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

圖：超聲檢測系統(tǒng)圖

為何需要“非線性”檢測？

傳統(tǒng)超聲檢測依賴于波的幅度、到達時間等線性參數(shù)，但對于材料內(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)注更微妙的信號特征，實驗中為了準確激發(fā)和測量這些微弱的非線性效應，對激勵信號的質(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，確保放大后的激勵信號本身不引入額外的非線性噪聲，以免干擾材料產(chǎn)生的真實非線性響應。

靈敏的“耳朵”：接收信號的高精度前置放大

材料產(chǎn)生的非線性響應（如二次諧波）極其微弱，往往比基波信號低數(shù)個數(shù)量級。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：將接收換能器傳來的納伏級（nV）至微伏級（μV）的微弱諧波信號進行初步放大，提升信噪比。

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

非線性超聲檢測的實際應用案例

圖：材料損傷非線性振動實驗框圖

金屬材料的疲勞損傷評估

在航空發(fā)動機葉片、鐵路車軸的疲勞壽命預測中，非線性超聲技術(shù)至關(guān)重要。研究表明，非線性參數(shù)β在疲勞試驗的早期就會顯著上升，而傳統(tǒng)的超聲波速和衰減系數(shù)可能變化不大。這實現(xiàn)了對疲勞壽命的早期預警。

復合材料的微觀損傷監(jiān)測

對于碳纖維復合材料，非線性超聲對纖維斷裂、基體微裂紋、界面脫粘等非常敏感。通過測量非線性參數(shù)的變化，可以評估復合材料在循環(huán)載荷下的損傷累積過程。

增材制造（3D打印）部件的質(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。非線性超聲能夠比線性方法更有效地識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實驗圖

混凝土結(jié)構(gòu)的老化檢測

在混凝土中，非線性超聲對微裂縫的開展以及水泥水化過程非常敏感，可用于評估混凝土結(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參數(shù)

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

審核編輯 黃宇