[發明專利]模態分解雙譜分析的空耦超聲應力檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 202210541857.9
• 申請日: 2022-05-18
• 公開（公告）號: CN114994175B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 闞艷;范鑫;單奕萌;趙勃;史維佳
• 申請（專利權）人: 國營蕪湖機械廠;哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/07;G01N29/44;G01N29/28;G01L1/25
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

1.一種基于模態分解雙譜分析的空氣耦合Lamb波超聲應力檢測裝置的控制方法，其特征在于：

所述超聲應力檢測裝置包括信號發生器、電壓放大器、激勵空耦換能器(1)、傾角調節固定連接器(1-1)、接收空耦換能器(2)、待測件(3)、二維運動平臺(4)、前置放大器、示波器和上位機；

所述信號發生器生成信號，經過電壓放大器將幅值放大，并施加在激勵空耦換能器(1)上，激勵空耦換能器(1)在待測件(3)中激勵出純凈的lamb波模態；

所述接收空耦換能器(2)接收回波，經過前置放大器對接收到的回波進行低噪聲放大，用示波器進行顯示，并上傳至上位機；

所述傾角調節固定連接器(1-1)用于調節激勵空耦換能器(1)與接收空耦換能器(2)之間的傾角；

所述二維運動平臺(4)用于調節激勵空耦換能器(1)和接收空耦換能器(2)的間距以及步進掃描；

所述控制方法具體包括以下步驟：

步驟一：通過激勵空耦換能器(1)在待測件(3)中激勵出純凈的lamb波模態，根據Lamb波的頻散曲線結合待測件(3)的厚度，得到激勵空耦換能器(1)的中心頻率f；

步驟二：將步驟一得到的激勵空耦換能器(1)的中心頻率f以及待測件(3)的厚度相乘，得到頻厚積，從而確定反對稱模態A₀的群速度，利用Snell定律的第一臨界折射角結合聲波在空氣中的傳播速度，確定激勵空耦換能器(1)和接收空耦換能器(2)之間的傾角θ；

步驟三：確定激勵信號為5周期、頻率為f、漢寧窗調制的正弦脈沖信號，經過電壓放大器將幅值放大至峰峰值V_pp，施加在激勵空耦換能器(1)上，在接收位置用接收空耦換能器(2)接收回波；

步驟四：接收的回波通過前置放大器對接收回波進行低噪聲放大，用示波器進行顯示并上傳至上位機；上位機中對接收回波進行模態分解雙譜分析獲得準確聲時差估計代入公式(1)從而實現應力準確表征；

所述模態分解雙譜分析的具體方法為：

第一步、輸入原始信號f(t)，尋找f(t)的所有極值點，擬合局部最大點和最小點，分別得到上、下包絡線f_max(t)和f_min(t)；

其中t為時域變量；

第二步、計算上包絡線和下包絡線的平均值，m(t)＝[f_max(t)+f_min(t)]/2；

第三步、h(t)＝f(t)-m(t)；

若h(t)不滿足固有模態函數的兩個條件，則將h(t)作為原始信號，重復第一步至第三步直到滿足條件，并定義一個IMF：I₁(t)＝h(t)；剩余r(t)＝f(t)-I₁(t)被視為一個新信號；重復上述過程以獲得I₂(t)、I₃(t)和其他IMF成分；

當r(t)滿足單調序列或常值序列的條件時，停止循環并確認提取本征模函數的任務已完成；

最后的r(t)是殘差項，即為原始信號的趨勢項；

第四步、通過希爾伯特變換獲得瞬時能量IE(t)；

第五步、通過雙譜分析得到無應力標準件和有應力待測件的接收Lamb波的聲時差D。

2.根據權利要求1所述超聲應力檢測裝置的控制方法，其特征在于：

根據聲彈性效應進行應力檢測時，應力測量模型可表示為

σ＝KD (1)

式中，σ為待測件應力，K為待測件應力系數，D為無應力標準件和有應力待測件的接收Lamb波的聲時差。

3.根據權利要求2所述超聲應力檢測裝置的控制方法，其特征在于：在步驟一中，

所述純凈的Lamb波包含對稱模態S₀和反對稱模態A₀，通過分析反對稱模態A₀進行空耦超聲檢測，根據時域的聲時差變化并結合聲彈性效應實現應力檢測。

4.根據權利要求3所述超聲應力檢測裝置的控制方法，其特征在于：在步驟二中，

在一個待測件(3)的包含應力集中區域的一側，通過傾角調節固定連接器(1-1)將激勵空耦換能器(1)和接收空耦換能器(2)的傾角調節為θ。