多晶材料散射模型及识别实验研究

超声波识别在国防、军事、航空航天、核设施等高科技领域具有重要的应用价值.利用超声波可以实现对个体金属材料的识别,但现有研究侧重于识别材料超声信号差异的算法,缺乏识别机理.本文以2A12铝合金为例,利用6个晶粒在尺寸、形状、排布方向以及排列顺序不同时,建立了10个2A12铝合金微结构的初级模型,以此类比多晶金属材料的复杂微观结构.利用Comsol有限元软件仿真计算了金属材料不同微观结构中的超声波时域信号,并将回波信号中的的背向散射信号提取为超声指纹.定义了特征差异Q,量化了具有不同微结构的散射模型间的超声指纹的差异.结果表明,微观结构的细微变化也会导致超声信号出现差异,其中晶粒尺寸的变化对信号的影响更为显著.随后提出了超声识别算法,并对4块形状完全一致的2A12铝合金样品进行了识别实验.识别结果表明,利用超声指纹可以准确识别出目标样品,且各样品间的超声指纹有显著区别.最后对样品进行了扫描电子显微镜实验,所得电子显微镜图片显示了各样品真实微观结构的形貌与差异,证实了所建立的超声散射模型的有效性.

基于混叠模态Lamb波能量衰减特性的液位检测研究

提出了一种利用混叠模态Lamb波检测液位的方法。利用具有单侧液体负载的Lamb波的频散方程求得了相速度频散曲线,分析了波的离面位移和接收信号能量衰减的关系,选择激励了对液位变化敏感的Lamb波模态。仿真计算了不同角度入射波对应的混叠接收时域信号及其对应的能量。实验测试结果表明,包含B4模态波为主的混叠波的检测区分度远高于其他模态混叠波和纵波,该结果与理论计算相符。

窗型超磁致伸缩换能器的设计与试验研究

该研究研制了一种窗型结构(双棒结构)超磁致伸缩换能器。等效电路法设计了换能器,以输出端振幅最大、稀土棒内磁场均匀和棒内小峰值应力为目标,有限元方法优化了其结构尺寸,并仿真计算了阻抗圆、输出端振幅随激励电流变化的规律,以及工作频率点处温升与时间的关系。测试了换能器样品,结果表明:测试频率为19.64 kHz,设计值为19.45 kHz;1 A激励电流的位移振幅测试值为6.1μm,计算值为6.3μm;电声效率测试值为52.58%,计算值为41.51%;试验测试1 A电流工作15 min后温度升为45.5℃,仿真计算的温度升为47.8℃。试验测试与理论计算基本吻合。

傅里叶变幅杆的外形函数与性能分析

为设计振幅放大系数和形状因数均优良的变幅杆,研究了以不同阶次的傅里叶级数为振动位移函数的傅里叶变幅杆模型。推导了不同阶次傅里叶级数时变幅杆的外形函数,计算了相应的形状因数和位移节点。利用有限元方法计算了变幅杆的谐振频率、位移幅值和位移节点,并比较了其与传统变幅杆的性能优劣。结果表明:当面积系数较大时(大于3.34),阶梯形变幅杆的振幅放大系数最大,其次是二阶傅里叶、悬链线形、指数形,最小为圆锥形;圆锥形变幅杆的形状因数最大,其次是指数形、悬链线形、二阶傅里叶,最小为阶梯形。谐振频率与面积系数相同的条件下,二阶傅里叶变幅杆的振幅放大系数远大于指数形、悬链线形和圆锥形变幅杆的相应值,其形状因数远大于阶梯形变幅杆。在同时考虑振幅放大系数和形状因数的条件下,相较于传统变幅杆,二阶傅里叶变幅杆综合性能更好。

应用改进曼哈顿距离的金属超声辨识研究

超声波与金属样品的显微结构相互作用而发生散射和反射等效应,造成声波能量的损失。将超声波信号与金属样品的显微组织和晶体结构联系起来,提出“超声指纹”这一概念。每个金属样品的“超声指纹”都是独一无二的,对已知的标准样品采样并留存其“超声指纹”,相当于为其贴上“防伪标签”。以3类成分相近的金属样品以及每类7个成分相同的金属样品为例,利用超声相控阵的扇形扫查方式进行信号采样。将改进曼哈顿距离作为指纹特征,结合高斯分布原理和三倍标准差法计算标准样品的辨识阈值,相较于以前的阈值计算方法更加科学合理。测试结果表明,提出的方法能够对成分相近金属样品甚至成分相同的金属样品全部实现准确辨识。

超磁致伸缩单激励椭圆振动系统的设计

为了实现超声振动辅助加工,该文研制了一种超磁致伸缩单激励椭圆振动系统,其由超磁致伸缩换能器和结构不对称的弯曲振动变幅杆组成。利用各组件之间的连续边界条件,推导出超磁致伸缩换能器的频率方程,并根据Timoshenko理论设计了变幅杆。随后,利用有限元方法研究了变幅杆中的过渡圆弧对振动系统输出端头产生的椭圆轨迹的影响。振动系统的谐振频率设计值为20.486 kHz,在换能器的激励下,变幅杆产生纵向及横向振动。实验测试了振动系统的等效电阻抗、变幅杆端面处的纵向和横向振动振幅以及两者的相位差。结果表明,振动系统的实际谐振频率为20.7 kHz,带宽为187.5 Hz,纵向振幅稍大于横向振幅,多次测试后的纵横向振动的平均相位差为101◦。测试的谐振频率、变幅杆端头运动轨迹与计算结果相符。

基于容器内壁反射能量变化的液位超声检测方法

置于液罐外壁液面高度附近处的收发探头发射声束透过罐壁在其内壁产生一投影面积,提出利用液体在该投影面积中的占比与能量之间的关系来检测液位的变化。计算探头接收到的回波信号能量,该能量值与液面高度成反比,由此定征液面位置。搭建试验系统,采集回波信号,将算得的接收能量值代入占比面积表达式得到相对探头的液面位置。计算的液面位置与实际液面位置相吻合,两者的误差仅小于2.465 mm。有限元仿真计算也验证了探头接收能量与液位变化的关系。

单芯、多芯线线圈涡流损耗仿真计算及实验研究

交流电流流过RLC谐振电路中会出现涡流,线圈电阻也将随交流频率的增加而急剧上升。由于单芯线圈与多芯线圈产生趋肤与邻近效应的机理不同,故两者的交流电阻随交流频率的增加趋势有所不同。采用谐振法测量了单芯线及多芯线中电阻与交流频率的关系,仿真计算了单芯、多芯线圈在不同交流频率下的涡流损耗,表明在高频交流情况下,多芯线圈受涡流效应的影响要高于单芯线圈。同时,实验测试与计算结果相吻合。

不同结构Terfenol-D棒的高频振动性能研究

为了高效应用Terfenol-D棒,研究了六种结构的棒。利用有限元软件对不同棒的磁芯损耗进行了仿真计算,并对其进行动力学仿真研究。加工了其中三种结构的棒,对棒的输出振幅进行了试验测试。结果表明:外径表面处,未处理棒的磁芯损耗最大;切片处理和切缝处理棒的磁芯损耗均减小,切片处理棒的磁芯损耗小于切缝处理。外径切缝棒整体的损耗最大;径向切割并粘接棒和切片处理棒整体的损耗小于未处理棒和外径切缝棒;两端切片棒整体的损耗大于切片并开槽棒和切片处理棒。未处理棒的谐振频率最高,机械品质因数最大,振幅最小;与未处理棒相比,切片处理棒或切缝处理棒的谐振频率和机械品质因数减小,振幅增大;切片处理棒的谐振频率和机械品质因数小于切缝处理棒,振幅远大于切缝处理棒。

基于超声相控阵平面波检测的金属指纹标签识别系统

重要物品被伪造替换将造成重大损失.文章提出了超声指纹标签的概念,利用超声相控阵平面波检测采集每个金属材料独有的超声回波,将其保存为指纹标签,与形状材料完全一致的仿制件混淆后,利用指纹标签识别算法准确识别出目标物体.结果表明,超声相控阵识别系统可以稳定提取金属样品的超声信号,快速计算其超声指纹标签,并准确完成目标样品的识别,为贵重物品的保护和识别提供了新的方法.

基于线性预测分析的金属材料超声识别方法

针对金属材料中超声波的背向散射与其微观结构特征密切相关,即使材料相同,超声信号也会因金属晶粒的尺寸和径向分布的随机性而产生差异的问题。计算了金属样品超声信号的线性预测系数,以此作为其超声指纹,结合拉伊达判别准则确定的阈值,完成了对形状、材料完全一致的金属样品的识别。结果表明:基于线性预测分析的超声金属材料识别方法可以快速、准确地识别出各样品。该方法对贵重金属材料、金属文物的识别保护具有一定的参考应用价值。

超磁致伸缩换能器磁路设计及振动性能测试

研制了一种超磁致伸缩换能器。为了改善磁路,提高换能器的振动性能,利用有限元法对换能器进行仿真计算,重点研究了导磁块和导磁筒对换能器性能的影响,又仿真计算了换能器工作时的温升;对研制的换能器阻抗和振幅进行了测量;结果表明:随着导磁筒厚度的增加,Terfenol-D棒的磁场强度先增大后减小,磁场均匀度先减小后不变,输出振幅先增大后略有减小;随着导磁块厚度的增大,Terfenol-D棒的磁场强度和磁场均匀度增大,输出振幅也增大;与无导磁筒的换能器相比,有导磁筒的换能器的机电转换系数和输出振幅均较大,但工作相同时间后的温度较高。该研究提供一种对超磁致伸缩换能器的磁路结构进行设计优化,并提高其振动性能的仿真计算方法。

POM圆盘轴对称弯曲振动研究

研究了一种材料为聚甲醛(POM)的薄圆盘声波辐射体,压电换能器在其中心处产生振动激励.采用解析法设计了POM圆盘,用有限元方法对POM圆盘−换能器振动系统进行了建模、计算.在系统谐振频率处,有限元计算和实验测试了圆盘的振动位移与系统的电声效率.结果表明,POM圆盘和钢圆盘半径、厚度相同时,POM圆盘−换能器振动系统在空气中的半功率带宽更宽,而钢圆盘−换能器振动系统的电声效率更高;POM圆盘−换能器振动系统更易施加较高的电压或有功功率;激励电压相同时,POM圆盘的振动位移大于钢圆盘.

基于卷积神经网络的超声金属材料辨识

传统的金属材料辨识方法会给被检测样品带来一定程度的损伤。文章通过采集金属材料的超声回波时域信号,采用短时傅里叶变换对其进行时频分析,得到包含金属材料微观组织信息的超声时频谱。将目标样品的超声时频谱预处理后作为训练样本,输入到构建好的卷积神经网络中进行训练。然后采集目标样品以及干扰样品的超声频谱图,分别将其输入网络进行辨识。结果表明,神经网络在训练时收敛较快,损失函数在迭代200次后收敛,在经过100次迭代后训练集准确率趋于100%。训练完成的网络模型记录着对应训练样本的特征信息,利用该训练好的网络对待测样本进行辨识,最终可实现超声金属材料辨识。

增压发动机全浮式活塞销敲击噪声研究

活塞销敲击噪声影响汽车的驾驶舒适性。基于弹性流体动压润滑理论建立了带全浮式活塞销的曲轴连杆活塞动力学模型,对不同负载、活塞销间隙、润滑油温度、润滑油槽与活塞销敲击噪声之间的关系进行了仿真计算。计算结果表明:随着负载的增大,敲击时刻和强度发生变化,当负载增大到75 N·m时,此敲击噪声消失;活塞销间隙由20μm减小到10μm,敲击强度减弱;润滑油温度对此敲击影响不明显;增加润滑油槽后,润滑油膜液动压力峰值由3.6 MPa降低至1.9 MPa,敲击强度显著减小,甚至消除了此噪声。试验测试与计算结果相吻合。该研究可为控制活塞销敲击噪声提供参考。

外形结构对Terfenol⁃D棒发热的影响

为了减小Terfenol⁃D棒工作时的发热,实现超磁致伸缩换能器、致动器的持续稳定工作。利用COMSOL Multiphysics有限元软件对三种结构的稀土棒进行温度场仿真计算。加工的三种稀土棒在工作了同一段时间后,对其温升进行实验测试。结果表明,未切割棒的温度最高,该棒的温度中部高两端低,外径表面的温度高内部的温度低;与未切割棒相比,切片和切缝棒的温度均降低,切片棒的温度小于切缝棒;切缝棒的温度中部高两端低;切片棒的温度分布的比较均匀。几种结构稀土棒温度的有限元计算值和实验测试值的变化趋势基本吻合。

阶梯圆盘的设计及其声参数计算

由薄圆盘改进而来的阶梯型薄圆盘声波辐射器在空气中有着很好的应用,但由于阶梯的存在,需要根据在节线处位移连续、位移斜率连续、剪切力连续以及弯矩连续,加之其边界条件才能推导出频率方程。多一条节线,则多四个方程。变量多,方程系数复杂,频率方程难解。本文以单节线阶梯圆盘为例,提出了一种数值计算方法,编制了计算程序。计算结果与实验测试值符合较好。更进一步,可计算得到阶梯盘的声场分布、辐射阻抗等声学特性。本文为阶梯圆盘的设计和其声学性能的计算提供了一种方法。

基于多晶材料超声背向散射信号时频域特征的识别方法

利用多晶材料微结构差异对超声波传播的影响特性,提出了一种计算超声回波信号特征量的算法,根据拉依达准则设定了识别阈值并编译了识别程序。采用所提方法对金属材料和陶瓷材料样品进行超声检测试验。试验结果表明,该方法可对材料和尺寸完全一致的样品实现准确识别。

稀土超磁致伸缩材料及其高效应用方法

近年来，由于稀土超磁致伸缩材料具有卓越的特性，在高新技术领域引起了广泛的重视。重点介绍了稀土超磁致伸缩材料的发展简史、特点及高效应用方法。

超声无损评价金属材料晶粒尺寸的研究

利用超声波来评价金属材料的晶粒尺寸,与传统的金相法相比较,超声无损评价其特点是直接性和非破坏性,因此实用性强。综述了超声波无损评价金属材料晶粒尺寸各方法的原理和研究现状,并结合超声无损检测(评价)技术的应用需求及研究现状中的不足,对超声波无损评价金属材料晶粒度方法的设计方案的优化作了展望。