實(shí)驗(yàn)名稱：基于非線性超聲波法的混凝土碳化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模何恼绿岢霾?shí)現(xiàn)了一種用于混凝土無(wú)損檢測(cè)的非線性超聲技術(shù)。該方法的原理是利用PZT傳感器檢測(cè)脈沖傳播過(guò)程中的二次諧波。根據(jù)碳化過(guò)程中的混凝土密實(shí)度變化，引起超聲波穿透混凝土過(guò)程中非線性超聲波參數(shù)改變的特性。通過(guò)FFT變換獲得二次諧波非線性參數(shù)，評(píng)估混凝土碳化狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土碳化過(guò)程中，所測(cè)得的非線性參數(shù)變化明顯。因此，基于非線性超聲波特性的檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)混凝土碳化是可行的。

測(cè)試設(shè)備：電壓放大器、數(shù)字示波器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

根據(jù)配合比澆筑100mm×100mm×100mm的立方體試樣，用于對(duì)比超聲波入射頻率對(duì)非線性參數(shù)的影響。將試樣養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行快速碳化實(shí)驗(yàn)。利用任意波形發(fā)生器激發(fā)3個(gè)周期長(zhǎng)的脈沖波電信號(hào)并輸出至電壓功率放大器中，由功率放大器將該電信號(hào)峰值電壓放大為56V。放大后的電信號(hào)激勵(lì)介質(zhì)（試樣）發(fā)射端的PZT壓電瓷片，使PZT壓電瓷片經(jīng)“逆壓電效應(yīng)”后發(fā)出超聲波。試樣封裝示意圖如圖1所示。

圖1：混凝土試樣封裝示意圖

介質(zhì)（試樣）接收端的PZT壓電瓷片接收超聲波信號(hào)，經(jīng)PZT壓電瓷片的“直接壓電效應(yīng)”后，機(jī)械超聲波信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，放大46db并傳入數(shù)字示波器中。對(duì)于3個(gè)試樣分別采用入射頻率為50kHz、75kHz、100kHz，幅值為10Vpp的3個(gè)周期長(zhǎng)的脈沖信號(hào)，在平均模式下進(jìn)行256平均采集，數(shù)據(jù)結(jié)果取平均值。將數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)并通過(guò)FFT轉(zhuǎn)換成頻域圖，獲得基波（A1）和二次諧波（A2）的幅值，計(jì)算得到相對(duì)非線性參數(shù)βr，探究非線性參數(shù)隨著碳化時(shí)間的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2顯示了非線性參數(shù)的變化情況。隨著碳化天數(shù)的不斷增加，首波幅值A(chǔ)1也在不斷增加，二次諧波幅值A(chǔ)2在不斷減小，所得的非線性參數(shù)相應(yīng)的也在不斷減小。當(dāng)脈沖超聲波的非線性參數(shù)的入射頻率為75kHz時(shí)，其非線性參數(shù)值高于入射頻率為50kHz與100kHz時(shí)。但入射頻率為75kHz前后非線性參數(shù)的變化程度相對(duì)于入射頻率為50kHz與100kHz的非線性參數(shù)要小。這可能是由于入射頻率為50kHz，超聲波產(chǎn)生了嚴(yán)重的散射與衰減；當(dāng)超聲波入射頻率為100kHz時(shí)，超聲波衰減太快，二次諧波幅值迅速下降。

圖2：試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時(shí)間變化的非線性參數(shù)值

圖3顯示了使用50kHz、75kHz、100kHz為入射頻率的脈沖超聲波在碳化進(jìn)程中的非線性參數(shù)的變化程度。入射頻率為50kHz時(shí)，非線性參數(shù)的最大變化為89.4%；入射頻率為75kHz時(shí)，非線性參數(shù)的最大變化為67.1%；入射頻率為100kHz時(shí)，非線性參數(shù)的最大變化為95.2%。超聲波入射頻率為50kHz與100kHz時(shí)的非線性參數(shù)敏感程度高于入射頻率為75kHz時(shí)。

圖3：試樣在不同入射頻率的條件下隨碳化時(shí)間改變的非線性參數(shù)前后變化

由于入射頻率為75kHz時(shí)的非線性參數(shù)值最大，非線性參數(shù)衰減相對(duì)于入射頻率為50kHz與100kHz時(shí)要小，可以選擇入射頻率75kHz為基頻測(cè)量非線性超聲波參數(shù)。結(jié)果表明，在混凝土碳化過(guò)程中，所測(cè)得的非線性參數(shù)變化明顯。因此，基于非線性超聲波特性的檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)混凝土碳化是可行的。

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審核編輯 黃宇