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.pdf

1、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(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

2、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

3、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(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

4、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)的問題。
　　(3)分析了激勵(lì)信號(hào)波形對(duì)超聲信號(hào)頻譜精

5、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(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

6、、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(hào)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(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

7、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