第四章 實驗量測與分析
4.4 等向性材料平板之聲彈效應實驗
4.4.1 未受預應力試片之量測
本文探討的聲彈效應是先以未受力的均質、等向性平板之藍姆波 相速度為基準，再進一步分析受預應力平板的藍姆波相速度改變量。
以長、寬皆為 300 mm，厚度 0.3 mm 之鋁板為試片，採用點聚焦方式 以 Nd:YAG 脈衝雷射激發藍姆波，在此平板300 300 mm× 2的面積下，
直接波傳的藍姆波沒有受到反射波的干涉，而影響量測結果。
倘若採用刀鋒技術量測藍姆波的擾動，必須避免激發雷射光束與 量測雷射光束的路徑交錯而干擾，通常將激發光源與量測光源分別置 放於試片的兩側。故實驗試片採取直立式，Nd:YAG 脈衝雷射光束聚 焦之激發點位置與 He-Ne 雷射光束之量測點呈水平連線，激發點與 量測點得最近場距為 5 mm，透過 NI 7344 運動控制卡及線性位移平 台，將激發點位置沿水平方向向外移動。取樣頻率設為 100 MHz，藍 姆波激發點向外每移動 0.25 mm 距離擷取一筆波動訊號，圖 4.10 為
共擷取 32 筆資料，構成如圖 4.11 所之雷射超音波線掃瞄灰階圖，由 雷射超音波線掃瞄灰階圖可以發現隨著激發源與量測點的場距增 加，訊號到達量測點的時間延遲趨增長，證實刀鋒技術所量測到的訊 號為波動訊號而非結構的振動訊號。透過上一節描述的二維傅立葉與 窗口法的訊號處理，得到如圖 4.12 所示頻率範圍 0～10 MHz 的反對 稱模態A0、A1與對稱模態S0、S1之藍姆波頻散曲線。A0和S0低模態 藍姆波的相速度量測值接近第二章所計算的頻散曲線理論值，但是A1 和S1高模態藍姆波的頻散曲線則有差異，可能因為高模態的訊號振幅 較小，因此引進的雜訊振幅可能都大於高模態藍姆波的振幅，量測引 入的雜訊造成二維傅立葉轉換程式的計算上的誤差。
4.4.2 受預應力試片之量測
本研究應用 4.1.2 小節描述的自製拉伸試驗機施予一單軸預應力 於試片上，透過類比電源供應器調整壓電推桿的行程，分別於壓電推 桿行程為 0、50 與100 mμ 時，進行聲彈實驗的量測，以 Nd:YAG 脈 衝雷射線聚焦於試片上，激發藍姆波。
實驗試片採用，長度 300 mm、寬度 25 mm、厚度為 0.2 mm 的 鋁板，先在壓電推桿行程為 0 mμ 處進行量測，激發點與量測點之初 始場距為 10 mm，固定量測點位置，移動激發點，每增加 0.25 mm 場 距擷取一筆波動訊號，圖 4.13 所示為擷取之三組藍姆波波傳訊號，
每筆資料長度為 1024 點，取樣頻率為 100 MHz，共擷取 32 筆資料，
構成雷射超音波線掃瞄灰階圖如圖 4.14 所示。由雷射超音波線掃瞄 灰階圖發現隨著激發源與量測點場距的越增加，訊號到達量測點的時 間延遲越落後，證實所量測到的訊號為波傳訊號。將所擷取的時域訊 號以二維傅立葉轉換法處理，得到如圖 4.15 所示之頻率範圍 0～10
MHz 的反對稱波A0、A1模態與對稱波S0模態相速度頻散曲線，與無 預應力負載之理論頻散曲線對應的A0與S0曲線大致吻合，但是高模 態A1藍姆波相速度則出現許多誤差。
仍以同樣的量測方式擷取與處理藍姆波的波傳訊號，在壓電推桿 行程位移為 50 與100 mμ 時。圖 4.16 所示為推桿行程50 mμ 時的波傳 訊號，圖 4.17 則為雷射超音波線掃瞄灰階圖，圖 4.18 所示則為A0、 A1與S0模態的頻散曲線。因施予的軸向應變僅約 125 μ ，造成低模 態藍姆波的聲彈效應變化不大，無法觀察到頻散曲線的變化。若將壓 電推桿行程加大至100 mμ ，圖 4.19 所示為雷射生成藍姆波的波傳訊 號，圖 4.20 為雷射超音波線掃瞄灰階圖，圖 4.21 為A0、A1與S0模態 之頻散曲線灰階圖。此時施加的軸向應變約為 284 μ，與未受應力作 用之頻散曲線理論值做比較，從圖形可觀察到低模態A0與S0訊號略 有些微的變化。第三章數值分析得知越高模態波傳訊對應力的影響更 大，在實驗過程中，高模態A1訊號容易受外界擾動的影響，因此無法 判定是否受軸向應力而改變波傳訊號。
另取一厚度僅 0.05 mm 之銅箔作為實驗試片，觀察銅箔受預應力 負載之聲彈效應。實驗仍採用刀鋒技術作為量測系統，每間隔 0.25 mm 場距擷取一筆訊號，共擷取 32 筆，並以二維傅立葉轉換法進行 訊號處理。圖 4.22 為未受應力作用銅箔之雷射生成藍姆波訊號，圖 4.23 所示為相關的頻散曲線灰階圖。經與理論值比較後，只有A0模 態的相速度與理論值差異較小，其他模態的頻散曲線沒有量測到。推 測是因為銅箔片太薄，在施予軸向負載時，容易產生縐折(wrinkle)，
造成量測誤差。當壓電推桿行程分別為 50 與100 mμ 時，進行藍姆波 聲彈效應量測，圖 4.24 為壓電推桿行程為50 mμ 所量測的藍姆波訊
態頻散曲線的差異性不明顯。圖 4.26 為壓電推桿行程為100 mμ 所量 測的訊號，圖 4.27 為其頻散曲線圖，與未受機械應力之頻散曲線再 次比較，A0模態藍姆波的頻散曲線已經有些許差異。透過上述的實 驗結果顯示，若以高模態藍姆波相速度變化量測具殘留應力之平板結 構的應力負載，可以觀察到聲彈效應產生的改變。