CN102788847A - 声发射检测中连接传感器的谐振传导杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，安装在待测试金属设备或测量部件金属的表面，与声发射传感器连接，检测金属设备的断裂损伤或内部裂纹，其特征在于：传导杆是由大端和小端两个金属材料圆柱体构成的阶梯形整体结构，传导杆大端固紧在设备结构的金属表面，声发射传感器安装在传导杆的小端上，阶梯形金属材料圆柱体的大端和小端的直径和长度的尺寸满足谐振条件，即在某种声发射频率的作用下传导杆会产生谐振，并具有聚能和振幅放大功能，试验研究结果表明：由此设计的谐振传导杆应用于声发射检测具有幅值放大数十倍和频域带通滤波的功能。

Description

声发射检测中连接传感器的谐振传导杆

技术领域

本发明涉及一种用于声发射信号检测的、金属材料结构或设备与声发射传感器之间信号传导的装置，特别是把固体材料在断裂损伤或内部裂纹活动时释放储存的能量产生的微弱声发射信号进行放大，从而增强检测或监视材料内部变化整个过程的装置。

背景技术

在材料加工、处理和使用过程和设备安装中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等，这些变化会严重损害材料和设备的安全，这些材料或者结构在外力和内力作用下产生变形或者断裂，就以弹性波的形式释放出应变能而发出声音，也就是声发射，利用接收声发射信号研究材料、动态评价结构的完整性称为声发射检测技术，这种探测技术能够将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。1964年美国最早将声发射技术应用于检验产品质量，经过几十年的研究应用，人们近年来对将声发射信号检测对材料的范性形变、马氏体相变、裂纹扩展、应力腐蚀以及焊接过程产生裂纹和飞溅等检测到声发射信号，连续监视材料内部变化的整个过程都进行了研究，获得了迅速发展。因此，声发射检测技术是一种动态无损伤检测技术。但是由于发射信号较弱小而且还有环境噪声干扰，会影响到对声发射信号的判断，因此要对采集的信号进行处理，希望可以放大反应变形或断裂时发出的声发射信号，过滤其他无用的信号。有时产生声发射信号的环境还比较恶劣，如高温、高压、高湿或辐射，不能安装传感器，必须把声发射信号传导到适合传感器工作的环境。

最近，人们对声发射信号的传播特性，特别是耦合传导进行了大量生产研究，公开文献也有了一些报道，例如：

中国专利（CN94103537.9），“用于声发射检测的声耦合方法及装置”，用有磁性的换能器及有磁性的液体耦合剂来进行声发射检测。磁性液体耦合剂由磁性微粒、载体（可为机油、水、烃类化合物），分散剂（可为油酸、琥珀酸及其衍生物）组成。换能器按磁性材料安放位置的不同可有内置式和外置式两种。该方法进行声发射检测可以在不同检测位置（倾斜、垂直等）都确保耦合剂不流失，获得良好的耦合效果。

中国专利（CN 201110057898.2）“一种用于煤矿顶板声发射监测的单元结构”，包括至少一个共聚物压电岩层声发射传感单元，一个处理单元。传感单元获得100Hz到1MHz岩层声发射信号强度的变化，经过无源电缆(比如，可在直埋时防水、低电容、可达100m或更长的超强韧性高密度聚乙烯电缆)连接到处理单元，一个处理单元可以连接多个传感单元。传感单元实时获得地顶板岩层声发射信号，处理单元进行信号采集、预处理，并将预处理的数据通过无线或有线方式传输出去。

中国专利（CN200520009082.2）“一种声发射传感球压压头”，一种声发射传感球压头，实现对脆性材料的在线性能无损检测，特别是对尺寸较小的标准样品和不能放置在实验机上测试的实物，可以得到非常准确的测试结果。

中国专利（CN200520200834.3）“一种内孔缺陷预应力－声发射集成检测设备”，由径向弹性加载装置、镶嵌传感器的摩擦材料、声发射传感器以及装夹装置构成。声发射传感器牢固固定在摩擦材料上。当弹性径向加载装置膨胀作用力于内孔，如果内孔表面涂层产生缺陷，则产生声发射信号。同样，当弹性径向加载装置膨胀作用于内孔，然后在摩擦材料装夹装置的作用下沿轴向运动时，涂层与基体之间的结合不足、涂层内应力导致工作状态下产生裂纹等，也产生声发射信号。采用声发射传感器检测裂纹产生和扩展的信息，做到既不损害合格的再制造产品，又能够探测到萌生阶段的缺陷。适用于内孔涂层缺陷、裂纹等的检测领域。

中国专利（CN 201120152206.8）“一种地下岩体声发射信号聚焦传感装置”，包括一个导波构件，导波构件的末端固定连接有一个密闭的壳体，壳体内设有声透镜，在声透镜的焦点位置设有声音感应元件，声音感应元件与壳体固定连接，声音感应元件连接有信号传输线，导波构件安装在地下岩体内部，可以及时准确捕捉地下岩体破坏前期所释放的声发射信号，声透镜将声发射信号充分聚焦到声音感应元件上，声音感应元件将这些声发射信号转化为电信号，并通过信号传输线输出给后续处理装置，壳体为防锈金属制成的金属壳体，可以满足煤矿等特殊地下工程安全使用。

中国专利（CN 201120184125.6）“适于连接声发射探头的标准杆部件”，包括：第一杆体和第二杆体；其中，第一杆体为采用一种合金材料制成的柱体结构，该柱体结构至少包括两段不同外径的柱体；第二杆体为采用另一种合金材料制成的柱体结构，该柱体结构至少包括两段不同外径的柱体；第一杆体与第二杆体的一端焊接固定形成一个中间部位外径小于两端部位外径的柱体结构；第二杆体端部设有圆形定位槽，该圆形定位槽的外径小于所述第二杆体端部的外径。该部件便于同时对不同材料的拉伸、疲劳性能以及摩擦进行考察，并便于连接声发射探头，可实现试样损伤过程中声发射信号的实施监测采集。

中国专利（CN 200910234666.2）“一种用于声发射检测的波导杆”，包括波导杆主体以及两个连接端，第一连接端与被测物体连接，第二连接端与声发射传感器连接，其特征在于：所述的波导杆主体的形状为回转体，对称于回转中心的两边轮廓线满足双曲线方程，即：其中a＝5～15，b＝5～15。为了便于波导杆与被测物体连接，在波导杆的第一连接端设置有一磁铁。与现有技术相比，本发明波导杆的主体为回转体，且其轮廓满足双曲线方程，当其一端与被测物体连接，另一端与声发射传感器连接后，被测物体的温度经波导杆传递后，温度梯度变化快，即温度衰减快，不会对声发射传感器造成影响，同时，传递的声信号衰减小，测试精度高。

中国专利（CN 201110100501.3）“一种声发射检测设备探头的通用固定装置”，包括主体、高度调节推杆，推杆压帽、连接件以及可更换式探头压帽，其中，能够根据探头的直径更换探头，压接面的直径不同可更换探头压帽，还可以进一步包括压力显示单元，用于将所述压敏传感器检测到的压力信号显示出来供检验人员实时了解所述探头的固定情况。

中国专利（CN 201110136339.0）“声发射传感器的吸附装置”，由压板、位置调节旋柱、固定块、传感器垫、传感器座、强力磁铁等部分构成，传感器座正面中心线上开有导线槽，方便传感器末端的导线引出。针对具有铁磁性材料表面的电力现场设备，快速将声发射传感器吸附固定在这些电力设备表面，并通过可调节的旋钮来调节传感器的具体位置而且可以减少测量过程中的人为干扰因素。

从上述的公开文献中我们看到，为了解决声发射信号从被检测对象到传感器之间的传播问题，人们提出了不少办法、申请了不少专利，但基本上还是局限在紧固传感器、增强耦合效果、减少高热对传感器的影响等方面，声发射信号至传感器的传导普遍存在衰减、失真，检测数值误差较大等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种在声发射检测中能够把微弱声发射信号的幅值放大数十倍并具有带通滤波功能的谐振传导杆。

本发明是这样实现的：

声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，安装在待测试金属设备或测量部件金属的表面，与声发射传感器连接，检测金属设备的断裂损伤或内部裂纹，其特征在于：传导杆是由大端和小端两个金属材料圆柱体构成的阶梯型整体结构，传导杆大端固紧在设备结构的金属表面，声发射传感器安装在传导杆的小端上，阶梯型金属材料圆柱体的大端和小端的直径和长度的尺寸满足谐振条件，即在某种声发射频率的作用下传导杆会产生谐振，并具有聚能和振幅放大功能，其结构应该满足其固有频率与被测的声发射信号的频率相等，能够把实现声发射信号从待测试设备或测量部件金属的表面到传感器的谐振传导。

以上所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：阶梯形金属材料圆柱体大端和小端的直径和长度尺寸满足谐振条件时，当大端小端长度相等，理论放大倍数M_P＝N²；当传导杆大端长度是小端长度2倍，理论放大倍数为M_P＝|2N² coskl_b|＝2N²，其中kl_b＝Mπ，M为1,2,3...，N为大端与小端半径之比。

如果传导杆圆柱体大端和小端长度不相等，或者传导杆大端长度不是小端长度2倍，可以根据上述公式进行推导，主要符合具有聚能和振幅放大功能的结构即可。

以上所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，在测量信号频率与传导杆设定的谐振频率相同时，会生产共振聚能、振幅放大效应，当频率成份偏离该谐振频率时振幅将不会放大、还会有衰减，信号经过谐振传导杆相当于使其经过一个带通滤波器，以最大峰值下降3dB确定上下截止频率，则该带通滤波器的滤波带宽约为中心频率的10%。

所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的金属材料是钢、铝、银和铜，或者铁合金、铝合金、铜合金和银合金，例如：铁-锰、铁-镍、铁-铬、铁-铜、铁-钛、镍-铝、铝-镁、铜-锡或铜-银等合金，谐振传导杆的实际放大倍数与所用材料密度相关，密度越大声速度越高，实际放大倍数越接近理论值。一般可根据需要选择高密度的合金材料如黄铜制成实际放大效果好的传导杆。

所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的大端固紧在设备结构的金属表面采用固化粘接或焊接的形式，粘接剂采用502胶、环氧树脂或硅橡胶。

所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的小端上安装声发射传感器的方式采用耦合剂粘连，耦合剂选用凡士林、机油或黄油。

所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，可以设计为复合型的偶合传导杆，复合型的传导杆的结构是做成两个阶梯，即在传导杆小端上方再设一个阶梯。

所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的形状是圆柱体，或者是指数形柱体、悬链线形柱体、阶梯形柱体、高斯形柱体、傅里叶形柱体和余弦形柱体，一般阶梯形的放大倍数可达到最大，且容易加工，所以推荐选用阶梯形。

以上所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，可以设计为不同波长倍数长度，试验表明，2倍波长的传导杆放大倍数最大而且比较均匀，推荐选择2倍波长作为谐振长度。

本发明设计要点是根据要检测的声发射信号频率成分确定其中心频率，以此中心频率作为传导杆的谐振频率，参照功率超声变幅杆的设计理论，设计出针对不同材料（不同中心频率）声发射信号检测的阶梯形谐振传导杆。试验研究结果表明，设计的阶梯形谐振传导杆应用于声发射信号检测具有幅值放大数十倍和频域带通滤波的功能。

本发明声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的使用方法是：把谐振传导杆的大端用胶水粘连或焊接到需要测量是否有断裂或裂纹设备表面的钢板上、传导杆的小端上用耦合剂如凡士林安装声发射传感器。

本发明“声发射检测中连接传感器的谐振传导杆”的设计方法：

参照功率超声变幅杆的设计理论，主要设计方法有：传统的振动波形解法、等效电路法、机械阻抗法、等效四端网络法、有限元法、传输线法、分段趋近法、表观弹性法等。无论哪种类型的谐振传导杆都应具有谐振特性、放大特性和形状因素特性。谐振传导杆在工作时会产生共振现象，在共振状态下输出端（安装声发射传感器）质点的位移（速度振幅）会比输入端（紧固在被测对象上）质点的位移（速度振幅）大，称为放大特性。谐振传导杆有不同形状，其所能达到最大振动速度也不同，形状变化越大，所能达到的最大振动速度也越大，称为形状因素特性。

上述可以知道，本发明声发射检测中连接传感器的谐振传导杆与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著的进步是：

1、结构简单，本发明声发射检测中连接传感器的谐振传导杆设计成大端和小端两个金属材料圆柱体构成的阶梯型整体结构，容易加工。

2、放大倍数大，检测数值误差小，由于设计阶梯型传导杆，信号不会横向传递。

3、滤波功能好，能够去除非裂纹和创伤的信号干扰，特别是去除环境噪声干扰

4、信号放大不失真，

附图说明

图1是本发明声发射检测中连接传感器的谐振传导杆变截面杆的纵向振动示意图。

图2是声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的纵向振动示意图。

图3是声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的结构示意图。

图4是复合型声发射检测中连接传感器的谐振传导杆结构示意图。

图中序号和部件名称：

1-声发射检测中连接传感器的谐振传导杆大端；2-声发射检测中连接传感器的谐振传导杆小端，3-复合端。

具体实施方式

声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的设计理论：

如图1，在简谐振动下，动力学方程可以写成

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\ϵ}}{\∂x^2}+\frac{1}{s}\·\frac{\∂s}{\∂x}\·\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x}+k^2\mathrm{\ϵ}=0---\left(1\right)$

（1）式是波在杆中纵向振动的波动方程。其中k为圆波数且k²＝ω²/c²，ω为波的圆频率且ω＝2πf，

为纵波在杆中的传播速度。

如图2所示，设计传导杆的结构为阶梯形状，并设定阶梯形变截面处为x＝0，作用在传导杆的输入端与输出端的力与振动速度分别是

与

这样阶梯形的传导杆在谐振运动状态下的纵向振动方程为：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\ϵ}}{\∂x^2}+k^2\mathrm{\ϵ}=0---\left(2\right)$

其微分方程的解如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&epsiv;}}_a=A_1\cos \mathrm{\&kappa;x}+B_1\sin \mathrm{\&kappa;x},& (-a<x<0)\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_b=A_2\cos \mathrm{\&kappa;x}+B_2\sin \mathrm{\&kappa;x},& (0<x<b)\end{array}\right.---\left(3\right)$

由边界条件ε_a|_x＝-a＝ε₁及

得到

A₁＝ε₁cosкa，B₁＝-ε₁sinкa                （4）

另一端的边界条件ε_b|_x＝b＝-ε₂和

计算出 $\left\{\begin{array}{c}{A}_2=-{\mathrm{\&epsiv;}}_2\cos \mathrm{kb}+F_2\frac{\sin \mathrm{kb}}{\mathrm{Ek}{S}_2}\\ B_2=-{\mathrm{\&epsiv;}}_2\sin \mathrm{\&kappa;b}-F_2\frac{\cos \mathrm{kb}}{\mathrm{Ek}{S}_2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式子（4）（5）代入（3）得质点位移为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&epsiv;}}_a={\mathrm{\&epsiv;}}_1\cos \left[\mathrm{\&kappa;}(x+a)\right]\\ {\mathrm{\&epsiv;}}_b=\frac{F_2}{{\mathrm{EkS}}_2}\sin k(b-x)-{\mathrm{\&epsiv;}}_2\cos k(b-x)\end{array}\right.$

位移节点在处（n＝1,2,3…）。

在截面x＝0处，存在截面突变，情况相对比较复杂，大端的横截面积比上小端的横截面积不太大，为了便于计算可认为力是连续的，即将此条件代入公式（3）得：

S₁B₁＝S₂B₂                                    （6）

在没有负载的情况下，即Z_L=0，把式子（3）（4）代入式（6）得放大系数 $M_P=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}=\frac{S_1}{S_2}\&times;\frac{\sin \mathrm{\&kappa;a}}{\sin \mathrm{kb}},$ 由此可得：

当a＝b时，放大系数为 $M_P=\frac{S_1}{S_2}=N^2---\left(7\right)$

当a＝2b时，放大系数为 $M_P=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}=\frac{S_1}{S_2}\&times;\frac{\sin \mathrm{\&kappa;a}}{\sin \mathrm{kb}}=2N^2\cos \mathrm{kb}---\left(8\right)$

式中

R₁、R₂分别为传导杆输入端、输出端的半径。

传导杆中质点的最大振动速度与杆的最大应力σ_max有一定的关系，它们满足

其中ρC是杆材料的特性力阻抗，

是一无量纲的常数，由传导杆的几何形状来决定，称为形状因数，经过变换得

ε_max为传导杆上质点的最大位移，由 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}{\&PartialD;x}=-\frac{F}{E{S}_2}\cos k(b-x)-{\mathrm{\&epsiv;}}_{2}k\sin k(b-x)$ 极值条件求x，在把x代入 ${\mathrm{\&epsiv;}}_b=\frac{F_2}{{\mathrm{EkS}}_2}\sin k(b-x)-{\mathrm{\&epsiv;}}_2\cos k(b-x)$ 求得传导杆上质点的最大位移ε_max＝ε₂。

由极值条件

可以计算出应变极大点x，在把x带入

这个式子可求得应变极大值

把结果带入形状因数方程得

但是阶梯形的传导杆的横截面变化存在跃变，会存在应力集中，所以实际形状因数

变截面杆的纵向振动：

运用传统的振动波形解法来设计传导杆，设变截面杆对称轴为坐标轴x，作用在小范围(x,x+dx)上的应力为可以得出动力学方程为

其中s＝s(x)为杆坐标轴上对应点得横截面积与坐标轴的关系式，ε＝ε(x)为杆坐标轴上对应质点的位移与坐标轴的关系式，

为杆坐标轴上质点的应力与坐标轴的关系式，ρ为杆材料的密度、E为杨氏模量。

如图2所示，把传导杆的小端长度作为大端的负载，由等效电路法可以得到负载阻抗的表达式为：

$Z=\frac{Z_b+j{Z}_{\mathrm{oa}}\tan (k_a\&CenterDot;a)}{1+\frac{Z_b}{Z_{\mathrm{oa}}}\tan (k_a\&CenterDot;a)}---\left(9\right)$

式中Z_ob＝S₂ρ_b·C_b，Z_oa＝S₁ρ_a·C_a，C、ρ分别为纵波在材料中传播的速度和传导杆材料的密度。如果传导杆的输出端（小端）没有负载，则Z_b＝jZ_ob tan(k_b·b)式（9）式可以改写成所以频率方程为

其中

由于传导杆是用同一种材料做成的，并且希望有一定的放大倍数，即S₁≠S₂。

（1）当a＝b＝l/2时，谐振的频率公式可以写成因此谐振长度的方程为

谐振总长为 $l=a+b=\frac{\mathrm{n\&pi;}}{k},(n=\mathrm{1,2,3}...)---\left(10\right)$

（2）当a≠b时，谐振的频率公式可以写成 $\frac{S_1\tan k{l}_a+S_2\tan {\mathrm{kl}}_b}{S_1-S_2\tan k{l}_a\tan {\mathrm{kl}}_b}=0---\left(11\right)$

我们希望声发射信号经过传导杆后有放大作用，因此在实际设计过程中，N的范围一般在1.01到10之间，阶梯形的传导杆的放大倍数理论上在1.01到100之间。

声发射检测中连接传感器的谐振传导杆的设计

根据要检测的声发射信号频率成分确定其中心频率f₀，以此中心频率作为传导杆的谐振频率，设计出针对不同材料（不同中心频率）声发射信号检测的阶梯形谐振传导杆。

设阶梯形的传导杆大端直径为D，谐振长度为L,则比值为α＝D/L，在实际应用中，传导杆的实际工作频率与理论频率之间有一定的差异，因此定义频率降低系数

f_si为阶梯形传导杆工作时的实际频率，f₀为阶梯形传导杆的理论固有频率（理论值f₀＝c_l/2l），c_l为纵波在传导杆中传播速度，l为传导杆长度。为便于加工，选择α大一些，如取α＝0.45，N＝3，可以依据“贺西平.高洁.超声变幅杆设计方法研究，2006.2.25卷1期”和“林仲茂．超声变幅杆的原理和设计．北京：科学出版社，1987”查得β＝0.91，则传导杆的理论固有频率为：传导杆的实际谐振长度l_i为：

$l_i=\frac{\mathrm{\&beta;}{C}_i}{2f_{\mathrm{si}}}---\left(12\right)$

由α＝D/L_i得，D＝αl_i                                            （13）

由N＝D/d得， $d=\frac{D}{N}---\left(14\right)$

在实际应用中，在截面突变处存在应力集中，在阶梯形传导杆的截面突变处，采用过度圆弧可以减少杆的应力集中，但传导杆的共振频率会受到过度圆弧半径的影响。对于选定好的N及α值，都会存在一个过度圆弧半径R，使得设计出来传导杆的共振频率与理论值f₀一致，称此时的半径为最佳过渡圆弧半径R_OP,系数R_OP/d，N取在3左右时，α＝0.45，从文献查得，过渡圆弧系数为0.65。因此过渡圆弧半径为

R_OP＝0.65×d                                                     （15）

对比式子（10）与（12）得实际的谐振长度l_i与理论长度l之间的关系：

$l_i=\mathrm{\&beta;l}=\mathrm{\&beta;}\frac{\mathrm{nc}}{2f_{\mathrm{si}}}$ （其中n表示位移节点的数量）        （16）

验证实例

断铅时发生的声发射信号比较典型，也比较容易获取信号，而且与固体材料断裂破坏时发生的声发射信号相似，将采用断铅信号作为声发射源进行验证试验。研究表明，断铅声发射信号的中心频率为80KHz，所以下面所设计传导杆的谐振固有频率为80KHz。

试验1：不同材料的传导杆

当a＝b、N=3时，理论放大系数对钢、铝和黄铜等不同材料设计计算的0.5倍波长的阶梯传导杆。由文献查得，纵波在45#钢中的传播速度c₁＝5.2×10⁶mm/s、在铝中的传播速度c₂＝6.4×10⁶mm/s、在铜中的传播速度c₃＝3.8×10⁶mm/s，分别把c₁，c₂，c₃代入式子（16）得到传导杆的谐振长度l，把l带入式子（13）得传导杆的大端直径D，把D代入式子（14）得其小端直径d，把d代入式子（15）得过渡圆弧半径R，其设计计算结果如表1、试验结果如表2。

表1钢、铝和黄铜等不同材料的半波长阶梯形传导杆设计尺寸

材料	长度lb	大端直径D	小端直径d	过渡圆弧半径R
					45#钢	29.6	13.3	4.44	2.9
铝	36.4	16.4	5.5	3.55
					黄铜	21.6	9.72	3.24	2.1

表2钢、铝和黄铜等不同材料的半波长阶梯形传导杆的试验结果

材料	理论放大倍数	实际放大倍数	滤波带宽
				45#钢	9	3.7	7.37kHz
铝	9	4.5	6.29kHz
				黄铜	9	8.17	8.38kHz

试验2：横截面积比相同的不同谐振长度的传导杆

当a＝b、N=3时，理论放大系数

以黄铜材料设计不同谐振长度的阶梯形传导杆，尺寸如表3、试验结果如表4。

表3不同谐振长度的黄铜材料的阶梯形传导杆

节点的数量n	谐振长度l	大端直径D	小端直径d	过渡圆弧半径R
					2（1倍波长）	43.23	19.45	6.48	4.2
4（2倍波长）	86.45	38.9	12.97	8.4
					5（2.5倍波长）	108.06	48.63	16.2	10.54
6（3倍波长）	129.68	58.35	19.45	12.64
					8（4倍波长）	172.9	77.81	25.94	16.86

表4不同谐振长度的黄铜材料的阶梯形传导杆的试验结果

节点数量n	理论放大倍数	实际放大倍数	滤波带宽
				2（1倍波长）	9	8.79	8.85kHz
4（2倍波长）	9	8.81	8.66kHz
				5（2.5倍波长）	9	8.27	8.75kHz
6（3倍波长）	9	8.75	8.16kHz
				8（4倍波长）	9	8.70	8.72kHz

试验3：横截面积比不同的2倍波长的黄铜材料传导杆

当a＝b时，取α＝0.45，分别使N＝2，N＝4，设计得到节2倍波长（节点数为4）黄铜材料阶梯形传导杆如表5、试验结果如表6。

表5理论放大倍数不同的2倍波长黄铜阶梯形传导杆

表6理论放大倍数不同的2倍波长黄铜阶梯形传导杆试验结果

试验4：横截面积比相同的两端长度不相等的黄铜传导杆

当l_a＝2l_b、N=3时，代入式子（16）、（11），得出谐振长度的方程为kl_b＝Mπ，其中M为1,2,3…，理论放大倍数都为M_P＝|2N² coskl_b|＝18，同样以黄铜材料设计出三个阶梯形传导杆如表7、试验结果如表8。

表7理论放大倍数相同的不同谐振长度的黄铜阶梯形传导杆

节点数量n	长度lb	长度la	大端直径D	小端直径d	过渡圆弧半径R
						3	21.6	43.25	29.2	9.73	6.3
6	43.25	86.5	58.4	19.5	12.65
						9	64.9	129.8	87.58	29.2	19

表8理论放大倍数相同的不同谐振长度的黄铜阶梯形传导杆

节点数量n	理论放大倍数	实际放大倍数	滤波带宽
				3	18	16.0	8.31kHz
6	18	17.5	7.45kHz
				9	18	16.8	8.12kHz

试验结果分析：

试验结果表明，断铅声发射信号经过45#钢、铝和黄铜材料的半波长阶梯形谐振传导杆后（理论放大倍数相同），峰峰值的放大比M_黄铜＞M_45#＞M_铝，材料的密度越大，信号放大倍数也越大，并发现了声发射信号经过传导杆后的实际放大效果与理论放大比有一定的差距。由于加工误差和耦合界面的反射，或者波在材料中的传播速度与理论值有一定的差距，导致设计出来传导杆的实际振动频率与理论振动频率有一定的偏差，因此放大倍数没有达到理想的状态。对信号滤波带宽进行分析，发现黄铜材料的带宽最大，45#钢材料带宽次之，而铝材料带宽最小，材料的密度越大，信号的滤波带宽越宽。

试验结果表明，可以认为2倍波长的传导杆放大倍数最大而且比较均匀。断铅信号经过传导杆后在低频或者高频段信号都非常微小，而在共振频率80khz左右信号的振幅很大，声发射信号经过不同谐振长度传导杆后有滤波效果，滤波带宽变化不大，没有与谐振长度的明显规律。

试验结果表明，断铅声发射信号经过谐振长度相同、横截面积比不同的传导杆后放大倍数有较大变化。信号经过横截面积比N值为2的变幅杆，理论放大倍数为4但经过试验得到的信号放大倍数比4小一些，信号经过横截面积比N值为4的变幅杆，理论放大倍数为16，但经过试验得到的信号放大倍数比16小一些，横截面积比N的值越大，则信号的放大倍数也越大。信号滤波带宽随着横截面积比的增大而减小，但变化也不大。

以上可见本发明阶梯形传导杆圆柱体大端和小端的直径和长度尺寸满足谐振条件时，当大端小端长度相等，理论放大倍数M_P＝N²；当传导杆大端长度是小端长度2倍，理论放大倍数为M_P＝|2N² coskl_b|＝2N²，其中kl_b＝Mπ，M为1,2,3...，N为大端与小端半径之比

如果传导杆圆柱体大端和小端长度不相等，或者传导杆大端长度不是小端长度2倍，可以根据上述公式进行推导，主要符合具有聚能和振幅放大功能的结构即可。

试验结果表明，断铅声发射信号经过理论放大倍数相同的不同谐振长度的黄铜阶梯形传导杆放大倍数如表9，横截面积比相同，但大端长度是小端长度2倍时，理论放大倍数增加为2倍，实际放大倍数也接近增加为2倍。

Claims (8)

1.一种声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，安装在待测试金属设备或测量部件金属的表面，与声发射传感器连接，检测金属设备的断裂损伤或内部裂纹，其特征在于：传导杆是由大端和小端两个金属材料圆柱体构成的阶梯形整体结构，传导杆大端固紧在设备结构的金属表面，声发射传感器安装在传导杆的小端上，阶梯形金属材料圆柱体的大端和小端的直径和长度的尺寸满足谐振条件，即在某种声发射频率的作用下传导杆会产生谐振，并具有聚能和振幅放大功能，其结构应该满足其固有频率与被测的声发射信号的中心频率相等，能够实现声发射信号从待测试设备或测量部件金属的表面到传感器的谐振传导。

2.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：阶梯形金属材料圆柱体大端和小端的直径和长度尺寸满足谐振条件时，当大端小端长度相等，理论放大倍数                                                

；当传导杆大端长度是小端长度2倍，理论放大倍数为

，其中

，

为

，

为大端与小端半径之比。

3.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：在测量信号频率与传导杆设定的谐振频率相同时，会生产共振聚能、振幅放大效应，当频率成份偏离该谐振频率时振幅将不会放大、还会有衰减，信号经过谐振传导杆相当于使其经过一个带通滤波器，以最大峰值下降3dB确定上下截止频率，则该带通滤波器的滤波带宽约为中心频率的10%。

4.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：阶梯形谐振传导杆的金属材料是钢、铝、银和铜，或者铁合金、铝合金、铜合金。

5.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：传导杆大端固紧在设备结构的金属表面采用固化粘接或焊接的形式，粘接剂采用502胶、环氧树脂或硅橡胶。

6.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：传导杆的小端上安装声发射传感器的方式采用耦合剂粘连，耦合剂选用凡士林、机油或黄油。

7.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：阶梯形谐振传导杆的阶梯为一个阶梯或两个阶梯，两个阶梯的传导杆是在小端上方再设一个小圆柱体，设计为复合型的偶合传导杆。

8.根据权利要求1所述的声发射检测中连接传感器的谐振传导杆，其特征在于：所述的谐振传导杆的形状是圆柱体、指数形柱体、悬链线形柱体、阶梯形柱体、高斯形柱体、傅里叶形柱体或者余弦形柱体。

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