基于声发射技术实时监测金属空蚀过程的超声空蚀实验装置的研制

黄治伟，黄振峰＊，郭珊珊，陈 芸，肖延安

（广西大学a.机械工程学院；b.广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 南宁 530004）

0 引言

随着超声空化及空蚀研究的深入，其成果已应用到了材料、医学、化工、国防、军事等多个领域。越来越多的研究者开始研究水力机械、高速涵洞、水翼、舵等设备在使用过程中被空蚀的现象。使用超声波对金属材料进行超声空蚀是近几年兴起的一种研究材料损伤的新方法，它通过大功率超声波等介质作用于样品，可快速模拟试验样品与液体接触面的空蚀现象，从而分析材料的空蚀机理[1]。部分企业根据市场需求，生产了系统化的超声空蚀试验机，但因缺少实际的试验经验，现在市面上出售的超声空蚀试验机，其结构都是超声部件垂直放置、试件完全置于（浸泡于）空化介质中，不利于探索空蚀过程的规律。声发射技术作为一项新型的无损检测技术，能有效规避地形、结构和环境的影响，适用于多种复杂工况下的状态监测和故障诊断[2]。同时考虑到空蚀声发射信号是最能反映空蚀程度的主要特征信号，因此将声发射技术应用于金属材料的空蚀过程的实时监测，显然会更有助于了解金属材料的空蚀过程及其空蚀机理。

针对以上情况，设计了一种基于声发射技术实时监测金属材料空蚀过程的超声空蚀实验装置，该装置既能够实现金属材料的超声空蚀，空蚀速率快、空蚀效果明显，又能够通过声发射传感器实时采集金属材料空蚀过程产生的声发射信号，利用声发射技术对被空蚀金属的空蚀特性进行实时分析，为使用声发射技术研究金属材料的空蚀影响因素及其空蚀机理提供实验装置。

1 总体方案的设计

1.1 总体机构设计

为了使金属材料在短时间内被空蚀，需要使用驱动电源产生大功率高频交流电，压电传感器在变交流电作用下伸长或缩短，驱动超声波换能器工作将电源端的高功率信号转换为机械振动，机械振动在经过变幅杆的放大后传输到工具头（工具头是整个超声振动部件的最终端，将机械振动传输到空蚀介质中，机械振动在空蚀介质中传输产生气泡，气泡在高压区溃灭，连续溃灭的气泡不断作用在金属材料表面致使其发生塑性扭曲、疲劳损伤，最终导致表面材料剥落）。将声发射传感器安装在被空蚀的试件上，通过声发射传感器对声发射源所产生的声发射信号进行采集，将采集到的信号传输到声发射系统进行综合分析。虽然声发射检测对构件的几何形状不敏感，但声发射传感器对构件安装环境有一定的要求，如大多数声发射传感器要求黏合界面为无水环境。

如图1 所示，该装置由金属材料空蚀装置和声发射系统组成。超声作用工具头发射面与试件被空蚀面成90°，且以工具头和试件为整体的部分与水平面成45°角布置，既保证超声作用工具头和试件的空化区完全置于（浸泡于）空化介质中，又能使试件的另一端延伸出空化介质液体界面，为安装声发射传感器提供位置，实时监测金属材料空蚀过程的声发射信号；另外，利用辅助移动系统实现工具头与试件之间的距离的可实现自动控制；还设置了空化介质循环和温度控制系统，保证在长时间的空化实验中空化介质温度恒定在气蚀标准协议ASTM G32-06 要求的25±2 ℃[3]。

图1 一种采用声发射实时监测金属空蚀过程的超声空蚀实验装置结构图

金属材料空蚀装置包含超声波空蚀发生器和装有空蚀介质的玻璃容器。超声波空蚀发生器包含智能数控超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头，工具头一端接在变幅杆上，另一端深入到玻璃容器的空蚀介质内。装有空蚀介质的玻璃容器与温度控制系统一起实现空化介质的循环及温度控制。

声发射系统包括声发射传感器和声发射信号综合分析系统。声发射传感器通过耦合剂与被空蚀金属未浸入到空蚀介质的部分黏合；声发射信号综合分析系统通过分析采集卡采集到的信号，对被空蚀金属的空蚀特性进行实时分析。

1.2 工作原理

装置原理图如图2 所示，金属材料超声空蚀系统包括超声波空蚀发生器、恒温装置和盛有空蚀介质的玻璃容器。超声波空蚀发生器包括智能数控超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头。智能数控超声波发生器与换能器相连；换能器一端接在变幅杆上；变幅杆一端接在工具头上；工具头一端伸入玻璃容器内，伸入到水面下的工具头用于安装测试被空蚀试件，超声波空蚀发生器用工具头驱动被空蚀试件在水下高频振动，从而完成对金属试件的空蚀实验。恒温装置用于保持玻璃容器内水温恒定，包括工业冷水机、连接软管、外循环泵和玻璃容器。

图2 一种采用声发射实时监测金属空蚀过程的超声空蚀实验装置原理图

将空蚀试件安装在螺旋压板内，开启智能数控超声波发生器，智能数控超声波发生器开始工作，通过换能器、变幅杆和工具头带动空蚀试件振动。声发射传感器通过耦合剂与空蚀试件粘合，声发射传感器将收集到的信号传递到采集卡中进行保存，计算机可以读取采集卡中的数据并进行综合数据分析。空蚀实验和声发射传感器监测同时进行，在正常运行过程中不会相互干扰。

2 细节方案设计

2.1 空化介质循环和温度控制系统的设计

当气泡在高压区溃灭时会形成高强度的冲击波或者微射流，冲击波和微射流作用到试样的表面就会产生大量的热使得水温升高，水温的改变会影响空化气泡的产生，因此，需要控制空化介质的温度在一定范围内，根据气蚀标准协议ASTM G32-06 最佳空蚀介质温度为25±2 ℃。从图3 中可以看到，空化介质循环和温度控制系统主要由工业冷水机、连接软管、外循环泵和玻璃容器组成。工业冷水机把水温控制在25±2 ℃，连接软管一端接在工业冷水机出水口，一端接在玻璃容器的入水口，将工业冷水机产生的25 ℃恒温水通入玻璃容器内。外循环泵一端接在玻璃容器的出水口，一端接在工业冷水机的入水口，把温度升高的水送回工业冷水机进行恒温控制，从而实现空化介质的循环和恒温控制。

图3 循环恒温水控制系统

2.2 超声作用部件移动控制系统的设计

尽管超声空化效应已在材料表面改性、超声清洗、超声治疗等各个方面得到了应用，但其在实际应用中会受环境因素、设备参数和材料种类等多种影响。在众多影响因素中，超声工具头作用面与材料被空蚀面的垂直距离对于金属材料的超声空蚀结果有重要的影响，因此设计了超声作用部件移动控制系统去控制工具头与待空蚀试件的垂直距离，以便研究不同作用距离对金属材料超声空蚀的影响。从图4 中可以看到，超声作用部件移动控制系统包括移动装置与夹持装置。移动装置包括步进电机、电机固定座、联轴器、滚珠丝杆固定端、滚珠丝杆、丝杆螺母、螺母座、导轨、导轨滑块和滚珠丝杆固定端。步进电机通过联轴器与滚珠丝杆连接带动滚珠丝杆转动，螺母座和丝杆螺母在滚珠丝杆上移动。夹持装置包括固定块和支撑座，固定块通过螺钉与导轨滑块和螺母座连接在一起，支撑座通过螺钉与固定块连接在一起，支撑座用于夹持超声波换能器。当步进电机带动滚珠丝杆转动，滚珠丝杆上的螺母座和丝杆螺母在滚珠丝杆上移动，螺母座带动固定块移动，固定块带动导轨滑块在导轨上移动，进一步，固定块带动支撑座和超声波空蚀发生器移动，从而实现超声波空蚀发生器的工具头与被空蚀试件的距离可自动控制。

图4 超声作用部件移动控制机构

2.3 空蚀试件夹具的设计

从图5 中可以看到，空蚀试件夹具装置包括螺旋压板、定位稍和球面垫圈，螺旋压板把被空蚀的金属试件压在球面垫圈和支架上。球面垫圈对被空蚀试件起底端支撑固定作用，定位对被空蚀试件起侧面固定作用，从而实现对被空蚀试件的装夹固定。

图5 空蚀试件夹具机构

3 结语

到目前为止，市场上的超声空蚀试验机，其结构都是超声部件垂直放置、试件完全置于（浸泡于）空化介质中，不便于对空蚀过程进行探索。本设计不同于目前市场上的超声空蚀试验机，该产品机构简单、操作灵活、空蚀效率高，可调节超声作用部件与被空蚀试件的距离，且被空蚀试件有部分未浸入到空蚀介质内，为安装声发射传感器提供了位置。在超声空蚀的过程中，空蚀区所发生的变化会产生丰富的声发射信号，利用声发射技术可以提取超声空蚀过程里所包含的大量信息。当金属试件在水中被超声空蚀时产生的声发射信号以瞬态波的形式传播到材料的表面，被声发射传感器接收到，然后将其转换为电信号。电信号经过前置放大器放大后，被检测系统接收，检测系统处理、分析所传递信号，可以实现对声发射信号源特征、性质、定位等分析，并做出金属材料超声空蚀特性的评价。这将为研究金属材料的空蚀过程、分析金属材料的空蚀机理提供新的实验装置。