煤礦機械軸類零件超聲檢測聲場與缺陷回波特性研究.pdf

1、煤礦機械軸類零件長期在重載荷、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下運行，容易產生疲勞裂紋等缺陷，直接影響煤礦的安全生產。論文依托國家自然科學基金“煤礦機械關鍵零部件缺陷超聲信號提取與智能識別研究”（項目編號：51074121），針對煤礦機械軸類零件在役檢測的要求，對超聲探頭輻射空間的聲場、超聲回波機理以及缺陷信號的提取進行了深入研究。
　　論文從聲場計算理論出發(fā)，以空間脈沖響應為基礎，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空間脈

2、沖響應的計算方法，進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)。針對空間脈沖響應直接計算時采用很高的采樣頻率，導致數(shù)據(jù)量大、計算效率低下的問題，提出了一種脈沖響應的快速算法，先用較高采樣頻率和較小步長計算換能器平面內脈沖響應作為原始數(shù)據(jù)，再用較低頻率進行插值運算，并對計算參數(shù)的選擇進行了分析，大大提高了計算效率。
　　分析了超聲波從產生、介質中傳播、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)學模型，認為缺陷回波是探頭表面振動特性與缺陷脈沖響應的卷積。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缺陷微元散射超聲波的總和，利用空間脈沖響應和基爾霍夫近似建立了超聲平面缺陷回波的數(shù)學模型，用大平面反射回波和大平面脈沖響應進行反卷積運算求出探頭表面的振動特性，從聲本質的角度闡明超聲散射回波的特點，并詳細分析了探頭在不同偏置位置時缺陷脈沖響應的特性，認為缺陷回波是由直達波和邊緣波共同被缺陷散

4、射后的結果，直達回波和邊緣回波極性相反，直達波的幅值遠遠大于邊緣波。
　　針對煤礦機械軸類零件現(xiàn)場超聲檢測時受到非線性、非平穩(wěn)噪聲干擾的問題，研究了超聲信號的自適應去噪方法，提出利用IMF分量與原信號的相關系數(shù)的大小關系來重構超聲回波信號的去噪算法。該方法成功將儀器噪聲分解成獨立的IMF分量，自適應性地重構了超聲回波信號。對添加高斯白噪聲的大平面回波信號進行經驗模式分解（EMD）并重構，分解的IMF分量發(fā)生了模態(tài)混疊，針對這一問題

5、，論文采用集成經驗模式分解（EEMD）對超聲信號進行處理，對EEMD分解的參數(shù)選擇進行研究，用仿真超聲信號添加不同幅值比的噪聲，發(fā)現(xiàn)當幅值比為0.9時，重構信號的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）的超聲信號反卷積算法。在超聲子波非因果、非最小相位的假設下，用 ARMA模型對超聲探頭振動特性函數(shù)進行建模，利用高階累積量構造修正的 Y