电压放大器在混凝土超声波传播衰减研究中的应用

实验名称：电压放大器在混凝土超声波传播衰减研究中的应用

研究方向：超声检测

测试目的：

超声检测技术是生物医学工程（BME）及工业无损检测（NDT）领域常用的检测技术，可在不侵入被测物体的情况下实现隐伏病灶、缺陷的检测。国内外学者已在超声成像算法领域进行了富有成效的研究，开发了如超声层析成像（CT）、相控阵聚焦、合成孔径聚焦（SAFT）、复合平面波成像等成像算法。然而在混凝土超声无损检测领域，超声算法的应用面临着一些特别的问题，如超声换能器与混凝土粗糙表面的耦合问题、混凝土中可透过声波的频率上限问题、混凝土内的声波散射问题、混凝土内声束指向性问题等。这些问题的特殊性均是源自混凝土材料的异质性和混凝土结构的大尺度。BME超声检测的对象是生物组织，生物组织对声波的散射作用远不及混凝土骨料严重，所探测区域的深度仅在十数厘米，因此可使用数兆赫兹的高频声波，成像分辨率在毫米级。传统工业NDT中的超声检测的对象多为金属，除多晶金属外，一般的金属介质对声波的散射作用也远小于混凝土介质。目前，关于混凝土材料特性对超声无损检测技术应用的影响的研究还较少，基于上述问题，本文针对混凝土材料中超声传播的衰减行为和超声信号的统计随机性进行了研究。

测试设备：ATA-2041电压放大器、任意波形发生器、数据采集系统、笔记本电脑。

图：实验仪器实物图

实验过程：

所有换能器均由400Vpp的电压驱动，并以2MHz的速率进行采样。换能器SA1~SA21可分为三条路径，SA1~SA7为路径1，SA8~SA14为路径2，SA15~SA21为路径3。换能器阵列中每个换能器按顺序激励，同时同一路径中的其他换能器用来接收超声信号，例如在路径1中，当SA1作为激励源发射超声脉冲，SA2~SA7即作为接受传感器接收超声信号。

实验所使用的超声脉冲信号可根据公式进行计算，中心频率f取为50kHz，70kHz，90kHz，110kHz，140kHz五个值。对于每个频率点，SA1~SA21依次被激励，每次激励采集8通道数据，包括1个用于采集激励信号的通道，1个用于采集噪声的通道和6个用于采集介质中传播的超声信号的通道。最终形成的数据文件还要加上一个时间序列，所以每次激励的数据文件包含9个数据列，每个数据列的数据量为8万个采样点（2MHz采样频率对应的采样时间为40ms），且每一次激励均需重复20次以降低噪声。因此，假设每个采样点所占存储空间为8bit，则每个激励频率对应的总数据量应为21×20×9×8×104×8bit=2.5×109bit，换算成Mbyte（Mb）即为302.8Mb。这一数据量是可以用NI-6366数据采集系统和配套的Labview软件轻松处理的。

由于每条传播路径上均布有7个换能器，且相邻两个换能器的纵向间距为200mm，因此在每个激励频率下可以测得距离激励源200mm，400mm，600mm，800mm，1000mm，1200mm六个位置处的超声信号（每个位置处的信号数量不同，200mm处的信号数量最多，1200mm处的信号数量最少），共计30组频率—位置组合，基于这30组数据可以对同一激励频率不同传播距离，以及同一传播距离不同激励频率的信号进行统计分析，从而得到超声波在混凝土中传播的衰减及随机特性。

实验结果：

1、衰减基准

图：混凝土中两个面对面换能器测得的脉冲响应（a）~（e）为时域信号，（f）~（j）为频域信号

SA21和SA22为埋入混凝土中一对紧贴的换能器，其力学边界条件和其他换能器应是相近的，因此将SA21激励，SA22接收的信号作为衰减计算的基准。考虑到不同频率下SA的脉冲响应并不相同，根据波形和频率下的换能器响应，测量结果见上图。可以看到，接收信号在时域扭曲、变形，在频域搬移、扩展，这是换能器内部声波的多次反射、PZT片的机电特性以及换能器材料的惯性造成的。

2、超声衰减测量结果

图：混凝土中超声衰减率系数（a）和传播距离的关系（b）和频率的关系

衰减系数随着声波传播距离的增加而增大，如上图第一组的(a)，这是符合物理事实的，即声波传播的越远，声压、声能衰减越多。而衰减系数及衰减率系数均与频率呈二次多项式趋势，并且在所测频率范围内存在局部最小衰减及衰减率，局部最小值对应的频率在100kHz左右，如上图两组的(b)，这种趋势主要是由材料衰减引起的。在第二组(a)中，衰减率随传播距离的增加而减小，这种趋势主要是由扩散衰减引起的。

扩散衰减率与衰减距离有关，且对于混凝土材料中衰减距离小于800mm的测试点位，扩散衰减率占总衰减率的50%以上。因此，若要使用衰减率系数作为评价材料性能的指标，应考虑总衰减率中扩散衰减率的影响，并采用与衰减距离无关的材料衰减来表征材料特性。

安泰ATA-2041电压放大器：

图：ATA-2041电压放大器指标参数

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本文实验案例参考自知网论文《混凝土中超声波传播的衰减及随机特性研究》

审核编辑黄宇