基于随机共振的界面中间介质声发射信号传输特性研究

论文摘要

因为声发射技术本身有着动态性、敏感性、整体性和及时性以及具有不被监测对象的结构复杂度所影响的优点,所以,声发射技术是一种可实现实时监控的一种检测手段,常被用于检测重要机械设备的核心部件。但是,由于机械设备大量界面结构的存在,故障与特征信号间的映射关系比较复杂,导致故障检测结果准确性较低以及经常出现误报等情况。而且,信号的衰减除了和界面这一因素相关外,还与界面间存在其他介质有关系。针对这一问题,本文开展基于随机共振的声发射信号在界面中间介质中的传播特性研究。文中主要开展了界面中间介质(水、油等)、粗糙度大小变化等因素影响下,信号传播特性的仿真和实验研究。因为本研究中中间介质对声发射信号产生的影响,相对界面其他因素(如界面距离等)来讲比较微弱。所以,选用随机共振理论对仿真和实验信号进行处理,提高不同介质信号特征参数的可辨性;继而对随机共振的双稳输出信号利用快速Kurtogram算法将信号分解成相互独立的不同频带,得到信号集中的频率范围,最后用幅值和能量的相对衰减率的变化表征不同介质的影响规律。论文所做的主要工作如下:(1)总结并对比了各种界面模型之间的差距和各种模型之间的优缺点。根据不同界面理论模型所适应的情况和计算的优缺点,选择完好粘接界面模型作为本文进行仿真的理论模型。(2)提出一种新的声发射信号处理方法,将随机共振理论和快速Kurtogram算法进行结合。利用随机共振对信号进行处理,提高不同介质信号之间的差距;继而对随机共振的输出信号利用快速Kurtogram算法将信号分解成相互独立的不同频带,得到信号集中的频率范围;最后将分解后的信号利用MATLAB分析,用幅值和能量的相对衰减率作为表征界面结构间存在水和油等介质的衰减情况。实验结果如下:不同中间介质—水和油的原始信号,幅值衰减率之间的平均差距为5.122 dB,能量衰减率之间的平均差距为1.068 dB;不同介质—水和油的文中方法信号,幅值衰减率之间的平均差距为8.706 dB,能量衰减率之间的平均差距为6.823 dB。文中信号比原始信号的幅值衰减的平均差距提高了 3.584 dB;能量衰减的平均差距提高了 5.755 dB。由此可知,文中方法能更好的显示不同介质信号的变化,更容易判断介质对信号的影响。证明文中方法是有效的。(3)声发射信号在界面结构中存在中间介质(水、油等)和粗糙度大小变化的传播特性仿真研究。利用COMSOL Multiphysics仿真软件对界面结构中存在中间介质(水、油等)和粗糙度大小变化对声发射信号传播特性的影响进了二维模拟仿真,利用(2)中提出的数据处理方法对仿真信号进行处理,得到幅值和能量相对衰减率变化。仿真结果发现:①经过随即共振和快速Kurto gram算法处理之后,水和油不同信号之间的差距变的更加明显。②随着界面结构间水和油的面积从0.1 mm2增至4 mm2时,信号的幅值和能量衰减率在0.1 mm2～1.5 mm2是逐渐减小的,在1.6 mm2～4 mm2范围内趋于不变。通过水和油幅值和能量衰减量的对比来看,油的信号传输效果比水的信号传输效果好。界面结构间存在水和油时,随着水和油面积的增加会对信号产生比较大的影响;但是当水和油的面积达到某一个值时,水和油的面积变化就对信号影响不大。③随着界面结构间粗糙度大小按照0.1um～100 um变化时,信号的幅值和能量衰减率在0.1 um～100 um逐渐增加。(4)声发射信号在界面结构中存在中间介质(水、油)的传播特性实验研究。通过实验探究了界面结构间存在中间介质(水、油)因素对声发射信号传播特性的影响。利用(2)中提出的数据处理方法对实验信号进行处理,得到幅值和能量相对衰减率变化。发现:①在界面结构间存在水和油时,经过随即共振和快速Kurtogram算法处理之后,水和油不同信号之间的差距变的更加明显。②随着界面结构间水和油的面积从0.02 ml增至0.12 ml时,信号的幅值和能量衰减量在0.02 ml～0.08 ml范围内是逐渐增加,在0.08 ml～0.12 ml范围内是趋于不变。随着水和油面积的增加会对信号产生比较大的影响;但是当水和油的面积达到某一个值时,水和油的面积变化就对信号影响不大。③随着界面结构间粗糙度从0 um到52.8um变化,声发射信号的幅值和能量相对衰减率逐渐增大。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 声发射信号在界面结构中的传播特性现状

1.2.1 声发射信号的传播衰减机制

1.2.2 声发射微弱信号处理技术

1.3 本文主要研究内容

第二章声发射信号在界面结构间的传播理论模型

2.1 引言

2.2 弱连接界面及界面层模型

2.2.1 多层介质模型

2.2.2 弹簧-质量模型

2.3 接触界面模型

2.3.1 光滑接触界面模型

2.3.2 摩擦接触界面模型

2.3.3 高粗糙度接触界面模型

2.4 完好粘接界面模型

2.4.1 波的反射透射理论

2.4.2 弹簧模型

2.4.3 连续（共振）模型

2.5 各种模型对比

2.6 本章小结

第三章基于随机共振的声发射信号特征提取方法

3.1 引言

3.2 基础理论

3.2.1 随机共振理论

3.2.2 快速Kurtogram算法理论

3.2.3 算法流程

3.3 实验验证

3.3.1 实验方法

3.3.2 实验结果

3.3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第四章界面中间介质对声发射信号传播特性的影响

4.1 引言

4.2 界面中间介质对声发射信号传播特性仿真研究

4.2.1 仿真方法

4.2.2 界面中间介质声发射传播特性仿真研究

4.2.3 界面中间介质—水声发射传播特性仿真研究

4.2.4 界面中间介质—油声发射传播特性仿真研究

4.2.5 界面结构间不同粗糙度声发射传播特性仿真研究

4.2.6 仿真结果与讨论

4.3 界面中间介质对声发射信号传播特性实验研究

4.3.1 实验方法

4.3.2 界面中间介质—水的声发射传播特性实验研究

4.3.3 界面中间介质—油的声发射传播特性实验研究

4.3.4 界面结构间不同粗糙度声发射传播特性实验研究

4.3.5 实验结果与讨论

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A （攻读学位期间取得研究成果）

附录B （攻读学位期间参与的课题项目）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵淑慧

导师: 王向红,陈卫军

关键词: 界面结构,随机共振,快速算法,介质,相对衰减率

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,机械工业

单位: 长沙理工大学

基金: 湖南省自然科学基金项目(2017JJ3327)

分类号: O429;TH17

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000657

总页数: 76

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