CN106959340A - 一种利用电磁激振器的声波调制设备及方法 - Google Patents

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吴宇宁
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Abstract

本发明涉及一种利用电磁激振器的声波调制设备及方法，该设备主要由三部分构成：超声检测***；固定设施；以及信号处理***；超声检测***由高频信号发生器，低频信号发生器，电磁激振器，发射换能器，接收换能器，两个信号放大器以及示波器组成；固定设施具体是一个金属支架，用于固定混凝土试件，以及连接电磁激振器及其探针；信号处理***包括存储器和便携式计算机；存储器用于存储信号处理器得到的超声信号，便携式计算机通过已有程序对接收的信号进行处理。本发明方法为混凝土无损检测领域的新方法，对混凝土内部的微裂缝和损伤的扩展敏感，能快速、高效且准确得达到结构和构件的无损检测需求。

Description

一种利用电磁激振器的声波调制设备及方法
技术领域
本发明涉及一种利用电磁激振器的声波调制设备及方法，属于前沿声波调制技术领域，即利用电磁激振器作为稳定低频信号发射源，同时发射高频信号，在被检测结构和构件的缺陷处产生波束混叠从而出现调制谐波，利用谐波和高频与低频信号幅值间的关系表征损伤大小。电磁激振器发生的低频信号稳定且无人为因素影响，同时调制谐波对微小损伤敏感，从而快速、高效且准确得达到结构和构件的无损检测需求。
背景技术
传统线性超声检测主要利用超声波在传播过程中遇到介质的缺陷和损伤时波的反射和散射等特征进行分析和评价，主要的检测指标有波的幅值、反射回波渡越时间差和声速等，本质是反映缺陷和损伤区域的声阻抗和其它周围区域介质的差别。而本发明使用的声波调制技术则利用材料自身非线性和声波在介质损伤处传播过程中的非线性畸变来进行评价和分析，所以此方法对微小损伤敏感且对损伤的发展过程有预判性。
在结构和构件的检测过程中，传统的超声检测方法受周围环境的影响较大，不能达到精准检测的目的，例如超声有限幅度法，它需要采用试验要求较高的穿透法进行试验，且需要在减少仪器的非线性上做很多工作，具有一定的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
为解决传统超声无损检测技术在检测混凝土内部劣化程度时灵敏度不足等问题，本发明提出了一种利用电磁激振器的声波调制设备及方法。本发明采用的声波调制技术是基于两列波在材料内部缺陷处相遇后会相互作用的特点，实验研究表明，该技术在检测混凝土材料内部劣化程度上具有很高的可行性和灵敏度，而且利用电磁激振器产生稳定的低频信号，很好的避免了手动敲击造成的不确定性。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
本发明一种利用电磁激振器的声波调制设备主要由三部分构成：超声检测***；固定设施；以及信号处理***。
其中，超声检测***由高频信号发生器，低频信号发生器，电磁激振器，发射换能器，接收换能器，两个信号放大器以及示波器组成，低频信号发生器通过一个信号放大器与电磁激振器相连，高频信号发生器通过另一个信号放大器传入发射换能器，接收换能器接收信号后传入示波器，示波器最后与信号处理***相连。
其中，固定设施具体是一个金属支架，用于固定混凝土试件，以及连接电磁激振器及其探针。
其中，信号处理***包括存储器和便携式计算机。存储器用于存储信号处理器得到的超声信号，便携式计算机通过已有程序对接收的信号进行处理。
一种利用电磁激振器的声波调制方法，包括如下步骤：
1.通过固定设施固定超声检测***以及试样，固定牢固，使试样保持绝对水平。
2.通过高频信号发生器产生连续的高频正弦信号，通过与其相连的信号放大器和混凝土试块一端的发射换能器发出信号。
3.同时低频信号发生器亦产生连续的低频正弦信号，通过与其相连的信号放大器传到电磁激振器，保持电磁激振器与探针和试件通过固定设施紧密的连接在一起。
4.在混凝土试件的另一端安装好一接收换能器。接收换能器和发射换能器均通过耦合剂与混凝土紧密连接。
5.调制波由示波器记录下来，并存储于储存器中等待后续处理。
本发明的关键技术特征在于：
1.低频信号由电磁激振器带动探针产生，避免了由人工敲击产生低频信号的不确定性。
2.非线性超声数值信号的处理。非线性超声信号的特点表现为功率谱能量的重分布，需要在频域里对信号进行精确分析。由于非线性信号弱，容易被噪音淹没，本发明在非线性超声数值信号的处理过程中，能提高超声信号频谱分析的精度，得到准确的数据。
3.采用非线性声学原理检测混凝土,相对于传统的混凝土检测技术以及有限幅度法，声波衰减法等，能比较精确的检测混凝土内部的劣化程度。
本发明的有益效果：
本发明方法为混凝土无损检测领域的新方法，对混凝土内部的微裂缝和损伤的扩展敏感，能快速、高效且准确得达到结构和构件的无损检测需求。
附图说明
图1混凝土无损检测设备模型与信号传递过程。
图2调制信号的典型时域图。
图3调制信号的频域图。
图中具体标号如下：
1.高频信号发生器，2.低频信号发生器，3.信号放大器，4.信号放大器，5.发射换能器，6.电磁激振器，7.固定支架，8.接收换能器，9.示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明一种利用电磁激振器的声波调制设备主要由三部分构成：超声检测***；固定设施；以及信号处理***。
其中，超声检测***由高频信号发生器1，低频信号发生器2，电磁激振器6，发射换能器5，接收换能器8，两个信号放大器3、4以及示波器9组成，低频信号发生器2通过一个信号放大器4与电磁激振器6相连，高频信号发生器1通过另一个信号放大器3传入发射换能器5，接收换能器8接收信号后传入示波器9，示波器9最后与信号处理***相连(图1)。
其中，固定设施具体是一个金属的固定支架7，用于固定混凝土试件，以及连接电磁激振器及其探针。
其中，信号处理***包括存储器和便携式计算机。存储器用于存储信号处理器得到的超声信号，便携式计算机通过已有程序对接收的信号进行处理。
一种利用电磁激振器的声波调制方法，包括如下步骤：
1.通过固定设施固定超声检测***以及试样，固定牢固，使试样保持绝对水平。
2.通过高频信号发生器产生连续的高频正弦信号，通过与其相连的信号放大器和混凝土试块一端的发射换能器发出信号。
3.同时低频信号发生器亦产生连续的低频正弦信号，通过与其相连的信号放大器传到电磁激振器，保持电磁激振器与探针和试件通过固定设施紧密的连接在一起。
4.在混凝土试件的另一端安装好一接收换能器。接收换能器和发射换能器均通过耦合剂与混凝土紧密连接。
5.调制波由示波器记录下来，并存储于储存器中等待后续处理。
本发明的原理：本发明对于接收的声信号处理是基于非线性超声理论，与传统的超声检测技术具有明显不同，主要是通过测量通过混凝土材料的超声波的调制谐波的幅值的变化，来表征混凝土结构内部劣化程度。
对于线性介质(如无缺陷试样)，当两列波在其中传播并相遇时，一列波对另一列波的传播不发生作用，两列波相遇后，各自频率不变，幅值符合线性叠加原理；若介质中有不连续，即存在非线性区域，则两列波在该区域相遇后将发生相互作用，其幅值不符合线性叠加原理，产生两列波的“耦合项”，即调制谐波。在频域中会观察到有新的成分产生，这就是波束混叠现象。
根据已有的非线性声学理论，假设以一正弦波作为高频波束，频率为f1，幅值为A1，以其相位角为零作为参照，
其波形为：C(τ)＝A1sin(f1τ)，
同时假设以一正弦波作为低频波束，频率为f2，幅值为A2，以其相位角为零作为参照
低频信号波形为：C(τ)＝A2sin(f2τ)
由于两束超声信号(高频频率为f1，低频频率为f2)在混凝土内部缺陷处产生了调制(图2)，在频域中产生了调制谐波(图3)，频率为(f1+f2)或(f1-f2)。调制信号的位移可以表示为：
u(x，t)＝A1cos(2πf1τ)+A2cos(2πf2τ)+Ascos[2π(f1-f2)τ]+Ascos[2π(f1+f2)τ]
式中，u为位移，x是声波的传播距离，t为时间，τ＝t-x/c，c为波速，f1，f2为别为高低频信号的频率，As为旁频的幅值，A1，A2分别为高低频信号的幅值。
我们定义旁频的相对幅值为非线性系数，来表征混凝土结构内部劣化程度。
由公式可以看到，当我们能同时得到旁频幅值和高低频信号的幅值，即可计算得到表征混凝土劣化程度的非线性系数，此即为本发明的理论基础。
在上述理论基础上对储存在示波器中的信号进行处理：接收的超声信号进行时域转频域的FFT变换处理，对频域进行分析，得到谐波的幅值分量As。又已知高低频信号的幅值A1与A2，由上述原理即可得到表征混凝土损伤的非线性参数β。

Claims (2)

1.一种利用电磁激振器的声波调制设备，其特征在于：该设备主要由三部分构成：超声检测***；固定设施；以及信号处理***；
超声检测***由高频信号发生器，低频信号发生器，电磁激振器，发射换能器，接收换能器，两个信号放大器以及示波器组成，低频信号发生器通过一个信号放大器与电磁激振器相连，高频信号发生器通过另一个信号放大器传入发射换能器，接收换能器接收信号后传入示波器，示波器最后与信号处理***相连；
固定设施具体是一个金属支架，用于固定混凝土试件，以及连接电磁激振器及其探针；
信号处理***包括存储器和便携式计算机；存储器用于存储信号处理器得到的超声信号，便携式计算机通过已有程序对接收的信号进行处理。
2.一种如权利要求1所述设备进行声波调制方法，包括如下步骤：
1)通过固定设施固定超声检测***以及试样，固定牢固，使试样保持绝对水平；
2)通过高频信号发生器产生连续的高频正弦信号，通过与其相连的信号放大器和混凝土试块一端的发射换能器发出信号；
3)同时低频信号发生器亦产生连续的低频正弦信号，通过与其相连的信号放大器传到电磁激振器，保持电磁激振器与探针和试件通过固定设施紧密的连接在一起；
4)在混凝土试件的另一端安装好一接收换能器；接收换能器和发射换能器均通过耦合剂与混凝土紧密连接；
5)调制波由示波器记录下来，并存储于储存器中等待后续处理。
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