本文關(guān)鍵詞：金屬非金屬粘接強(qiáng)度非線性超聲檢測(cè)信號(hào)處理方法研究

  更多相關(guān)文章： 粘接強(qiáng)度 無(wú)損檢測(cè) 非線性超聲 信號(hào)處理

【摘要】：粘接結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的性能在航空航天和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而在其制造和使用過(guò)程中出現(xiàn)如界面機(jī)械貼合、弱粘接等界面缺陷會(huì)影響材料使用的可靠性和安全性,甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故的發(fā)生。為確保產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全,對(duì)其粘接強(qiáng)度的檢測(cè)具有重要意義。本文研究金屬非金屬粘接強(qiáng)度的非線性超聲檢測(cè)技術(shù),提出了基于水浸脈沖透射法的非線性超聲檢測(cè)方案,設(shè)計(jì)了可以激發(fā)非線性二次諧波、獲得高能量超聲信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng),研究了利用非線性超聲特征參量表征金屬非金屬粘接強(qiáng)度的方法和非線性超聲信號(hào)降噪、特征提取方法。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)通過(guò)研究非線性波動(dòng)方程,明確了聲波信號(hào)特征與材料非線性系數(shù)之間的關(guān)系,分析了非線性系數(shù)和相關(guān)參數(shù)的物理意義,為利用超聲非線性參量檢測(cè)金屬非金屬粘接強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)鋼板/有機(jī)玻璃粘接結(jié)構(gòu),考慮聲波在材料介質(zhì)中的衰減情況,研究了膠層厚度和激勵(lì)頻率對(duì)二次諧波幅值影響的定量關(guān)系,為在膠層厚度已知的情況下選擇最佳激勵(lì)頻率提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。將鋼板/膠層粘接界面氫鍵模型和膠層的非線性粘彈性本構(gòu)模型相結(jié)合,引入到超聲波與介質(zhì)的非線性相互作用過(guò)程中,建立了介質(zhì)非線性系數(shù)與粘接力的函數(shù)關(guān)系,為金屬非金屬粘接強(qiáng)度的非線性超聲檢測(cè)提供了理論解釋。(2)推導(dǎo)了材料非線性參量與壓電換能器接收到的超聲信號(hào)中不同頻率幅值間的定量關(guān)系,說(shuō)明材料質(zhì)點(diǎn)位移的絕對(duì)振幅與超聲換能器輸出的電壓信號(hào)幅值成正比關(guān)系,可以利用超聲信號(hào)表征材料的非線性系數(shù)；通過(guò)理論和仿真實(shí)驗(yàn)分析了在5MHz激勵(lì)頻率的情況下激勵(lì)信號(hào)脈沖寬度對(duì)非線性諧波幅值的影響,結(jié)果表明只有當(dāng)激勵(lì)脈沖寬度在1.2μs以上時(shí)才能在粘接試件中激發(fā)出明顯的諧波信號(hào),而且激勵(lì)脈沖串寬度越寬,非線性諧波幅值越大；為避免時(shí)域超聲信號(hào)發(fā)生混疊,對(duì)6mm鋼板與有機(jī)玻璃粘接試件和4mm鋼板與有機(jī)玻璃粘接試件,實(shí)驗(yàn)中分別采用9個(gè)周期(1.8μs)和6個(gè)周期(1.2μs)的漢寧窗調(diào)制脈沖串作為激勵(lì)信號(hào),解決了在材料中激發(fā)高能量非線性諧波信號(hào)的問(wèn)題。(3)分析了激勵(lì)信號(hào)波形對(duì)超聲信號(hào)頻譜精度的影響,研究了不同窗函數(shù)截取非線性超聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換引起頻譜泄露和基波、諧波幅值計(jì)算誤差的問(wèn)題,通過(guò)推導(dǎo)證明了常用窗譜函數(shù)的能量重心為坐標(biāo)原點(diǎn),并對(duì)不同窗函數(shù)下能量重心法對(duì)信號(hào)頻譜校正結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,在此基礎(chǔ)上提出采用漢寧窗能量重心法對(duì)截取的非線性超聲信號(hào)頻譜中的頻率和幅值進(jìn)行校正的方法,有效減小頻譜了泄露,達(dá)到了準(zhǔn)確提取基波和二次諧波幅值的目的。針對(duì)超聲信號(hào)中的非線性特征來(lái)源多樣(儀器本身、金屬非金屬本身及膠層的非線性)、幅值微弱、容易受到噪聲干擾等問(wèn)題,根據(jù)發(fā)射換能器的頻率響應(yīng)特性利用其濾波效應(yīng)濾除前端儀器非線性。(4)為準(zhǔn)確提取超聲信號(hào)中的非線性特征參量,提出了一種基于雙樹(shù)復(fù)小波系數(shù)層間相關(guān)性和貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)濾波的信號(hào)分解降噪算法。首先根據(jù)小波系數(shù)的層間相關(guān)性,對(duì)包含噪聲的雙樹(shù)復(fù)小波分解系數(shù)作相關(guān)性運(yùn)算,對(duì)不同頻帶范圍的信號(hào)分量進(jìn)行初步降噪。然后采用一種基于小波系數(shù)拉普拉斯分布模型的貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)算法對(duì)各信號(hào)分量繼續(xù)濾波降噪,以準(zhǔn)確提取出頻率純凈的基波和二次諧波信號(hào)分量。建立了包含二次諧波和高斯白噪聲的非線性超聲信號(hào)模型,從信號(hào)信噪比、均方根誤差和二次諧波幅值誤差三方面考察了不同濾波算法對(duì)信號(hào)的降噪效果。結(jié)果表明：基于貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)的雙樹(shù)復(fù)小波變換算法降噪后的超聲信號(hào)時(shí)域信號(hào)平滑、非線性二次諧波信號(hào)的信噪比得到了有效提高。(5)設(shè)計(jì)搭建了金屬非金屬粘接強(qiáng)度的非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng),根據(jù)非線性超聲信號(hào)降噪和特征提取方法從實(shí)測(cè)超聲信號(hào)中提取基波和二次諧波幅值計(jì)算得到了粘接試件的非線性參量隨固化劑含量增加時(shí)的變化規(guī)律,并通過(guò)與“剪切強(qiáng)度-固化劑含量曲線”對(duì)比分析,驗(yàn)證了非線性參量表征金屬非金屬粘接強(qiáng)度的可行性和有效性。論文所做工作,對(duì)非線性超聲檢測(cè)技術(shù)和非線性超聲信號(hào)降噪及特征提取方法在新領(lǐng)域的應(yīng)用以及金屬非金屬粘接強(qiáng)度的表征都具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：粘接強(qiáng)度 無(wú)損檢測(cè) 非線性超聲 信號(hào)處理
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG115.285
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-24
• 1.1 課題背景和意義13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 粘接結(jié)構(gòu)的線性超聲檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀14-17
• 1.2.2 粘接結(jié)構(gòu)的非線性超聲檢測(cè)技術(shù)及信號(hào)處理方法研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排20-24
• 第二章 非線性聲學(xué)理論及粘接界面的非線性響應(yīng)分析24-45
• 2.1 鋼板/有機(jī)玻璃粘接結(jié)構(gòu)24-25
• 2.2 超聲波動(dòng)理論25-29
• 2.2.1 基本假定25-27
• 2.2.2 線彈性和非線性彈性固體介質(zhì)中的波動(dòng)方程27-29
• 2.3 粘接結(jié)構(gòu)中的非線性波動(dòng)方程29-38
• 2.3.1 粘接結(jié)構(gòu)中的一維波動(dòng)方程29-30
• 2.3.2 粘接結(jié)構(gòu)中一維波動(dòng)方程的解30-32
• 2.3.3 膠層厚度和激勵(lì)頻率對(duì)二次諧波幅值的影響研究32-36
• 2.3.4 非線性系數(shù)的物理含義36-38
• 2.4 超聲波與介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的非線性相互作用38-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 第三章 非線性超聲激勵(lì)方法及頻譜泄露校正技術(shù)研究45-72
• 3.1 非線性系數(shù)測(cè)量方法和檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)45-58
• 3.1.1 非線性系數(shù)的測(cè)量方法45-48
• 3.1.2 非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)48-51
• 3.1.3 激勵(lì)波形的選擇51-53
• 3.1.4 激勵(lì)脈沖寬度對(duì)超聲非線性的影響53-58
• 3.2 諧波信號(hào)加窗截取時(shí)頻譜泄露校正技術(shù)58-67
• 3.2.1 加窗對(duì)諧波頻譜的影響58-59
• 3.2.2 常用窗函數(shù)及選取原則59-62
• 3.2.3 基于能量重心法的加窗信號(hào)頻譜泄露校正技術(shù)62-67
• 3.3 換能器的頻率特性和濾波效應(yīng)67-71
• 3.4 本章小結(jié)71-72
• 第四章 非線性超聲信號(hào)的降噪及特征提取方法研究72-101
• 4.1 小波變換分析72-84
• 4.1.1 連續(xù)小波變換(CWT)及超聲信號(hào)時(shí)頻分析72-74
• 4.1.2 離散小波變換(DWT)74-78
• 4.1.3 復(fù)小波變換78
• 4.1.4 雙樹(shù)復(fù)小波變換78-84
• 4.1.4.1 Q-Shift雙樹(shù)復(fù)小波變換80-81
• 4.1.4.2 Q-Shift雙樹(shù)復(fù)小波變換的性質(zhì)81-84
• 4.2 信號(hào)小波系數(shù)層間相關(guān)預(yù)處理84-89
• 4.3 基于貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)的雙數(shù)復(fù)小波濾波算法89-93
• 4.4 本文算法和傳統(tǒng)小波去噪算法的性能比較93-100
• 4.5 本章小結(jié)100-101
• 第五章 金屬非金屬粘接強(qiáng)度的非線性超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)101-120
• 5.1 檢測(cè)系統(tǒng)101-102
• 5.2 金屬非金屬粘接試件制備方法102-104
• 5.3 檢測(cè)方法104-106
• 5.4 不同粘接試件的透射超聲信號(hào)106-112
• 5.5 不同粘接試件非線性聲學(xué)參數(shù)的對(duì)比112-118
• 5.5.1 不同粘接試件諧波信號(hào)的頻域幅值對(duì)比112-115
• 5.5.2 非線性參量與粘接強(qiáng)度間的關(guān)系115-118
• 5.6 本章小結(jié)118-120
• 第六章 總結(jié)與展望120-124
• 6.1 論文所做的工作120-122
• 6.2 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)122-123
• 6.3 本論文待解決的問(wèn)題123-124
• 參考文獻(xiàn)124-136
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文和研究成果136-137
• 致謝137

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1128303