本發(fā)明涉及一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制設(shè)備及方法，屬于前沿聲波調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域，即利用電磁激振器作為穩(wěn)定低頻信號發(fā)射源，同時發(fā)射高頻信號，在被檢測結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的缺陷處產(chǎn)生波束混疊從而出現(xiàn)調(diào)制諧波，利用諧波和高頻與低頻信號幅值間的關(guān)系表征損傷大小。電磁激振器發(fā)生的低頻信號穩(wěn)定且無人為因素影響，同時調(diào)制諧波對微小損傷敏感，從而快速、高效且準確得達到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的無損檢測需求。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)線性超聲檢測主要利用超聲波在傳播過程中遇到介質(zhì)的缺陷和損傷時波的反射和散射等特征進行分析和評價，主要的檢測指標有波的幅值、反射回波渡越時間差和聲速等，本質(zhì)是反映缺陷和損傷區(qū)域的聲阻抗和其它周圍區(qū)域介質(zhì)的差別。而本發(fā)明使用的聲波調(diào)制技術(shù)則利用材料自身非線性和聲波在介質(zhì)損傷處傳播過程中的非線性畸變來進行評價和分析，所以此方法對微小損傷敏感且對損傷的發(fā)展過程有預(yù)判性。

在結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的檢測過程中，傳統(tǒng)的超聲檢測方法受周圍環(huán)境的影響較大，不能達到精準檢測的目的，例如超聲有限幅度法，它需要采用試驗要求較高的穿透法進行試驗，且需要在減少儀器的非線性上做很多工作，具有一定的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：

為解決傳統(tǒng)超聲無損檢測技術(shù)在檢測混凝土內(nèi)部劣化程度時靈敏度不足等問題，本發(fā)明提出了一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制設(shè)備及方法。本發(fā)明采用的聲波調(diào)制技術(shù)是基于兩列波在材料內(nèi)部缺陷處相遇后會相互作用的特點，實驗研究表明，該技術(shù)在檢測混凝土材料內(nèi)部劣化程度上具有很高的可行性和靈敏度，而且利用電磁激振器產(chǎn)生穩(wěn)定的低頻信號，很好的避免了手動敲擊造成的不確定性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制設(shè)備主要由三部分構(gòu)成：超聲檢測系統(tǒng)；固定設(shè)施；以及信號處理系統(tǒng)。

其中，超聲檢測系統(tǒng)由高頻信號發(fā)生器，低頻信號發(fā)生器，電磁激振器，發(fā)射換能器，接收換能器，兩個信號放大器以及示波器組成，低頻信號發(fā)生器通過一個信號放大器與電磁激振器相連，高頻信號發(fā)生器通過另一個信號放大器傳入發(fā)射換能器，接收換能器接收信號后傳入示波器，示波器最后與信號處理系統(tǒng)相連。

其中，固定設(shè)施具體是一個金屬支架，用于固定混凝土試件，以及連接電磁激振器及其探針。

其中，信號處理系統(tǒng)包括存儲器和便攜式計算機。存儲器用于存儲信號處理器得到的超聲信號，便攜式計算機通過已有程序?qū)邮盏男盘栠M行處理。

一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制方法，包括如下步驟：

1.通過固定設(shè)施固定超聲檢測系統(tǒng)以及試樣，固定牢固，使試樣保持絕對水平。

2.通過高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)的高頻正弦信號，通過與其相連的信號放大器和混凝土試塊一端的發(fā)射換能器發(fā)出信號。

3.同時低頻信號發(fā)生器亦產(chǎn)生連續(xù)的低頻正弦信號，通過與其相連的信號放大器傳到電磁激振器，保持電磁激振器與探針和試件通過固定設(shè)施緊密的連接在一起。

4.在混凝土試件的另一端安裝好一接收換能器。接收換能器和發(fā)射換能器均通過耦合劑與混凝土緊密連接。

5.調(diào)制波由示波器記錄下來，并存儲于儲存器中等待后續(xù)處理。

本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)特征在于：

1.低頻信號由電磁激振器帶動探針產(chǎn)生，避免了由人工敲擊產(chǎn)生低頻信號的不確定性。

2.非線性超聲數(shù)值信號的處理。非線性超聲信號的特點表現(xiàn)為功率譜能量的重分布，需要在頻域里對信號進行精確分析。由于非線性信號弱，容易被噪音淹沒，本發(fā)明在非線性超聲數(shù)值信號的處理過程中，能提高超聲信號頻譜分析的精度，得到準確的數(shù)據(jù)。

3.采用非線性聲學原理檢測混凝土,相對于傳統(tǒng)的混凝土檢測技術(shù)以及有限幅度法，聲波衰減法等，能比較精確的檢測混凝土內(nèi)部的劣化程度。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明方法為混凝土無損檢測領(lǐng)域的新方法，對混凝土內(nèi)部的微裂縫和損傷的擴展敏感，能快速、高效且準確得達到結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的無損檢測需求。

附圖說明

圖1混凝土無損檢測設(shè)備模型與信號傳遞過程。

圖2調(diào)制信號的典型時域圖。

圖3調(diào)制信號的頻域圖。

圖中具體標號如下：

1.高頻信號發(fā)生器，2.低頻信號發(fā)生器，3.信號放大器，4.信號放大器，5.發(fā)射換能器，6.電磁激振器，7.固定支架，8.接收換能器，9.示波器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制設(shè)備主要由三部分構(gòu)成：超聲檢測系統(tǒng)；固定設(shè)施；以及信號處理系統(tǒng)。

其中，超聲檢測系統(tǒng)由高頻信號發(fā)生器1，低頻信號發(fā)生器2，電磁激振器6，發(fā)射換能器5，接收換能器8，兩個信號放大器3、4以及示波器9組成，低頻信號發(fā)生器2通過一個信號放大器4與電磁激振器6相連，高頻信號發(fā)生器1通過另一個信號放大器3傳入發(fā)射換能器5，接收換能器8接收信號后傳入示波器9，示波器9最后與信號處理系統(tǒng)相連(圖1)。

其中，固定設(shè)施具體是一個金屬的固定支架7，用于固定混凝土試件，以及連接電磁激振器及其探針。

其中，信號處理系統(tǒng)包括存儲器和便攜式計算機。存儲器用于存儲信號處理器得到的超聲信號，便攜式計算機通過已有程序?qū)邮盏男盘栠M行處理。

一種利用電磁激振器的聲波調(diào)制方法，包括如下步驟：

1.通過固定設(shè)施固定超聲檢測系統(tǒng)以及試樣，固定牢固，使試樣保持絕對水平。

2.通過高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生連續(xù)的高頻正弦信號，通過與其相連的信號放大器和混凝土試塊一端的發(fā)射換能器發(fā)出信號。

3.同時低頻信號發(fā)生器亦產(chǎn)生連續(xù)的低頻正弦信號，通過與其相連的信號放大器傳到電磁激振器，保持電磁激振器與探針和試件通過固定設(shè)施緊密的連接在一起。

4.在混凝土試件的另一端安裝好一接收換能器。接收換能器和發(fā)射換能器均通過耦合劑與混凝土緊密連接。

5.調(diào)制波由示波器記錄下來，并存儲于儲存器中等待后續(xù)處理。

本發(fā)明的原理：本發(fā)明對于接收的聲信號處理是基于非線性超聲理論，與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)具有明顯不同，主要是通過測量通過混凝土材料的超聲波的調(diào)制諧波的幅值的變化，來表征混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部劣化程度。

對于線性介質(zhì)(如無缺陷試樣)，當兩列波在其中傳播并相遇時，一列波對另一列波的傳播不發(fā)生作用，兩列波相遇后，各自頻率不變，幅值符合線性疊加原理；若介質(zhì)中有不連續(xù)，即存在非線性區(qū)域，則兩列波在該區(qū)域相遇后將發(fā)生相互作用，其幅值不符合線性疊加原理，產(chǎn)生兩列波的“耦合項”，即調(diào)制諧波。在頻域中會觀察到有新的成分產(chǎn)生，這就是波束混疊現(xiàn)象。

根據(jù)已有的非線性聲學理論，假設(shè)以一正弦波作為高頻波束，頻率為f1，幅值為a1，以其相位角為零作為參照，

其波形為：c(τ)＝a1sin(f1τ)，

同時假設(shè)以一正弦波作為低頻波束，頻率為f2，幅值為a2，以其相位角為零作為參照

低頻信號波形為：c(τ)＝a2sin(f2τ)

由于兩束超聲信號(高頻頻率為f1，低頻頻率為f2)在混凝土內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生了調(diào)制(圖2)，在頻域中產(chǎn)生了調(diào)制諧波(圖3)，頻率為(f1+f2)或(f1-f2)。調(diào)制信號的位移可以表示為：

u(x，t)＝a1cos(2πf1τ)+a2cos(2πf2τ)+ascos[2π(f1-f2)τ]+ascos[2π(f1+f2)τ]

式中，u為位移，x是聲波的傳播距離，t為時間，τ＝t-x/c，c為波速，f1，f2為別為高低頻信號的頻率，as為旁頻的幅值，a1，a2分別為高低頻信號的幅值。

我們定義旁頻的相對幅值為非線性系數(shù)，來表征混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部劣化程度。

由公式可以看到，當我們能同時得到旁頻幅值和高低頻信號的幅值，即可計算得到表征混凝土劣化程度的非線性系數(shù)，此即為本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。

在上述理論基礎(chǔ)上對儲存在示波器中的信號進行處理：接收的超聲信號進行時域轉(zhuǎn)頻域的fft變換處理，對頻域進行分析，得到諧波的幅值分量as。又已知高低頻信號的幅值a1與a2，由上述原理即可得到表征混凝土損傷的非線性參數(shù)β。