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

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【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,對其粘接強(qiáng)度的檢測具有重要意義。本文研究金屬非金屬粘接強(qiáng)度的非線性超聲檢測技術(shù),提出了基于水浸脈沖透射法的非線性超聲檢測方案,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的檢測系統(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降噪、特征提取方法。本文的主要研究內(nèi)容包括：(1)通過研究非線性波動(dòng)方程,明確了聲波信號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金屬非金屬粘接強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ)。針對鋼板/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中不同頻率幅值間的定量關(guān)系,說明材料質(zhì)點(diǎn)位移的絕對振幅與超聲換能器輸出的電壓信號幅值成正比關(guān)系,可以利用超聲信號表征材料的非線性系數(shù)；通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)分析了在5MHz激勵(lì)頻率的情況下激勵(lì)信號脈沖寬度對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,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)域超聲信號發(fā)生混疊,對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,解決了在材料中激發(fā)高能量非線性諧波信號的問題。(3)分析了激勵(lì)信號波形對超聲信號頻譜精度的影響,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)算誤差的問題,通過推導(dǎo)證明了常用窗譜函數(shù)的能量重心為坐標(biāo)原點(diǎn),并對不同窗函數(shù)下能量重心法對信號頻譜校正結(jié)果進(jìn)行對比,在此基礎(chǔ)上提出采用漢寧窗能量重心法對截取的非線性超聲信號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。針對超聲信號中的非線性特征來源多樣(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)確提取超聲信號中的非線性特征參量,提出了一種基于雙樹復(fù)小波系數(shù)層間相關(guān)性和貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)濾波的信號分解降噪算法。首先根據(jù)小波系數(shù)的層間相關(guān)性,對包含噪聲的雙樹復(fù)小波分解系數(shù)作相關(guān)性運(yùn)算,對不同頻帶范圍的信號分量進(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)算法對各信號分量繼續(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模型,從信號信噪比、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信號的降噪效果。結(jié)果表明：基于貝葉斯最大后驗(yàn)估計(jì)的雙樹復(fù)小波變換算法降噪后的超聲信號時(shí)域信號平滑、非線性二次諧波信號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系統(tǒng),根據(jù)非線性超聲信號降噪和特征提取方法從實(shí)測超聲信號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,并通過與“剪切強(qiáng)度-固化劑含量曲線”對比分析,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,對非線性超聲檢測技術(shù)和非線性超聲信號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 無損檢測 非線性超聲 信號處理
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：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)的非線性超聲檢測技術(shù)及信號處理方法研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 論文主要研究內(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)測量方法和檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)45-58
• 3.1.1 非線性系數(shù)的測量方法45-48
• 3.1.2 非線性超聲檢測系統(tǒng)及檢測方法的實(shí)現(xiàn)48-51
• 3.1.3 激勵(lì)波形的選擇51-53
• 3.1.4 激勵(lì)脈沖寬度對超聲非線性的影響53-58
• 3.2 諧波信號加窗截取時(shí)頻譜泄露校正技術(shù)58-67
• 3.2.1 加窗對諧波頻譜的影響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 雙樹復(fù)小波變換78-84
• 4.1.4.1 Q-Shift雙樹復(fù)小波變換80-81
• 4.1.4.2 Q-Shift雙樹復(fù)小波變換的性質(zhì)81-84
• 4.2 信號小波系數(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實(shí)驗(yàn)101-120
• 5.1 檢測系統(tǒng)101-102
• 5.2 金屬非金屬粘接試件制備方法102-104
• 5.3 檢測方法104-106
• 5.4 不同粘接試件的透射超聲信號106-112
• 5.5 不同粘接試件非線性聲學(xué)參數(shù)的對比112-118
• 5.5.1 不同粘接試件諧波信號的頻域幅值對比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：1128303