基于正弦曲面超聲緩沖桿的回波降噪方法

武美先,張東利,王召巴,陳振茂

(1.北方民族大學 化學與化學工程學院,銀川750021;2.北方民族大學 機電工程學院,銀川750021;3.中北大學 信息與通信工程學院,太原030051;4.西安交通大學 強度與振動教育部重點實驗室,西安710049)

高分子聚合物是航空航天、交通運輸、國防軍工等領域不可缺少的先進材料,其在加工過程中的混合狀態對產品性能的影響非常大[1],需要有效手段進行實時監測。超聲波穿透能力強、檢測信息反饋實時準確,是聚合物共混實時監測技術研究的熱點[2]。聚合物在加工時,工作溫度非常高,常規超聲探頭必須借助緩沖桿來間接獲取混合物的特征信號來實現狀態監測[3]。超聲波在緩沖桿中傳播時,會在桿的側面邊界處發生波型轉換,在兩次底波之間產生大量尾隨脈沖噪聲[4],嚴重影響了反射信號的特征提取和識別。因為波型轉換由桿的邊界條件引起,故通過改變緩沖桿輪廓形狀,即可達到改善邊界條件、抑制尾隨信號的目的[5]。

現有的緩沖桿結構研究通常為對簡單的圓柱及圓錐形狀[6－7]研究,對復雜結構緩沖桿的降噪能力研究尚未涉及。筆者采用超聲數值仿真方法,分析了利用基于正弦曲面的緩沖桿抑制尾隨脈沖的方法,該方法可為聚合物混合狀態超聲檢測傳感器的優化設計提供理論指導。

1 緩沖桿的超聲數值仿真

超聲波的數值仿真方法有波線法、有限差分法、有限元法等。筆者使用了Wave2500軟件包來研究復雜桿件中超聲的傳播情況和尾隨脈沖的降噪方法。Wave2500具有計算速度快、可仿真復雜模型邊界處的波型轉換、分析反射式超聲波傳播情況等優點[8]。

所用桿件材料為鋁,桿件基本形狀為圓柱,桿件基本尺寸為:直徑20 mm,長度100 mm。桿中縱波和橫波的聲速分別為6 419.88,3 039.86 m·s－1,相應的聲阻抗分別為17.333 7×106,8.207 62×106kg·m－2·s－1。探頭采用高斯正弦信號激勵,頻率2.5 MHz,激勵源直徑10 mm,作用于桿端部中心,使用脈沖反射法獲取回波信號。仿真時單元最大邊長為0.1 mm,計算步長0.013μs,時間步長0.01μs。

為評估緩沖桿的降噪效果,取桿端面一次和二次回波信號之間最大峰值的尾隨信號,分別定義一次底波和二次底波的信噪比為:

式中:A1為一次底波峰值;A2為一次底波尾隨脈沖信號的最大峰值;A3為二次底波峰值。

2 緩沖桿形狀結構變化對回波信噪比的影響

圖1和表1為緩沖桿外輪廓的形狀尺寸參數。圖2是所獲得的桿2的回波信號,圖中標出的三個峰值點分別為一次底波峰值A1、一次底波尾隨脈沖信號的最大峰值A2,以及二次底波峰值A3,A1和A3的位置可由超聲波傳播速度和其傳播的距離算得,A2取A1和A3之間尾隨噪聲中的最大尾隨噪聲的峰值。代入公式(1),即可求得一次底波及二次底波的信噪比SNR1和SNR2。表2為三種緩沖桿的信噪比計算結果。由表中結果可見,當桿具有前小后大或兩端小中間大的結構時,所得到的信號具有較高的信噪比;緩沖桿輪廓線的傾斜角度和起伏程度均對信噪比有較大影響,因此同時考慮這兩個因素,可獲得較大信噪比。

表1 三種典型緩沖桿的幾何尺寸及結構特點

表2 桿件結構特點及其信噪比計算結果

圖2 桿2的超聲回波信號

3 正弦曲面緩沖桿的降噪效果分析

正弦曲面緩沖桿模型如圖3所示,模型長l＝100 mm、小端直徑D1＝20 mm、大端直徑D2＝23.492 2 mm,外輪廓面起伏幅度為Δh。

圖3 正弦曲面緩沖桿模型

3.1 正弦輪廓面幅度變化對信噪比的影響

令桿正弦曲面的起伏幅度Δh為1～5 mm,計算每種情況下的回波信號和信噪比。仿真時,探頭位于桿件小端中心處。圖4為輪廓面不同幅度情況下采用脈沖回波法所得到的回波信號幅度和信噪比變化。可見,隨著正弦輪廓面幅度增大,信噪比呈先增大后減小的趨勢,當正弦曲面的幅度Δh為1～3 mm 時,信噪比較大;當Δh為1 mm 時,回波信號幅度達到最大。提高Δh值可提高SNR1和SNR2,這是輪廓面幅度增大的同時,增大了桿件邊界傾角的結果。

圖4 正弦外輪廓面幅度變化時的回波信號及信噪比

3.2 正弦輪廓面周期數變化對信噪比大小的影響

為了分析桿輪廓面周期數變化的影響,在桿件總長不變的情況下,取桿件的正弦輪廓面的周期數P為0.5～40,計算每種周期數情況下的回波信號和信噪比。圖5為桿輪廓周期變化時的回波信號計算結果。可見,對于所有周期數,尾隨信號幅度均很小;周期數為3,9,10,30 時的SNR1值較大,周期數P＝10時的SNR1值最大(47.128 d B),P為3,30時的綜合性能較好(SNR1和SNR2分別在46,41 dB左右),桿外輪廓形狀采用2周期以上的正弦函數可獲得較大信噪比。

圖5 正弦外輪廓面周期變化時的回波信號及信噪比大小曲線

4 結論

采用數值仿真方法研究了正弦曲面緩沖桿對尾隨噪聲的降噪能力,分析了桿外輪廓線形狀變化、幅度大小以及輪廓周期數變化對檢測信號信噪比的影響,發現桿外輪廓形狀對回波降噪具有重要作用,正弦曲面緩沖桿較簡單形狀的緩沖桿具有更高的信噪比。

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