金屬非金屬粘接強度非線性超聲檢測信號處理方法研究.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)如界面機械貼合、弱粘接等界面缺陷會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，對其粘接強度的檢測具有重要意義。本文研究金屬非金屬粘接強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度的

2、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度奠定了基礎(chǔ)。針對鋼板/有機玻璃粘接結(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頻率提供了實驗依據(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);通過理論和仿真實驗分析了在5MHz激勵頻率的情況下激勵信

4、號脈沖寬度對非線性諧波幅值的影響，結(jié)果表明只有當激勵脈沖寬度在1.2μs以上時才能在粘接試件中激發(fā)出明顯的諧波信號，而且激勵脈沖串寬度越寬，非線性諧波幅值越大;為避免時域超聲信號發(fā)生混疊，對6mm鋼板與有機玻璃粘接試件和4mm鋼板與有機玻璃粘接試件，實驗中分別采用9個周期（1.8μs）和6個周期（1.2μs）的漢寧窗調(diào)制脈沖串作為激勵信號，解決了在材料中激發(fā)高能量非線性諧波信號的問題。
　　(3)分析了激勵信號波形對超聲信號頻譜精

5、度的影響，研究了不同窗函數(shù)截取非線性超聲信號進行傅里葉變換引起頻譜泄露和基波、諧波幅值計算誤差的問題，通過推導(dǎo)證明了常用窗譜函數(shù)的能量重心為坐標原點，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行校正的方法，有效減小頻譜了泄露，達到了準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

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估計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)性運算，對不同頻帶范圍的信號分量進行初步降噪。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估計算法對各信號分量繼續(xù)濾波降噪，以準確提取出

7、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估計的雙樹復(fù)小波變換算法降噪后的超聲信號時域信號平滑、非線性二次諧波信號的信噪比得到了有效提高。
　　(5)設(shè)計搭建了金屬非金屬粘接強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測超聲信號中提取基波和二次諧波幅值計算