影響波導桿應用的一個關鍵因素就是衰減問題，劉建軍等經過研究認為，進行高溫檢測的過程中，檢測是否成功很大程度上取決于波導桿的耦合是否良好。蔣俊等通過試驗證明，只要耦合良好，幅值并不會降低很多。從現場測試來看，波導另一端表面的最大衰減不到２０ｄＢ，完全可以滿足檢測所需。李建功等利用ＡＮＳＹＳ軟件對ＡＥ信號在波導桿中的傳播規律進行了數值模擬。數值模擬分析結果表明，ＡＥ信號在波導桿中傳播時受波導桿的粗細以及長短影響，波導桿直徑在１～１０ｍｍ間時，其對ＡＥ信號傳播的影響較小，且波導桿長度應盡量大于０．５ｍ，以保證信號的穩定性。
在以上研究以及運用聲學知識分析的基礎上，設計了波導桿，其結構如圖１所示，筆者分別設計了不同材料、不同直徑、不同長度以及有無拐角的波導桿，研究各影響因素對波導桿傳導聲波的影響。采用控制變量法設計，即研究某一影響因素時，確保其他因素相同。
研究不同結構的波導桿對ＡＥ信號幅值、波形等的影響，確定最適合ＡＥ檢測的波導桿的結構。斷鉛試驗是一種穩定、可靠、重復性高的驗證方法，常用于模擬損傷源。參數分析法和波形分析法是ＡＥ信號處理最常用的方法，主要用于描述ＡＥ源特性以及評估材料損傷程度，因此采用斷鉛試驗來比較波導桿特性。
采用１６通道聲發射系統采集信號，該系統主要由壓電傳感器、前置放大器、ＡＥ信號記錄和分析軟件等組成，ＡＥ前置放大器的放大倍數為４０ｄＢ。傳感器靠壓電效應，將材料局部損傷以能量形式釋放的彈性波轉化為電信號。門檻值設定為４５ｄＢ，信號采樣率設為３Ｍｂ·ｓ－１。采用直徑為０．５ｍｍ 的鉛芯在矩形試件表面進行斷鉛試驗，鉛芯伸長量為２．５ｍｍ，每次斷鉛時保證鉛芯與試件表面夾角為３０°。傳感器１，２和５分別置于距離斷鉛１０ｍｍ處，并采用磁性夾具固定。傳感器和試件之間涂有耦合劑，目的是減少ＡＥ信號在傳感器和試件界面處過度散射和衰減，采用１０次斷鉛取平均值的方法進行對比。通道１，２，５進行１０次斷鉛的ＡＥ信號幅值平均值分別為９８．４，９６．４，９８．０ｄＢ。３個傳感器采集的每次斷鉛的ＡＥ波形也極為類似，為典型的高衰減突發性ＡＥ信號。
快速傅里葉變換（ＦＦＴ）作為時域和頻域轉換的分析工具，廣泛應用在數字通信、圖像處理、雷達信號處理、航空航天等領域，利用ＦＦＴ對ＡＥ信號的頻譜進行了計算，以觀察波形在頻域內的變化。
圖３為采集的第６次斷鉛時的ＡＥ波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，３個傳感器采集到的波形幾乎一致。由ＦＦＴ得出的頻譜結果可以看出，３個ＡＥ信號的頻譜主頻所在的頻率段相同，在０～２０ｋＨｚ間以及１１０ｋＨｚ～１２０ｋＨｚ間。
對材料為高溫合金ＧＨ４１６９、Ａ３鋼的波導桿ＡＥ信號傳播特性作了比較，通道１為ＧＨ４１６９合金波導桿＋傳感器，通道２為Ａ３鋼波導桿＋傳感器，通道５為傳感器。采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置與高溫合金ＧＨ４１６９波導桿端頭、Ａ３鋼波導桿端頭以及不帶波導桿的傳感器距離相同，為１０ｍｍ。兩根波導桿尺寸相同，直徑為５ｍｍ，長為１ｍ。
通道１，２，５進行１０次斷鉛的ＡＥ信號平均幅值分別為８６．６，９３．６，９８．５ｄＢ。比較幅值，發現Ａ３鋼波導桿對ＡＥ 信號的衰減明顯小于高溫合金ＧＨ４１６９波導桿的。
圖４為采集的第６次斷鉛的ＡＥ波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的信號幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號掩埋，通道２采集到的波形更加接近于通道５采集到的波形；相對于無波導桿的通道５，通道１，２接收到的ＡＥ信號略有延遲，延遲時間小于１ｍｓ。
頻譜圖表明３個ＡＥ信號的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在０～３０ｋＨｚ之間；較高頻率段通道５主頻在１２０ｋＨｚ左右，通道
１，２主頻在９０ｋＨｚ～１００ｋＨｚ之間，說明波形有微小失真，對比３個頻譜，通道２更加接近于通道５。
通過以上分析，Ａ３鋼波導桿接收到的ＡＥ信號衰減要小于ＧＨ４１６９合金波導桿接收到的，且波形更加接近于無波導桿時采集的完全真實信號，因此認為相同尺寸的Ａ３鋼波導桿更有利于ＡＥ信號的傳播。
２．３ 波導桿直徑影響分析
對不同直徑Ａ３鋼波導桿ＡＥ信號傳播特性作了比較，通道１為直徑５ｍｍ波導桿＋傳感器，通道２為直徑１ｍｍ 波導桿＋傳感器；采用斷鉛試驗模
擬損傷源，斷鉛位置與波導桿端頭的距離相同，為１０ｍｍ。兩根波導桿長度相同，為１ｍ。
通道１，２進行１０次斷鉛的ＡＥ信號平均幅值分別為８７．５，８１．７ｄＢ。比較幅值，發現５ｍｍ 直徑波導桿對ＡＥ信號的衰減明顯小于１ｍｍ 直徑波導
桿的；這說明波導桿的直徑越大，越有利于ＡＥ信號的傳播。
圖５為采集的第６次斷鉛ＡＥ信號波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，通道１采集到的波形更加接近于斷鉛試驗產生的脈沖波。頻譜圖表明，兩個ＡＥ信號的頻譜主頻所在的頻率段相同，在０～４０ｋＨｚ間以及１６０ｋＨｚ～１７０ｋＨｚ間。
通過以上分析可知，５ｍｍ 直徑波導桿接收到的ＡＥ信號衰減要小，這說明波導桿的直徑越大，越有利于ＡＥ信號的傳播。
２．４ 波導桿長度影響分析
對不同長度Ａ３鋼波導桿的ＡＥ信號傳播特性作了比較，通道１為１ｍ長波導桿＋傳感器，通道２為０．８ｍ長波導桿＋傳感器；采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置與波導桿端頭距離相同，兩根波導桿直徑相同，均為５ｍｍ。
通道１，２進行１０次斷鉛的ＡＥ信號平均幅值分別為８９．９，９１．２ｄＢ。比較幅值，發現兩者之差在１ｄＢ左右；這說明波導桿越短，越有利于ＡＥ信號的傳播，但是影響較小。
圖６為采集的第６次斷鉛ＡＥ信號波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。
頻譜圖表明，兩個ＡＥ信號的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在０～３０ｋＨｚ之間；較高頻率段通道１主頻在６０ｋＨｚ～７０ｋＨｚ，通道２主頻在８０ｋＨｚ～９０ｋＨｚ之間，這可能與端頭焊接工藝有關。
通過以上分析，０．８ｍ 長波導桿接收到的ＡＥ信號衰減小，這說明波導桿的長度越短，接收到的ＡＥ信號衰減越小，越有利于ＡＥ信號的傳播，所以建議選擇適合檢測條件下長度較短的波導桿，檢測中選擇０．８ｍ長的波導桿。
２．５ 波導桿拐角影響分析
為分析拐角對ＡＥ信號的影響，進行了試驗，即采用斷鉛試驗模擬損傷源，斷鉛位置距波導桿端頭距離相同。兩根波導桿直徑相同（為５ｍｍ），長度相同（為１ｍ）。波導桿結構示意如圖７所示。
通道１，２進行第１０次斷鉛的ＡＥ信號平均幅值分別為８８．５，９２．７ｄＢ。比較幅值，發現兩者之間差值為４ｄＢ左右，這說明波導桿拐角會造成ＡＥ信號的衰減。
圖８為采集的第６次斷鉛ＡＥ波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號逐漸衰減，開始時信號衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環境噪聲信號覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。
頻譜圖表明，兩個ＡＥ信號的頻譜主頻較明顯，主頻范圍在０～３０ｋＨｚ之間，但是通道１主頻所在頻率較窄且略高。
通過以上分析，不帶拐角波導桿接收到的ＡＥ信號衰減要小，這說明波導桿拐角對ＡＥ信號有衰減作用，不利于ＡＥ信號的傳播，設計時應盡量避免波導桿帶拐角。
３ 波導桿高溫條件下的應用
選擇合適的波導桿應用于高溫試驗是研究的重點，因此在某熱試驗過程中，采用波導桿進行高溫條件下的ＡＥ損傷檢測。波導桿一端與軸承通過黏接的方式連接，保證試件與波導桿的良好接觸，另一端通過機械裝置以及密封劑和ＡＥ傳感器耦合。采用波導桿連接試件和傳感器，避免了傳感器與高溫試件直接接觸，接入通道６；作為對比，另一不帶波導桿的高溫傳感器安裝于軸承的對稱另一端，接入通道１。試驗加熱溫度為７００℃，圖９為載荷控制曲線（圖中Ｗ 為橫向位移載荷，Ｆ 為縱向力）。
圖１０為ＡＥ全程采集波形，由圖１０可以看出，從外觀看兩者采集波形大體相似，與載荷譜相對應分為４個階段，取一階段信號進行進一步分析。
在此階段可以明顯看出，波形呈周期性變化，變化周期約為２．５ｓ，正好與軸承偏轉周期的一半相同，說明此階段產生的ＡＥ信號主要來源于軸承偏轉，但是從波形看出波導桿采集到的波形弱于直接用高溫傳感器采集到的波形。部分ＡＥ采集波形如圖１１所示。
取一部分時間內的波形，統計其平均幅值，通道１，６平均幅值分別為９８．１，８６．３ｄＢ。通過比較幅值，發現兩者之差值為１２ｄＢ左右，信號衰減明顯。頻譜１～３為從第一階段中挑取的有代表性的３種頻譜（見圖１２），通過比較發現，主頻出現在０～３０ｋＨｚ之間，兩者主頻頻率幾乎相同。
４ 結論
�。粒充摬▽U優于ＧＨ４１６９波導桿。波導桿傳播ＡＥ信號受直徑的影響，在一定范圍內，直徑越大越有利于ＡＥ信號的傳播；波導桿傳播ＡＥ信號特性受長度影響，在一定范圍內，長度越短越有利于ＡＥ信號傳播；波導桿拐角對ＡＥ信號有衰減作用，使用時應盡量避免波導桿帶拐角。
通過高溫條件下的應用分析得出：① 波導桿可以用于高溫條件下材料的損傷檢測；② 波導桿對于ＡＥ信號傳播有明顯的衰減作用，對于ＡＥ信號較弱的損傷可能檢測不到；③ 波導桿會微調ＡＥ信號的頻帶分布；④ 波導桿應用于高溫ＡＥ檢測時，波導桿的選材很關鍵。
作者：宮永輝，武小峰，尹曉峰，劉武剛，肖乃風
（北京強度環境研究所，北京１０００７６）
管道泄漏的聲發射檢測
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