结果可以看出，３个ＡＥ信号的频谱主频所在的频率段相同，在０～２０ｋＨｚ间以及１１０ｋＨｚ～１２０ｋＨｚ间。
对材料为高温合金ＧＨ４１６９、Ａ３钢的波导杆ＡＥ信号传播特性作了比较，通道１为ＧＨ４１６９合金波导杆＋传感器，通道２为Ａ３钢波导杆＋传感器，通道５为传感器。采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置与高温合金ＧＨ４１６９波导杆端头、Ａ３钢波导杆端头以及不带波导杆的传感器距离相同，为１０ｍｍ。两根波导杆尺寸相同，直径为５ｍｍ，长为１ｍ。
通道１，２，５进行１０次断铅的ＡＥ信号平均幅值分别为８６．６，９３．６，９８．５ｄＢ。比较幅值，发现Ａ３钢波导杆对ＡＥ 信号的衰减明显小于高温合金ＧＨ４１６９波导杆的。
图４为采集的第６次断铅的ＡＥ波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的信号幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号掩埋，通道２采集到的波形更加接近于通道５采集到的波形；相对于无波导杆的通道５，通道１，２接收到的ＡＥ信号略有延迟，延迟时间小于１ｍｓ。
频谱图表明３个ＡＥ信号的频谱主频所在的频率段各有两处，较低频率段大致相同，在０～３０ｋＨｚ之间；较高频率段通道５主频在１２０ｋＨｚ左右，通道
１，２主频在９０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ之间，说明波形有微小失真，对比３个频谱，通道２更加接近于通道５。
通过以上分析，Ａ３钢波导杆接收到的ＡＥ信号衰减要小于ＧＨ４１６９合金波导杆接收到的，且波形更加接近于无波导杆时采集的完全真实信号，因此认为相同尺寸的Ａ３钢波导杆更有利于ＡＥ信号的传播。
２．３ 波导杆直径影响分析
对不同直径Ａ３钢波导杆ＡＥ信号传播特性作了比较，通道１为直径５ｍｍ波导杆＋传感器，通道２为直径１ｍｍ 波导杆＋传感器；采用断铅试验模
拟损伤源，断铅位置与波导杆端头的距离相同，为１０ｍｍ。两根波导杆长度相同，为１ｍ。
通道１，２进行１０次断铅的ＡＥ信号平均幅值分别为８７．５，８１．７ｄＢ。比较幅值，发现５ｍｍ 直径波导杆对ＡＥ信号的衰减明显小于１ｍｍ 直径波导
杆的；这说明波导杆的直径越大，越有利于ＡＥ信号的传播。
图５为采集的第６次断铅ＡＥ信号波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，通道１采集到的波形更加接近于断铅试验产生的脉冲波。频谱图表明，两个ＡＥ信号的频谱主频所在的频率段相同，在０～４０ｋＨｚ间以及１６０ｋＨｚ～１７０ｋＨｚ间。
通过以上分析可知，５ｍｍ 直径波导杆接收到的ＡＥ信号衰减要小，这说明波导杆的直径越大，越有利于ＡＥ信号的传播。
２．４ 波导杆长度影响分析
对不同长度Ａ３钢波导杆的ＡＥ信号传播特性作了比较，通道１为１ｍ长波导杆＋传感器，通道２为０．８ｍ长波导杆＋传感器；采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置与波导杆端头距离相同，两根波导杆直径相同，均为５ｍｍ。
通道１，２进行１０次断铅的ＡＥ信号平均幅值分别为８９．９，９１．２ｄＢ。比较幅值，发现两者之差在１ｄＢ左右；这说明波导杆越短，越有利于ＡＥ信号的传播，但是影响较小。
图６为采集的第６次断铅ＡＥ信号波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，传感器采集到的波形几乎一致。
频谱图表明，两个ＡＥ信号的频谱主频所在的频率段各有两处，较低频率段大致相同，在０～３０ｋＨｚ之间；较高频率段通道１主频在６０ｋＨｚ～７０ｋＨｚ，通道２主频在８０ｋＨｚ～９０ｋＨｚ之间，这可能与端头焊接工艺有关。
通过以上分析，０．８ｍ 长波导杆接收到的ＡＥ信号衰减小，这说明波导杆的长度越短，接收到的ＡＥ信号衰减越小，越有利于ＡＥ信号的传播，所以建议选择适合检测条件下长度较短的波导杆，检测中选择０．８ｍ长的波导杆。
２．５ 波导杆拐角影响分析
为分析拐角对ＡＥ信号的影响，进行了试验，即采用断铅试验模拟损伤源，断铅位置距波导杆端头距离相同。两根波导杆直径相同（为５ｍｍ），长度相同（为１ｍ）。波导杆结构示意如图７所示。
通道１，２进行第１０次断铅的ＡＥ信号平均幅值分别为８８．５，９２．７ｄＢ。比较幅值，发现两者之间差值为４ｄＢ左右，这说明波导杆拐角会造成ＡＥ信号的衰减。
图８为采集的第６次断铅ＡＥ波形以及频谱图，由波形可以看出，开始采集到的幅值较高，之后信号逐渐衰减，开始时信号衰减速度较慢，然后快速衰减直至被环境噪声信号覆盖，传感器采集到的波形几乎一致。
频谱图表明，两个ＡＥ信号的频谱主频较明显，主频范围在０～３０ｋＨｚ之间，但是通道１主频所在频率较窄且略高。
通过以上分析，不带拐角波导杆接收到的ＡＥ信号衰减要小，这说明波导杆拐角对ＡＥ信号有衰减作用，不利于ＡＥ信号的传播，设计时应尽量避免波导杆带拐角。
３ 波导杆高温条件下的应用
选择合适的波导杆应用于高温试验是研究的重点，因此在某热试验过程中，采用波导杆进行高温条件下的ＡＥ损伤检测。波导杆一端与轴承通过黏接的方式连接，保证试件与波导杆的良好接触，另一端通过机械装置以及密封剂和ＡＥ传感器耦合。采用波导杆连接试件和传感器，避免了传感器与高温试件直接接触，接入通道６；作为对比，另一不带波导杆的高温传感器安装于轴承的对称另一端，接入通道１。试验加热温度为７００℃，图９为载荷控制曲线（图中Ｗ 为横向位移载荷，Ｆ 为纵向力）。
图１０为ＡＥ全程采集波形，由图１０可以看出，从外观看两者采集波形大体相似，与载荷谱相对应分为４个阶段，取一阶段信号进行进一步分析。
在此阶段可以明显看出，波形呈周期性变化，变化周期约为２．５ｓ，正好与轴承偏转周期的一半相同，说明此阶段产生的ＡＥ信号主要来源于轴承偏转，但是从波形看出波导杆采集到的波形弱于直接用高温传感器采集到的波形。部分ＡＥ采集波形如图１１所示。
取一部分时间内的波形，统计其平均幅值，通道１，６平均幅值分别为９８．１，８６．３ｄＢ。通过比较幅值，发现两者之差值为１２ｄＢ左右，信号衰减明显。频谱１～３为从第一阶段中挑取的有代表性的３种频谱（见图１２），通过比较发现，主频出现在０～３０ｋＨｚ之间，两者主频频率几乎相同。
４ 结论
Ａ３钢波导杆优于ＧＨ４１６９波导杆。波导杆传播ＡＥ信号受直径的影响，在一定范围内，直径越大越有利于ＡＥ信号的传播；波导杆传播ＡＥ信号特性受长度影响，在一定范围内，长度越短越有利于ＡＥ信号传播；波导杆拐角对ＡＥ信号有衰减作用，使用时应尽量避免波导杆带拐角。
通过高温条件下的应用分析得出：① 波导杆可以用于高温条件下材料的损伤检测；② 波导杆对于ＡＥ信号传播有明显的衰减作用，对于ＡＥ信号较弱的损伤可能检测不到；③ 波导杆会微调ＡＥ信号的频带分布；④ 波导杆应用于高温ＡＥ检测时，波导杆的选材很关键。
作者：宫永辉，武小峰，尹晓峰，刘武刚，肖乃风
（北京强度环境研究所，北京１０００７６）
管道泄漏的声发射检测
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