金属非金属粘接强度非线性超声检测信号处理方法研究

发布时间：2017-11-01 20:06

  本文关键词：金属非金属粘接强度非线性超声检测信号处理方法研究

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【摘要】：粘接结构以其优越的性能在航空航天和化工等领域得到广泛应用。然而在其制造和使用过程中出现如界面机械贴合、弱粘接等界面缺陷会影响材料使用的可靠性和安全性,甚至导致灾难性事故的发生。为确保产品质量和使用安全,对其粘接强度的检测具有重要意义。本文研究金属非金属粘接强度的非线性超声检测技术,提出了基于水浸脉冲透射法的非线性超声检测方案,设计了可以激发非线性二次谐波、获得高能量超声信号的检测系统,研究了利用非线性超声特征参量表征金属非金属粘接强度的方法和非线性超声信号降噪、特征提取方法。本文的主要研究内容包括：(1)通过研究非线性波动方程,明确了声波信号特征与材料非线性系数之间的关系,分析了非线性系数和相关参数的物理意义,为利用超声非线性参量检测金属非金属粘接强度奠定了基础。针对钢板/有机玻璃粘接结构,考虑声波在材料介质中的衰减情况,研究了胶层厚度和激励频率对二次谐波幅值影响的定量关系,为在胶层厚度已知的情况下选择最佳激励频率提供了实验依据。将钢板/胶层粘接界面氢键模型和胶层的非线性粘弹性本构模型相结合,引入到超声波与介质的非线性相互作用过程中,建立了介质非线性系数与粘接力的函数关系,为金属非金属粘接强度的非线性超声检测提供了理论解释。(2)推导了材料非线性参量与压电换能器接收到的超声信号中不同频率幅值间的定量关系,说明材料质点位移的绝对振幅与超声换能器输出的电压信号幅值成正比关系,可以利用超声信号表征材料的非线性系数；通过理论和仿真实验分析了在5MHz激励频率的情况下激励信号脉冲宽度对非线性谐波幅值的影响,结果表明只有当激励脉冲宽度在1.2μs以上时才能在粘接试件中激发出明显的谐波信号,而且激励脉冲串宽度越宽,非线性谐波幅值越大；为避免时域超声信号发生混叠,对6mm钢板与有机玻璃粘接试件和4mm钢板与有机玻璃粘接试件,实验中分别采用9个周期(1.8μs)和6个周期(1.2μs)的汉宁窗调制脉冲串作为激励信号,解决了在材料中激发高能量非线性谐波信号的问题。(3)分析了激励信号波形对超声信号频谱精度的影响,研究了不同窗函数截取非线性超声信号进行傅里叶变换引起频谱泄露和基波、谐波幅值计算误差的问题,通过推导证明了常用窗谱函数的能量重心为坐标原点,并对不同窗函数下能量重心法对信号频谱校正结果进行对比,在此基础上提出采用汉宁窗能量重心法对截取的非线性超声信号频谱中的频率和幅值进行校正的方法,有效减小频谱了泄露,达到了准确提取基波和二次谐波幅值的目的。针对超声信号中的非线性特征来源多样(仪器本身、金属非金属本身及胶层的非线性)、幅值微弱、容易受到噪声干扰等问题,根据发射换能器的频率响应特性利用其滤波效应滤除前端仪器非线性。(4)为准确提取超声信号中的非线性特征参量,提出了一种基于双树复小波系数层间相关性和贝叶斯最大后验估计滤波的信号分解降噪算法。首先根据小波系数的层间相关性,对包含噪声的双树复小波分解系数作相关性运算,对不同频带范围的信号分量进行初步降噪。然后采用一种基于小波系数拉普拉斯分布模型的贝叶斯最大后验估计算法对各信号分量继续滤波降噪,以准确提取出频率纯净的基波和二次谐波信号分量。建立了包含二次谐波和高斯白噪声的非线性超声信号模型,从信号信噪比、均方根误差和二次谐波幅值误差三方面考察了不同滤波算法对信号的降噪效果。结果表明：基于贝叶斯最大后验估计的双树复小波变换算法降噪后的超声信号时域信号平滑、非线性二次谐波信号的信噪比得到了有效提高。(5)设计搭建了金属非金属粘接强度的非线性超声检测系统,根据非线性超声信号降噪和特征提取方法从实测超声信号中提取基波和二次谐波幅值计算得到了粘接试件的非线性参量随固化剂含量增加时的变化规律,并通过与“剪切强度-固化剂含量曲线”对比分析,验证了非线性参量表征金属非金属粘接强度的可行性和有效性。论文所做工作,对非线性超声检测技术和非线性超声信号降噪及特征提取方法在新领域的应用以及金属非金属粘接强度的表征都具有重要理论意义和实用价值。
【关键词】：粘接强度 无损检测 非线性超声 信号处理
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG115.285
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 粘接结构的线性超声检测技术研究现状14-17
• 1.2.2 粘接结构的非线性超声检测技术及信号处理方法研究现状17-20
• 1.3 论文主要研究内容及章节安排20-24
• 第二章 非线性声学理论及粘接界面的非线性响应分析24-45
• 2.1 钢板/有机玻璃粘接结构24-25
• 2.2 超声波动理论25-29
• 2.2.1 基本假定25-27
• 2.2.2 线弹性和非线性弹性固体介质中的波动方程27-29
• 2.3 粘接结构中的非线性波动方程29-38
• 2.3.1 粘接结构中的一维波动方程29-30
• 2.3.2 粘接结构中一维波动方程的解30-32
• 2.3.3 胶层厚度和激励频率对二次谐波幅值的影响研究32-36
• 2.3.4 非线性系数的物理含义36-38
• 2.4 超声波与介质微观结构的非线性相互作用38-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第三章 非线性超声激励方法及频谱泄露校正技术研究45-72
• 3.1 非线性系数测量方法和检测系统设计45-58
• 3.1.1 非线性系数的测量方法45-48
• 3.1.2 非线性超声检测系统及检测方法的实现48-51
• 3.1.3 激励波形的选择51-53
• 3.1.4 激励脉冲宽度对超声非线性的影响53-58
• 3.2 谐波信号加窗截取时频谱泄露校正技术58-67
• 3.2.1 加窗对谐波频谱的影响58-59
• 3.2.2 常用窗函数及选取原则59-62
• 3.2.3 基于能量重心法的加窗信号频谱泄露校正技术62-67
• 3.3 换能器的频率特性和滤波效应67-71
• 3.4 本章小结71-72
• 第四章 非线性超声信号的降噪及特征提取方法研究72-101
• 4.1 小波变换分析72-84
• 4.1.1 连续小波变换(CWT)及超声信号时频分析72-74
• 4.1.2 离散小波变换(DWT)74-78
• 4.1.3 复小波变换78
• 4.1.4 双树复小波变换78-84
• 4.1.4.1 Q-Shift双树复小波变换80-81
• 4.1.4.2 Q-Shift双树复小波变换的性质81-84
• 4.2 信号小波系数层间相关预处理84-89
• 4.3 基于贝叶斯最大后验估计的双数复小波滤波算法89-93
• 4.4 本文算法和传统小波去噪算法的性能比较93-100
• 4.5 本章小结100-101
• 第五章 金属非金属粘接强度的非线性超声检测实验101-120
• 5.1 检测系统101-102
• 5.2 金属非金属粘接试件制备方法102-104
• 5.3 检测方法104-106
• 5.4 不同粘接试件的透射超声信号106-112
• 5.5 不同粘接试件非线性声学参数的对比112-118
• 5.5.1 不同粘接试件谐波信号的频域幅值对比112-115
• 5.5.2 非线性参量与粘接强度间的关系115-118
• 5.6 本章小结118-120
• 第六章 总结与展望120-124
• 6.1 论文所做的工作120-122
• 6.2 本论文的创新点122-123
• 6.3 本论文待解决的问题123-124
• 参考文献124-136
• 攻读博士学位期间发表的论文和研究成果136-137
• 致谢137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张吉堂,路宏年;火箭发动机多层粘接结构的双模式检测[J];固体火箭技术;2003年04期

2 陆德炜;对固体火箭发动机粘结界面声学无损检测的探讨[J];上海航天;1996年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 徐月美;多尺度变换的多聚焦图像融合算法研究[D];中国矿业大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王雷;基于超声测量的聚合物粘接界面表征方法研究[D];华南理工大学;2014年

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本文编号：1128303