功率放大器在超声导波全波场腐蚀成像中的应用

实验名称：功率放大器在超声导波全波场腐蚀成像中的应用

研究方向：超声无损检测

实验内容：腐蚀引起的厚度损失对壳体结构的完整性构成了重大威胁，因此定量评估减薄深度至关重要。超声Lamb波检测因其便捷、经济、对人身安全、对波导结构横截面上任何位置的损伤敏感以及能够从单个探头位置检测整个结构等优势，广泛应用于薄壁结构中各种缺陷的检测。扫描激光测振仪可以在传播区域获得全导波场，通过分析超声Lamb波全波场频率与波数的关系，可以分离出不同结构深度对应的特征，从而提高诊断精度。本实验使用任意波形发生器生成汉宁窗调制的400kHz5周期正弦脉冲信号，经由ATA-2022B高压放大器进一步放大驱动PZT压电片产生超声导波，利用激光测振仪记录试样表面的超声导波全波场数据，进行信号处理和缺陷成像。

测试设备：任意波形发生器，ATA-2022B高压放大器，PZT压电片，激光测振仪，采集卡等。

实验过程：

图：实验测试系统实物图

本实验采用汉宁窗调制的窄带脉冲信号（中心频率400kHz，5周期）激励Lamb波在板状结构中传播，该信号设计通过时域包络优化实现频谱能量聚焦（-6dB带宽320-480kHz），有效抑制旁瓣干扰。当Lamb波传播至腐蚀缺陷区域时，将激发多重物理响应：包括散射波生成、S0/A0模式转换及波速变化。利用激光测振仪（位移分辨率0.1μm，扫描步长1mm）非接触式捕获试样表面全波场时空矩阵（典型维度200×200空间点×10,000时间点）。实验系统通过任意波形发生器生成激励信号，经ATA-2022B高压放大器（增益40倍，输出200Vpp）驱动4mm×4mm×4mmPZT压电片产生超声Lamb波，最终基于局部波数估计算法实现缺陷成像，其空间分辨率达λ/2（400kHz在铝中约2mm），显著突破传统点传感方法的物理局限。

实验结果：

图：实验结果

在三块具有不同缺陷的铝板进行测试，从成像结果上来看，所获得图像能够较为准确地还原缺陷的空间分布特征。不仅缺陷的形貌得到了很好的表征，而且缺陷的深度信息也能获得。缺陷位置和深度与真实值一致，边界略显扩展，这是由于最小窗口宽度为一个波长所致，有助于抑制波数泄漏误差。在浅缺陷区域，部分成像方法存在分辨率下降的现象，局部波数估计在此处的稳健性受到波场干扰的影响，尤其在边界反射和缺陷散射交叠区域。对于缺陷深度分布相对均匀的样品，检测具有较高的运算效率；而在深度变化剧烈的区域，计算耗时相应增加。得益于ATA-2022B高压放大器的稳定输出和高压放大，成像结果的信噪比极高。其背景区域几乎无明显伪影，仅在缺陷边缘出现微弱的衍射条纹，略偏离入射方向，属于难以完全抑制的物理散射现象。

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　　图：ATA-2022B高压放大器指标参数

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