實驗名稱：基于非線性超聲波法的混凝土碳化無損檢測技術研究

　　實驗(yan)目的(de)：文章提出并實現了一種用于混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)無損檢測(ce)(ce)的(de)非線(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)技術。該方法的(de)原理是(shi)利用PZT傳感器檢測(ce)(ce)脈沖傳播過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)二次(ci)諧波。根據碳(tan)化(hua)(hua)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)密實度變(bian)化(hua)(hua)，引(yin)起超(chao)(chao)聲(sheng)波穿透混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)非線(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)波參(can)數(shu)(shu)(shu)改變(bian)的(de)特性(xing)。通過FFT變(bian)換獲得(de)二次(ci)諧波非線(xian)性(xing)參(can)數(shu)(shu)(shu)，評(ping)估混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)碳(tan)化(hua)(hua)狀況。實驗(yan)結(jie)果表明，在混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)碳(tan)化(hua)(hua)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，所(suo)測(ce)(ce)得(de)的(de)非線(xian)性(xing)參(can)數(shu)(shu)(shu)變(bian)化(hua)(hua)明顯。因此，基(ji)于非線(xian)性(xing)超(chao)(chao)聲(sheng)波特性(xing)的(de)檢測(ce)(ce)技術，檢測(ce)(ce)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)碳(tan)化(hua)(hua)是(shi)可行(xing)的(de)。

　　測試設備：電(dian)壓放(fang)大器(qi)(qi)、數字示波器(qi)(qi)等。

　　實驗過程：

　　根(gen)據配合比(bi)澆筑100mm×100mm×100mm的(de)立(li)方(fang)體試樣，用于對比(bi)超聲(sheng)波(bo)(bo)入射(she)頻率對非線性參數(shu)的(de)影(ying)響。將試樣養護28d后(hou)(hou)，進行快速碳(tan)化(hua)實驗。利用任意(yi)波(bo)(bo)形(xing)發生器(qi)激(ji)發3個周期(qi)長(chang)的(de)脈沖波(bo)(bo)電(dian)(dian)(dian)信號并(bing)輸出至電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)功率放(fang)(fang)大器(qi)中，由(you)功率放(fang)(fang)大器(qi)將該電(dian)(dian)(dian)信號峰(feng)值電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)放(fang)(fang)大為56V。放(fang)(fang)大后(hou)(hou)的(de)電(dian)(dian)(dian)信號激(ji)勵(li)介(jie)質（試樣）發射(she)端的(de)PZT壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)瓷片(pian)，使PZT壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)瓷片(pian)經“逆壓(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)效應”后(hou)(hou)發出超聲(sheng)波(bo)(bo)。試樣封裝示意(yi)圖如圖1所示。

　　圖1：混凝土試(shi)樣封裝示意圖

　　介質（試(shi)樣）接收(shou)端的(de)PZT壓電瓷(ci)片接收(shou)超(chao)聲(sheng)波信號(hao)(hao)，經(jing)PZT壓電瓷(ci)片的(de)“直接壓電效應”后，機械超(chao)聲(sheng)波信號(hao)(hao)變為(wei)電信號(hao)(hao)，放大46db并傳入(ru)數(shu)(shu)字示波器中。對于3個試(shi)樣分別采用入(ru)射頻(pin)(pin)率(lv)為(wei)50kHz、75kHz、100kHz，幅(fu)值(zhi)(zhi)為(wei)10Vpp的(de)3個周期長的(de)脈(mo)沖信號(hao)(hao)，在平均(jun)模(mo)式下進行256平均(jun)采集，數(shu)(shu)據(ju)結果取平均(jun)值(zhi)(zhi)。將數(shu)(shu)據(ju)錄入(ru)計(ji)算機并通過FFT轉換成頻(pin)(pin)域圖，獲得基波（A1）和二次諧波（A2）的(de)幅(fu)值(zhi)(zhi)，計(ji)算得到相對非(fei)線性參數(shu)(shu)βr，探究非(fei)線性參數(shu)(shu)隨著碳化(hua)時間的(de)變化(hua)規律。

　　實驗結果：

　　圖2顯示(shi)了非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)變化(hua)(hua)情況。隨著碳化(hua)(hua)天數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)不斷(duan)增(zeng)加，首(shou)波幅值A1也在不斷(duan)增(zeng)加，二次諧波幅值A2在不斷(duan)減小，所(suo)得的(de)(de)非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)相應(ying)的(de)(de)也在不斷(duan)減小。當(dang)脈沖超(chao)聲波的(de)(de)非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)75kHz時(shi)，其非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)值高于(yu)入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)50kHz與100kHz時(shi)。但(dan)入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)75kHz前后非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)的(de)(de)變化(hua)(hua)程度相對于(yu)入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)50kHz與100kHz的(de)(de)非線(xian)性(xing)參(can)(can)數(shu)(shu)(shu)要(yao)小。這可(ke)能是由于(yu)入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)50kHz，超(chao)聲波產生了嚴重的(de)(de)散射(she)(she)與衰減；當(dang)超(chao)聲波入(ru)(ru)射(she)(she)頻率(lv)(lv)為(wei)(wei)100kHz時(shi)，超(chao)聲波衰減太快，二次諧波幅值迅(xun)速下降。

　　圖2：試樣在不同入射頻率的條件(jian)下隨碳化時間(jian)變(bian)化的非(fei)線(xian)性(xing)參(can)數值

　　圖(tu)3顯示了使用50kHz、75kHz、100kHz為(wei)(wei)入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)脈沖超聲波在碳化進程(cheng)中的(de)(de)非線(xian)性參(can)(can)數的(de)(de)變(bian)化程(cheng)度。入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)50kHz時(shi)，非線(xian)性參(can)(can)數的(de)(de)最大(da)變(bian)化為(wei)(wei)89.4%；入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)75kHz時(shi)，非線(xian)性參(can)(can)數的(de)(de)最大(da)變(bian)化為(wei)(wei)67.1%；入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)100kHz時(shi)，非線(xian)性參(can)(can)數的(de)(de)最大(da)變(bian)化為(wei)(wei)95.2%。超聲波入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)50kHz與100kHz時(shi)的(de)(de)非線(xian)性參(can)(can)數敏感程(cheng)度高于入(ru)(ru)射(she)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)為(wei)(wei)75kHz時(shi)。

　　圖3：試樣在(zai)不同入射頻率(lv)的條件下隨碳化時間改變的非線性參數(shu)前后變化

　　由于(yu)入射頻率為(wei)75kHz時(shi)的(de)非(fei)線性(xing)(xing)參(can)數(shu)值最大(da)，非(fei)線性(xing)(xing)參(can)數(shu)衰減相對于(yu)入射頻率為(wei)50kHz與100kHz時(shi)要(yao)小(xiao)，可以選擇(ze)入射頻率75kHz為(wei)基(ji)頻測(ce)量非(fei)線性(xing)(xing)超聲波參(can)數(shu)。結果表明，在混凝(ning)土碳化過(guo)程中，所測(ce)得的(de)非(fei)線性(xing)(xing)參(can)數(shu)變化明顯。因此(ci)，基(ji)于(yu)非(fei)線性(xing)(xing)超聲波特性(xing)(xing)的(de)檢測(ce)技術，檢測(ce)混凝(ning)土碳化是可行的(de)。

　　電壓放大(da)器推薦：ATA-2048

　　圖：ATA-2048高壓放大器指標參數

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