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

實驗目的：文章提出并實現(xiàn)了一種用于混凝土無損檢測的非線性超聲技術。該方法的原理是利用PZT傳感器檢測脈沖傳播過程中的二次諧波。根據(jù)碳化過程中的混凝土密實度變化，引起超聲波穿透混凝土過程中非線性超聲波參數(shù)改變的特性。通過FFT變換獲得二次諧波非線性參數(shù)，評估混凝土碳化狀況。實驗結果表明，在混凝土碳化過程中，所測得的非線性參數(shù)變化明顯。因此，基于非線性超聲波特性的檢測技術，檢測混凝土碳化是可行的。

測試設備：電壓放大器、數(shù)字示波器等。

實驗過程：

根據(jù)配合比澆筑100mm×100mm×100mm的立方體試樣，用于對比超聲波入射頻率對非線性參數(shù)的影響。將試樣養(yǎng)護28d后，進行快速碳化實驗。利用任意波形發(fā)生器激發(fā)3個周期長的脈沖波電信號并輸出至電壓功率放大器中，由功率放大器將該電信號峰值電壓放大為56V。放大后的電信號激勵介質（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”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（試樣）接收端的PZT壓電瓷片接收超聲波信號，經(jīng)PZT壓電瓷片的“直接壓電效應”后，機械超聲波信號變?yōu)殡娦盘?，放?6db并傳入數(shù)字示波器中。對于3個試樣分別采用入射頻率為50kHz、75kHz、100kHz，幅值為10Vpp的3個周期長的脈沖信號，在平均模式下進行256平均采集，數(shù)據(jù)結果取平均值。將數(shù)據(jù)錄入計算機并通過FFT轉換成頻域圖，獲得基波（A1）和二次諧波（A2）的幅值，計算得到相對非線性參數(shù)βr，探究非線性參數(shù)隨著碳化時間的變化規(guī)律。

實驗結果：

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A1也在不斷增加，二次諧波幅值A2在不斷減小，所得的非線性參數(shù)相應的也在不斷減小。當脈沖超聲波的非線性參數(shù)的入射頻率為75kHz時，其非線性參數(shù)值高于入射頻率為50kHz與100kHz時。但入射頻率為75kHz前后非線性參數(shù)的變化程度相對于入射頻率為50kHz與100kHz的非線性參數(shù)要小。這可能是由于入射頻率為50kHz，超聲波產生了嚴重的散射與衰減；當超聲波入射頻率為100kHz時，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程中的非線性參數(shù)的變化程度。入射頻率為50kHz時，非線性參數(shù)的最大變化為89.4%；入射頻率為75kHz時，非線性參數(shù)的最大變化為67.1%；入射頻率為100kHz時，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時的非線性參數(shù)敏感程度高于入射頻率為75kHz時。

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

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

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圖：ATA-2048高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇