非線性超聲檢測(cè)技術(shù)通過(guò)分析超聲波在材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，能夠捕捉到傳統(tǒng)線性超聲方法無(wú)法識(shí)別的微觀缺陷和早期損傷，為材料的性能評(píng)估提供了前所未有的靈敏度。而這項(xiàng)高精尖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，極大地依賴于其核心設(shè)備——高精度電壓放大器。

圖：超聲檢測(cè)系統(tǒng)圖

為何需要“非線性”檢測(cè)？

傳統(tǒng)超聲檢測(cè)依賴于波的幅度、到達(dá)時(shí)間等線性參數(shù)，但對(duì)于材料內(nèi)部的微裂紋、閉合界面、疲勞損傷等，其靈敏度有限。非線性超聲則關(guān)注更微妙的信號(hào)特征，實(shí)驗(yàn)中為了準(zhǔn)確激發(fā)和測(cè)量這些微弱的非線性效應(yīng)，對(duì)激勵(lì)信號(hào)的質(zhì)量要求極為苛刻。電壓放大器必須：

提供高功率：驅(qū)動(dòng)壓電換能器產(chǎn)生足夠振幅的超聲波，以激活材料的非線性行為。

保持極高信號(hào)純度：具有極低的諧波失真（通常<-80dBc）和寬帶寬，確保放大后的激勵(lì)信號(hào)本身不引入額外的非線性噪聲，以免干擾材料產(chǎn)生的真實(shí)非線性響應(yīng)。

靈敏的“耳朵”：接收信號(hào)的高精度前置放大

材料產(chǎn)生的非線性響應(yīng)（如二次諧波）極其微弱，往往比基波信號(hào)低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在接收端，需要高精度電壓放大器作為前置放大器：

放大微弱信號(hào)：將接收換能器傳來(lái)的納伏級(jí)（nV）至微伏級(jí)（μV）的微弱諧波信號(hào)進(jìn)行初步放大，提升信噪比。

保持信號(hào)完整性：在放大過(guò)程中保持信號(hào)的相位和幅度信息不失真，為后續(xù)的精確分析奠定基礎(chǔ)。

非線性超聲檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用案例

圖：材料損傷非線性振動(dòng)實(shí)驗(yàn)框圖

金屬材料的疲勞損傷評(píng)估

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、鐵路車軸的疲勞壽命預(yù)測(cè)中，非線性超聲技術(shù)至關(guān)重要。研究表明，非線性參數(shù)β在疲勞試驗(yàn)的早期就會(huì)顯著上升，而傳統(tǒng)的超聲波速和衰減系數(shù)可能變化不大。這實(shí)現(xiàn)了對(duì)疲勞壽命的早期預(yù)警。

復(fù)合材料的微觀損傷監(jiān)測(cè)

對(duì)于碳纖維復(fù)合材料，非線性超聲對(duì)纖維斷裂、基體微裂紋、界面脫粘等非常敏感。通過(guò)測(cè)量非線性參數(shù)的變化，可以評(píng)估復(fù)合材料在循環(huán)載荷下的損傷累積過(guò)程。

增材制造（3D打?。┎考馁|(zhì)量監(jiān)控

3D打印金屬零件內(nèi)部的未熔合、孔隙和氣孔等缺陷是關(guān)注焦點(diǎn)。非線性超聲能夠比線性方法更有效地識(shí)別和量化這些微觀缺陷，確保打印部件的質(zhì)量。

圖：混凝土損傷超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)圖

混凝土結(jié)構(gòu)的老化檢測(cè)

在混凝土中，非線性超聲對(duì)微裂縫的開(kāi)展以及水泥水化過(guò)程非常敏感，可用于評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)和耐久性。

圖：ATA-2000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

電壓放大器在非線性超聲檢測(cè)研究中遠(yuǎn)不止一個(gè)簡(jiǎn)單的“功率放大”單元，它是連接宏觀激勵(lì)與微觀材料響應(yīng)的精密橋梁。其信號(hào)的純凈度、放大的精度和自身的線性度，直接決定了能否“聽(tīng)清”材料內(nèi)部微觀損傷發(fā)出的“微弱聲音”。

審核編輯 黃宇