煤礦機(jī)械軸類零件超聲檢測聲場與缺陷回波特性研究.pdf

1、煤礦機(jī)械軸類零件長期在重載荷、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，容易產(chǎn)生疲勞裂紋等缺陷，直接影響煤礦的安全生產(chǎn)。論文依托國家自然科學(xué)基金“煤礦機(jī)械關(guān)鍵零部件缺陷超聲信號(hào)提取與智能識(shí)別研究”（項(xiàng)目編號(hào)：51074121），針對煤礦機(jī)械軸類零件在役檢測的要求，對超聲探頭輻射空間的聲場、超聲回波機(jī)理以及缺陷信號(hào)的提取進(jìn)行了深入研究。
　　論文從聲場計(jì)算理論出發(fā)，以空間脈沖響應(yīng)為基礎(chǔ)，研究了圓形和矩形換能器在半無限空間及斜楔塊條件下任意點(diǎn)空間脈

2、沖響應(yīng)的計(jì)算方法，進(jìn)而分析其在輻射空間的瞬態(tài)聲壓分布規(guī)律，得到聲軸線上聲壓曲線，橫向聲束寬度等參數(shù)。針對空間脈沖響應(yīng)直接計(jì)算時(shí)采用很高的采樣頻率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、計(jì)算效率低下的問題，提出了一種脈沖響應(yīng)的快速算法，先用較高采樣頻率和較小步長計(jì)算換能器平面內(nèi)脈沖響應(yīng)作為原始數(shù)據(jù)，再用較低頻率進(jìn)行插值運(yùn)算，并對計(jì)算參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析，大大提高了計(jì)算效率。
　　分析了超聲波從產(chǎn)生、介質(zhì)中傳播、缺陷耦合以及最后被探頭接收的全過程，建立了缺陷

3、回波的數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為缺陷回波是探頭表面振動(dòng)特性與缺陷脈沖響應(yīng)的卷積。根據(jù)惠更斯疊加原理的思想，把缺陷和接收探頭離散成微小單元，接收到的超聲回波是每個(gè)缺陷微元散射超聲波的總和，利用空間脈沖響應(yīng)和基爾霍夫近似建立了超聲平面缺陷回波的數(shù)學(xué)模型，用大平面反射回波和大平面脈沖響應(yīng)進(jìn)行反卷積運(yùn)算求出探頭表面的振動(dòng)特性，從聲本質(zhì)的角度闡明超聲散射回波的特點(diǎn)，并詳細(xì)分析了探頭在不同偏置位置時(shí)缺陷脈沖響應(yīng)的特性，認(rèn)為缺陷回波是由直達(dá)波和邊緣波共同被缺陷散

4、射后的結(jié)果，直達(dá)回波和邊緣回波極性相反，直達(dá)波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣波。
　　針對煤礦機(jī)械軸類零件現(xiàn)場超聲檢測時(shí)受到非線性、非平穩(wěn)噪聲干擾的問題，研究了超聲信號(hào)的自適應(yīng)去噪方法，提出利用IMF分量與原信號(hào)的相關(guān)系數(shù)的大小關(guān)系來重構(gòu)超聲回波信號(hào)的去噪算法。該方法成功將儀器噪聲分解成獨(dú)立的IMF分量，自適應(yīng)性地重構(gòu)了超聲回波信號(hào)。對添加高斯白噪聲的大平面回波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）并重構(gòu)，分解的IMF分量發(fā)生了模態(tài)混疊，針對這一問題

5、，論文采用集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD）對超聲信號(hào)進(jìn)行處理，對EEMD分解的參數(shù)選擇進(jìn)行研究，用仿真超聲信號(hào)添加不同幅值比的噪聲，發(fā)現(xiàn)當(dāng)幅值比為0.9時(shí)，重構(gòu)信號(hào)的RMSE最小。
　　用稀疏反卷積的方法從超聲回波中提取出缺陷信息，針對反卷積的病態(tài)問題，提出基于高階累積量和最優(yōu)—最小化（HOC-MM）的超聲信號(hào)反卷積算法。在超聲子波非因果、非最小相位的假設(shè)下，用 ARMA模型對超聲探頭振動(dòng)特性函數(shù)進(jìn)行建模，利用高階累積量構(gòu)造修正的 Y