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基于空耦超声的芳纶纸蜂窝材料检测技术研究

基于空耦超声的芳纶纸蜂窝材料检测技术研究

作者：李凯丰中北大学

学位级别：硕士

芳纶纸蜂窝作为一种新型复合材料,因其强度高、重量轻、耐高温、耐酸碱、隔热隔音性好、生命周期长等优良特性被广泛应用于航空、航天等领域。但是芳纶纸蜂窝材料在生产和服役过程中容易造成分层、脱粘缺陷,水汽进入蜂窝孔格,在低温环境... 详细信息

芳纶纸蜂窝作为一种新型复合材料,因其强度高、重量轻、耐高温、耐酸碱、隔热隔音性好、生命周期长等优良特性被广泛应用于航空、航天等领域。但是芳纶纸蜂窝材料在生产和服役过程中容易造成分层、脱粘缺陷,水汽进入蜂窝孔格,在低温环境下,冰冻膨胀会破坏附近蜂窝孔格的粘接,这就降低了蜂窝夹层材料的性能,留下安全隐患,甚至引起突发事故。因此采用有效方法对材料缺陷检测具有重要意义。针对上述问题,分析比较了常用的缺陷检测技术,最终采用超声检测方式。芳纶纸蜂窝是一种多孔复合材料,常规超声检测使用的流体耦合剂会浸入纸蜂窝内部污染材料,严重会影响材料的力学强度和稳定性,此外非金属的芳纶纸蜂窝声阻抗低,基于此,本文采用无需耦合剂的空气耦合超声对芳纶纸蜂窝进行缺陷检测,并且研究了其关键技术。本文基于垂直穿透法的空气耦合超声检测原理设计了空耦超声C扫描成像系统。首先以芳纶纸蜂窝材料参数为依据对空耦超声探头进行了选型,并根据探头中心频率设计了低噪声的小信号调理电路,将接收端探头转换的μV级电信号放大到几伏,再经过带通滤波器降低噪声。随后设计了信号采集系统,将模拟超声信号转换为数字信号并通过串口发送到PC机,以便在PC机进行波形显示及信号处理。最后针对采集的数字信号信噪比低、易发生顶部失真的缺点,结合小波分析“信号显微镜”的优点和变分模态分解(VMD)在窄带谐波信号提取方面的优势,采用小波分析联合VMD的方法处理超声信号,经算法处理后,超声信号更接近真实情况。对芳纶纸蜂窝板材上直径15mm、12mm、9mm、6mm的圆形缺陷区域超声C扫描。分析成像结果可知,设计的空气耦合超声检测系统实现了材料的缺陷检测,利用200kHz的超声探头可以检测到30mm厚芳纶纸蜂窝材料内部直径9mm以上的圆形脱粘缺陷。利用算法处理超声信号后,C扫描图中脱粘位置更加明显,并且图中细节信息增多,材料内部蜂窝的轮廓在图中也得以凸显。

关键词：芳纶纸蜂窝缺陷检测空耦超声小信号调理电路超声信号处理

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基于空耦超声的纸质文物检测技术研究

基于空耦超声的纸质文物检测技术研究

作者：侯亚峰中北大学

学位级别：硕士

纸张作为一种书写材料,自古以来备受文人墨客喜爱,古代流传甚广的笔墨纸砚即文房四宝中所提及的“纸”便是宣纸,也是现存纸质文物的主要组成部分,因其百年不腐、不易变色等特点使得一系列经典作品得以流传。但纸质文物由于时间流逝和外... 详细信息

纸张作为一种书写材料,自古以来备受文人墨客喜爱,古代流传甚广的笔墨纸砚即文房四宝中所提及的“纸”便是宣纸,也是现存纸质文物的主要组成部分,因其百年不腐、不易变色等特点使得一系列经典作品得以流传。但纸质文物由于时间流逝和外界环境变化而出现诸多病害现象,粗化是最为普遍的问题之一,不加以检测和修复就会导致损坏、粉化等不可逆的后果;润墨性又是确定纸质文物质量的关键指标,所以对其两大特性的检测至关重要。目前,光学检测和滴墨法分别是检测宣纸粗化程度和润墨性的通用方法,但光学检测易对宣纸造成二次损坏,加速老化;滴墨法受人为主观因素影响大,检测精度低。针对上述问题,本文使用非接触、无污染的空气耦合超声检测技术对纸质文物进行检测,搭建了基于Lab VIEW的空耦超声纸张检测C扫描系统,实现了Z形高速扫描、检测区域划定、缺陷定位等功能,准确快速地呈现出了扫描结果。为降低电磁噪声影响和一维信号中的杂波信号,提高信噪比与检测精度,使用EMC滤波器和算数平均滤波法,有效滤除了驱动器输出电流中的高次谐波,为波形判断和成像处理奠定了基础。针对不同纸张纤维含量不同的特点,本文选取若干不同厚度的宣纸和新闻纸进行实验。实验表明,当采用400k Hz探头、200mm/s扫描速度时,C扫描结果均能对不同厚度的宣纸与新闻纸的粗化程度做出表征,符合GB/T22881-2008对纸张粗化程度的检测结果。并且采用彩色直方图以及圆形度等方法对C扫描图像进行量化分析,以柱状图的形式对宣纸润墨性进行表征,符合GB/T18739-2008对润墨性的检测结果。通过上述结果表明,本文对纸质文物粗化程度和润墨性的无损检测提供了一些理论和实践参考。

关键词：宣纸空耦超声 C扫描成像彩色直方图

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混凝土分层缺陷的超声检测方法研究

声学技术 2023年第2期42卷 219-223页

作者：钱鲁斌高春翔胡婧宜吴鸿博上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620

为解决混凝土结构中分层缺陷的在线非接触检测难题,论文提出了利用空气耦合(简称:空耦)超声导波定量检测混凝土结构中分层缺陷的新方法。首先研究了空耦超声导波在混凝土结构中的传播特性,理论分析和实验表明,利用空耦超声波以入射角8.... 详细信息

为解决混凝土结构中分层缺陷的在线非接触检测难题,论文提出了利用空气耦合(简称:空耦)超声导波定量检测混凝土结构中分层缺陷的新方法。首先研究了空耦超声导波在混凝土结构中的传播特性,理论分析和实验表明,利用空耦超声波以入射角8.7°入射厚度为50 mm的混凝土板时,可以激发以A0模态为主的导波。然后构建了空耦超声导波扫查实验系统,在混凝土结构单侧利用一对倾斜8.7°的空耦探头激励和接收导波信号,通过分析发现A0模态对分层缺陷敏感,且其幅度与扫查路径中的分层缺陷尺寸存在单调变化关系;在此基础上,对检测区域进行扫查,利用不同位置处的导波信号幅度实现分层缺陷的二维成像。实验结果表明,该方法不仅可以避免耦合剂对检测结果的影响,同时可实现对服役状态下混凝土结构中分层位置及尺寸的定量检测。

关键词：混凝土结构空耦超声分层无损检测

分层介质界面粘结特性的空气耦合超声检测研究

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分层介质界面粘结特性的空气耦合超声检测研究

作者：吴文林景德镇陶瓷大学

学位级别：硕士

粘结结构具有优越的减震性、抗疲劳性等优点,被广泛的应用于军工、汽车、航空航天等重要领域,例如,飞机发动机护罩板、飞机机翼扰流板和固体发动机外壳的隔热板等。但由于粘结层的粘结刚度过小而导致的事故时有发生,因此,对粘结界面刚... 详细信息

粘结结构具有优越的减震性、抗疲劳性等优点,被广泛的应用于军工、汽车、航空航天等重要领域,例如,飞机发动机护罩板、飞机机翼扰流板和固体发动机外壳的隔热板等。但由于粘结层的粘结刚度过小而导致的事故时有发生,因此,对粘结界面刚度的测量显得尤为重要。空气耦合超声波检测法具有安全无害、非接触和不破坏被测材料等优点被广泛用于粘结质量检测,但其信噪比低、分辨率低等缺点严重制约其应用。为了提高空气耦合超声检测粘结结构的分辨率,本文主要做了如下工作:首先基于声波的波动方程和粘结界面的简易弹簧模型理论,通过利用超声波在各介质分界面上的位移和应力连续的边界条件,建立了空耦超声波斜入射双层粘结结构中的透射和反射的物理和数学模型。通过数值仿真超声波斜入射到同质等厚粘结板的声波透射系数,分析其透射系数峰值随粘结界面刚度系数的变化,发现如下规律:第一、一部分透射系数峰值随粘结界面法向刚度系数变化而变化,而另一部分透射系数峰值随切向刚度系数变化而变化;第二、透射系数峰值都随界面刚度系数的增大向高频方向移动,且当界面刚度从小到大变化时,其中高频峰值比低频峰值滞后移动;第三、当声波的入射角达到第二临界角时其透射峰值对界面刚度的变化敏感性最高;第四、所有透射峰值随着刚度系数的变化都是先慢后快再慢等刚度系数达到10N·m后基本保持不变;其次对空耦超声波垂直入射双层非等厚异质材料的情况进行数值计算,计算结果表明:第一、声波透射系数峰值也随之粘结界面法向刚度系数的增加而向高频方向移动;第二、透射峰值对界面刚度系数的变化敏感性各有不同;第三:所有峰值移动的起始点都是在其某层板厚度为此板中声波波长的整数倍。第四、当两层粘结板的厚度同为半波长的整数倍时声波在粘结结构中的几乎发生全透射。然后以涂层结构为例,基于声波的波动方程,建立超声波在涂层结构中的声压反射系数模型。基体选用钢、铸铁、铝合金,表面选用不同喷涂工艺得到的AlO陶瓷涂层为研究对象,获得了不同界面刚度系数的超声反射频谱。仿真结果表明:分离界面和理想界面时,谐振频率都具有周期性,但周期大小不同;弱结合界面时,随着界面的刚度系数逐渐增加,谐振频率逐渐增多,这些谐振频率均向高频方向移动。与频率较高处相比,频率较低处的谐振频率随着刚度系数的增加向高频移动的速度更快。因此建立了第一个谐振频率与刚度系数之间的关系。在同一刚度系数下,由谐振频率与材料的特性阻抗关系获得如下规律:当涂层材料不变时,谐振频率随着基体特性阻抗的增大而增大;当基体材料不变时,谐振频率随着涂层特性阻抗的增大而减小。给出了以指数函数形式拟合的刚度系数与谐振频率的变化曲线。通过对该指数函数参数与材料特性阻抗之间关系的分析,获得了弱界面时谐振频率与刚度系数和材料特性阻抗三者之间的函数表达式。最后搭建了空耦超声检测双层粘结板的实验平台,以复合材料板粘结和有机玻璃板与铝板粘结为例,验证了声波透射峰值随着界面刚度系数变化而变化的规律,实验结果与之前的理论计算结果基本吻合,证明了仿真结果的正确性。这些结论可以为空耦超声波检测粘结结构时的优化检测参数提供理论依据,从而提高检测的分辨率。

关键词：空耦超声分层介质弹簧模型刚度系数共振频率

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超声表面波检测技术研究

超声表面波检测技术研究

作者：王俊峰北京理工大学

学位级别：硕士

缺陷和残余应力会影响机械构件的综合性能,尤其是力学性能、疲劳寿命。如何能够快速无损的检测出构件的缺陷和残余应力,一直是国内外工业界和学术界的研究热点。针对缺陷和残余应力检测问题,本文研究了两种形式的超声波,即Rayleigh波和... 详细信息

缺陷和残余应力会影响机械构件的综合性能,尤其是力学性能、疲劳寿命。如何能够快速无损的检测出构件的缺陷和残余应力,一直是国内外工业界和学术界的研究热点。针对缺陷和残余应力检测问题,本文研究了两种形式的超声波,即Rayleigh波和临界折射纵波(LCR波),基于Rayleigh波波动理论研究了空耦超声表面波金属表面缺陷检测技术,基于临界折射纵波检测理论研究了复合材料残余应力临界折射纵波检测技术。文中首先介绍了缺陷和残余应力的研究背景和意义,分析总结了国内外表面波检测技术、空气耦合超声检测技术、临界折射纵波检测技术、复合材料应力检测技术的研究现状,突显了空气耦合缺陷检测技术和复合材料残余应力检测技术研究的必要性。其次,本文推导了Rayleigh波的振动和传播理论公式,介绍了Rayleigh波的产生方式和性质,研究了超声波在空气中的衰减特性和阻抗特性,提出了空气耦合方式的实现难点,为空耦表面波检测系统的搭建提供了理论支撑。基于声弹性理论,研究了弹性波的传播声速与应力的关系,介绍了临界折射纵波的激励方式,推导了临界折射纵波声时法应力检测的理论公式,为临界折射纵波检测系统的搭建奠定了理论基础。基于推导总结出的理论依据,文中搭建了空耦超声表面波检测系统和复合材料残余应力临界折射纵波检测系统。文中介绍了空耦超声表面波检测系统的主要硬件组成,利用该套检测系统验证了表面波的激励和接收情况,进一步研究了表面波空气耦合方式检测表面缺陷的可行性。文中对复合材料残余应力临界折射纵波检测系统的硬件组成和软件组成进行了介绍,对软件采用的计算算法进行了分析,并通过两种典型复合材料的拉伸实验,研究了应用临界折射纵波方法检测复合材料残余应力的可行性。空耦超声表面波检测技术和复合材料残余应力临界折射纵波检测技术有着良好的应用前景,对其进行理论和实验研究,探究其检测规律,对完善这些检测技术,有着重要的实践意义。

关键词：表面波空耦超声缺陷临界折射纵波复合材料残余应力