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技术与应用

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波导杆中声发射信号传播特性实验

发布日期:2019-10-23 13:24    浏览次数:

      0  引言

     在工业生产过程中,需要对压力容器、管道、埋地管道等设备进行定期检测,而对于高温、深冷条件下的地下管道,不可能把传感器直接安装在被检测对象外表面上. 1972 年, 有人利用波导杆对原子能压力容器进行了在线监测与可靠性评定,取得了良好的效果 . 许多国家已将波导杆应用到辅助检测中. 拟分析应力波在波导杆中传播的过程,通过实验对Φ6~Φ18 mm 内的波导杆进行有效选择.
     1  动态响应的数学模型
     1. 1  声发射应力波在波导杆中的传播
     波导杆的杆长L 一般远大于它的直径D ,当满足D < (5~10) L ,且λ> 2D (λ为波长,λ= C/ f , C 为波速, f 为频率) 时,可以将波导杆简化为一维弹性杆件. 根据一维波动理论,假设波导杆满足条件:
     (1) 材料均匀且各向同性,并服从虎克定律;
     (2) 振动位移很微小,以至对于动力激发的反应总是线性弹性的;
     (3) 杆体纵向振动时,其横截面保持为平面,且每个截面上的应力均匀分布.
     若在波导杆一端施加一个声发射源,波导杆中就会产生声发射应力波. 该应力波沿波导杆传播,其传播规律服从一维波动方程,即:
 
(1)
     式中: u 为轴向位移; x 为任一点坐标; t 为传播时间; C = ρ/ E ,ρ和E 分别为波导杆材料的平均密度和弹性模量.
     设波导杆受到瞬态激振力I 的冲量作用,则杆振动的初始位移和初始速度分别为
     
(2)
     式中:δ( x) 为Dirac 函数,即脉冲函数; A 为波导杆的横截面积.
     
      1. 2  波导杆端部位移
      波导杆振动的边界条件为
 
(3)
 根据式(2) 和式(3) ,可以得到波导杆在一端受到瞬态激振力作用下位移响应的数学表达式为
 
(4)
    式中:M 为波导杆质量, M =ρA L ; Yn 为圆波数序列, Yn = nπ/ L ( n = 1 , 2 , ⋯) ;ωn 为杆阻尼固有频率,ωn =Y2nC2 - β2 = YnC;β为空气对波导杆等效黏滞阻尼系数.
    在波导杆一端加激振力,另一端放置传感器,传感器端产生的位移为
 
(5)
     2  传感器响应
     为测定位移量,需建立传感器响应与位移之间的关系. 对于压电晶体传感器,当力均匀地加到晶体表面,使其产生位移时,则换能关系为
                                                                         (6)
      将式(5) 代入式(6) 中得
      (7)
     式(6~7) 中:τ为驰豫时间,一般情况下取中为10 - 8 s ;U 为产生的电压. 传感器所接收到的信号幅度AMP与在波导杆一端所给源信号冲量的数学关系为
                                                          (8)
    根据式(7) 和式(8) 即可求得信号幅度与位移的关系. 在长度为3 m 的波导杆一端给100 dB 的断铅模拟信号, 约为5 ×10 - 4 N ;经过在波导杆中传播后, 由式(7) 和式(8) 可以得出AMP 为94 dB ,说明断铅模拟信号在3 m 长波导杆中的信号衰减幅度约为6 dB.
    3  实验
    3. 1  系统 
    实验用波导杆各参数见表1. 传感器为美国PAC 公司生产的R15 型压电晶体传感器,前置放大器为1801A 型(增益为40 dB) ,由全数字式声发射仪PCI - 2 进行分析和记录. 该仪器有2 个通道,它除可记录多种声发射参量外,还可实时捕捉声发射波形并获得频谱特征.
     3. 2  结果分析
     3. 2. 1  声发射模拟源信号的时域波形特征
     为确定波导杆对声发射信号的影响,首先测定模拟源信号的特征. 在传感器端部给断铅信号,波形见图1. 由图1 可见,该信号初始幅度较高,接近100 dB ,信号纵波与横波分离.
     3. 2. 2  经波导杆传播后声发射信号的时域波形特征
     
  分别在不同直径波导杆一端给断铅信号,部分波导杆断铅信号时域波形见图2. 不同直径波导杆在各次反射中的幅度变化规律见图3. 由图3 可以看出, 声发射信号在不同直径的波导杆传播过程中,在其各自反射中的幅度变化前几次衰减较大,而后衰减较小. 首次反射幅度大多集中在80 dB 以上. 由图3 (g) 可看出,第2 次和第3 次反射幅度要略大于第1 次反射幅度,说明较细直径的波导杆对声发射信号传播过程有微量的增益作用.
 
 
     3. 2. 3  波导杆中的传播特征参数
    断铅声发射信号传播前参量与经波导杆传播后得到的声发射信号参数见表2 ,3. 通过表3 , 可得到波导杆直径与首次信号幅值的关系. 其他参数除上升时间随直径增加而增加外,没有明显变化规律。
     3. 2. 4  波导杆中的传播速度
    由图2 可知, 在所设置的采样时间内, 多数波导杆上得到的波形中有十几次信号反射. 通过时差测量可知,相邻波峰间的时差相等. 可以推断第2 个波峰是第1 个波峰的反射波,第3 个波峰是第2 个波峰的反射波,以此类推. 由此根据相邻波峰间的时差Δt 及波导杆长度L ,可求得模拟信号在波导杆中的传播速度v 为:
                                 (9)
    对于实验用7 种波导杆,平均时差Δt = 1 184μs ,平均杆长ŠL = 3 000 mm ,代入式(9) 后得到v = 5 068m/ s. 此为纵波的波速,由简单杆理论,纵波速度vp 为
           (10)
    将ρ= 7. 80 ×103 kg/ m3 代入式(10) 后可得vp = 5 064 m/ s ,与v 接近,证明实验结果正确
   由图2 可以看出,第1 个波峰后面不远处有一个较小幅值的波峰(个别直径波导杆不明显) ,此小波峰与第1 个主波峰间的时差为Δt′,而对于常用7 种波导杆这个数值基本相等,因此横波波速vl 为
       (11)
    将实测ŠL = 3 000 mm ,Δt = 1 184μs ,平均波峰时差Δt′= 368μs ,代入式(11) ,得到vl = 3 125 m/ s. 模拟声发射信号在波导杆的2 个端面间传播时,由于折射、反射等,产生部分波型转换. 在实际检测中,应考虑多种波型存在或波型转换对检测结果带来的一些相关影响.
    由图2 和图3 可知,声发射信号经过波导杆后,其波形发生相应变化,可以看出每种直径的波导杆波形图上都有10 多次反射,说明声发射信号经由波导杆传播后的衰减非常小. 通过参量分析,也证明了这一点. 利用波导杆进行辅助检测成为可能.
    由图3 可知,在不同直径波导杆中信号的幅度变化不大, Φ10 , Φ8 ,Φ6 mm 小直径杆波形图在后几次的反射中幅值有微弱的下降. 声发射信号经几次反射后,幅度均有微量增加现象,这是由纵波和横波波速差异引起的2 次反射信号迭加所致.
     4  结论
    (1) 声发射信号经波导杆传播后其幅度变化较小,说明将波导杆用于高温、低温及深冷等特殊检测条件下是可行的. 经几次反射后,小直径波导杆有微量增益作用. 波导杆直径越大对波的衰减越小.
    (2) 声发射信号在波导杆中传播时,在端面会产生波型变换. 在实际检测中,应考虑多种波型存在或波型转换对检测带来的一些相关影响. 当对声发射信号采用参量分析时,对结果影响不大;使用波形分析时,需考虑波型转换对结果的影响.
                作者:李善春 , 戴光 , 高峰 , 郭福平
           ( 1. 大庆炼化公司,黑龙江大庆 163411 ;  2. 大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318 ;  3. 大庆
石化公司预算中心,黑龙江大庆 163714 )