基于经验模态分解和奇异值分解的振动声调制信号分析方法研究

针对振动声调制特征信号被强噪声淹没无法有效提取的问题,提出一种基于经验模态分解与奇异值分解相结合的振动声调制信号分析方法。先对振动声调制信号进行经验模态分解,选取imf分量,然后将imf分量进行奇异值分解降噪,得到非线性特征信号,最后对特征信号进行Kolmogorov熵计算。将该算法应用于实际碳纤维复合材料的检测,利用Kolmogorov熵进行损伤评估。该方法成功提取了特征信号,实现了损伤诊断和定量评估,而且具有较强的自适应能力。

非线性振动声调制信号耦合特征分析

振动声调制(Vibro-acoustic modulation,VAM)是一种非线性无损检测方法,利用低频振动信号与高频超声波在结构损伤处产生调制现象来检测损伤。目前振动信号与超声波之间的耦合机理、损伤程度与调制强度的关联关系还不明确。以一块航空铝板为对象开展试验研究,通过对不同裂纹长度下的VAM信号进行AM-FM解调,从时频域分析振动信号与超声波是如何相互耦合的;研究激励参数和裂纹长度对VAM信号调制强度的影响。结果表明,当铝板中存在损伤时,振动信号与超声波之间既存在频率调制也存在幅值调制,调制波为振动信号的基波及各次谐波;VAM信号的调制强度受激励电压、铝板振动模态等因素的影响,与裂纹长度的关联关系并不是单调的,因此无法用于损伤程度的评估。根据非线性弹簧模型和影响VAM信号调幅特征的因素定义可用于损伤评估的相对指标,并进行验证。

基于非线性弹簧模型的振动声调制机理研究

飞机结构裂纹的在线监测是保证飞行器安全的重要举措,针对目前常规的无损检测方法无法实现在线及原位监测的不足,根据裂纹引起的超声非线性,基于振动声调制效应对结构裂纹进行监测是一种可行的方法。采用非线性弹簧模型对裂纹进行模拟,建立了两列一维简谐波在含接触界面的结构中的传播模型,通过公式推导,得到了透射信号的基波、调制边频谐波和高次谐波等信号成分的近似表达式,分析了各谐波成分幅值与激励信号参数间的对应关系,推导了边频调制谐波与两低频基波幅值乘积之比R与刚度系数间的关系。通过板中的振动声调制试验,分析了响应信号的谐波成分及各谐波成分随低频振动幅值的变化关系,探讨了指标R随外力变化情况,试验结果基本符合模型推导的结论,为采用基于振动声调制的方法进行裂纹监测提供了理论指导。

基于振动声调制的金属微裂纹定位方法研究

针对传统线性超声检测无法检测闭合微裂纹的问题,搭建了铝板的微裂纹振动声调制(VAM)检测系统,提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号和只滤除基波的全部非线性信号并对其时域反转,在ABAQUS有限元软件下,将其加载在铝板的无损模型上实现时间反转聚焦,获取铝板模型能量分布云图和各质点的位移信息,以此对微裂纹进行定位。结果表明,在时反信号的聚焦时刻原裂纹位置处有较强能量聚焦,只滤除基波的全部非线性信号聚焦效果优于一阶旁瓣非线性信号,振动声调制技术与时间反转方法结合能够实现对微裂纹的检测和定位。

基于振动声调制的板类结构裂纹定位成像

针对线性Lamb波在监测闭合裂纹及微裂纹方面的不足,基于振动声调制理论,提出了一套板类结构中裂纹损伤定位方法。通过分析仅有高频(HF)激励和高低频(HF和LF)同时激励时,声波在含裂纹结构中的传播路径及其信号成分组成,提出了一种含损伤信息信号的提取技术,继而结合延时叠加算法,参考有基准的线性Lamb波损伤定位方法,对板类结构中的疲劳裂纹进行了定位成像。试验证明,该方法可在无需原始健康基准信号的前提下,有效定位出平板结构中的疲劳裂纹,为结构中接触类损伤的定位成像提供了思路。

调制气流声源振动系统参数分析

通过实验数据与理论计算结果的对比,分析了气流对振动系统的阻尼作用;并以实验声源为基础,以等效电路方法分析了调制气流声源振动系统的弹性系数、磁感应强度、音圈质量、电阻、电感以及绕线方式等参数对音圈振幅的影响;根据调制气流声源的用途差异,提出了用于语音广播和产生大功率低频声波时振动系统各参数的选择方法。

非线性振动声调制的混凝土梁微裂缝损伤检测试验

目的针对混凝土构件微裂缝损伤检测问题开展试验研究,以解决传统线性损伤识别方法敏感度和精度偏低等问题。方法在非线性振动声调制技术基础上,搭建了振动声调制试验平台并进行激励参数优化,研究混凝土梁在不同微裂缝损伤状态下的调制特性及规律。结果在优化激励参数试验中,高频和低频信号的频率对非线性调制效应的影响规律并不明显;非线性调制效应与高频信号幅值呈现线性正相关规律,而低频幅值存在激振力阈值。并且,在损伤识别过程中,该方法能够对损伤程度在0%~70%的混凝土梁有较好的识别敏感度。结论振动声调制技术所产生的非线性效应与裂缝开合过程中界面接触面积变化密切相关,从而有效解决了传统线性损伤识别技术对微裂缝识别不敏感问题。

调制气流声源振动系统有限元分析与实验

用动力有限元方法对调制气流声源振动系统进行了数值模拟,基于电涡流传感器构建了实验系统进行了相关验证,并对产生低频强声和远距离语音广播条件下橡胶弹性元件特性进行了探讨。结果表明,M-R橡胶本构模型描述的振动系统与实验保持了较好的一致性,证明该本构模型描述初始小变形条件下的橡胶振动特性是有效的;理想情况下,动圈-橡胶结构的振动系统为单自由度振动系统,低频振动时,振动位移失真以橡胶等效刚度非线性引起的三次谐波失真为主,随着频率升高至共振频率附近,磁场不均匀等因素引起的二次谐波失真逐渐增大并成为主要失真分量;音圈偏置是导致系统出现多阶振动模态的主要诱因之一。

基于振动声调制的金属微裂纹检测方法

为克服传统线性超声无法检测微纳级宽度裂纹的缺点,开展了振动声调制法检测金属微裂纹的研究。用有限元分析软件ABAQUS开展了仿真研究,并验证了该方法的有效性,为实验参数设置提供了参考。搭建振动声调制检测系统,分析了不同长度微裂纹的调制特性,提出了基于振动声调制信号的信息熵定量表征方法。结果表明,存在微裂纹的铝板的振动声调制信号中的旁瓣信号明显,且检测信号的信息熵随裂纹长度单调增大,可作为振动声调制法检测微裂纹长度的特征参数。

基于振动声调制和时间反转法的微裂纹定位检测研究

针对常规超声检测对闭合微裂纹不敏感的现象,开展了基于振动声调制技术的非线性超声检测研究,并引入时间反转法对检测信号中的非线性信号进行聚焦处理,实现闭合微裂纹的检测及定位。利用ABAQUS有限元软件仿真振动声调制技术检测铝管微裂纹,用有限长冲激响应滤波器提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号,在时域反转后重新加载到无裂纹铝管模型进行时反信号聚焦仿真。结果表明,振动声调制检测信号中的一阶旁瓣非线性信号能够在裂纹位置附近聚焦,管道径向布置的时间反转信号加载方式信号聚焦效果优于轴向布置,并且根据聚焦像的大小和位置可以对裂纹进行定量和定位。

基于振动声调制信号协整分析的螺栓预紧状态识别

振动声调制(vibro-acoustic modulation,VAM)利用低频振动和高频信号在损伤处相互作用所产生的非线性旁瓣信号进行结构损伤识别。在实际工程中,边界条件往往会影响被监测结构,干扰旁瓣的识别,导致损伤状况的误判。针对边界条件影响下的螺栓连接状态监测问题,提出了基于VAM信号协整分析的螺栓预紧状态识别方法。首先提取不同边界固定力下旁瓣信号的幅值作为协整变量,然后根据残差序列判断螺栓的预紧状态,建立具有鲁棒性的螺栓预紧力状态量化指标。实验结果表明:协整分析可以消除边界条件对VAM的影响,能够很好地表征螺栓的状态;协整残差的均方根(root mean square,RMS)值作为量化指标,能够有效地识别螺栓预紧力状态。

基于振动声调制的微裂纹定位成像研究

为了准确识别金属构件中的微裂纹,提出将振动声调制技术和延时叠加算法相结合的定位成像方法。通过基本原理分析,利用有限元软件对含有矩形微裂纹铝板模型进行振动声调制仿真,提取非线性损伤信号将其作为像素特征,使用延时叠加算法进行定位成像,并分析了成像的影响因素。实验中搭建了振动声调制检测系统对铝板里的圆形微裂纹进行定位成像,验证了上述方法的可行性。结果表明,成像结果与铝板上的原裂纹位置基本吻合,说明该定位成像方法能够实现微裂纹的有效定位。

基于非线性振动调制超声导波的悬臂梁结构的非线性损伤定位

提出了一种利用非线性振动调制超声导波的方法,实现了悬臂梁结构中非线性损伤定位(疲劳裂纹)。在该技术中,损坏的金属梁设计为悬臂梁结构,引入的磁铁系统用来控制悬臂结构的动力学响应,使模型呈现出非线性振动。结合非线性振动声调制技术和同步锁相解调技术,提取出由于疲劳裂纹引起的非线性响应,实现疲劳裂纹的定位。

振动声调制检测技术在直升机维修中的应用前景

对振动声调制检测技术在直升机维修中的应用开展了预先研究。分析了直升机结构健康监测的技术需求,根据振动声调制检测技术的优势特点,提出了该技术潜在的适用领域以及难点和瓶颈问题,并给出了相应的解决思路。研究结果表明,该技术满足直升机结构健康监测的技术需求,是一种很有研究价值和应用潜力的无损检测方法。

基于振动声调制技术的直杆微裂纹检测

针对传统线性超声无法检测接触性疲劳裂纹的问题,非线性超声检测技术对其具有非常好的检测效果。振动声调制技术是非线性超声检测技术的一种,其对于接触型的缺陷尤其是疲劳性的裂纹格外敏感,但非线性检测技术只能判断损伤是否存在,无法识别出微裂纹的具体位置。因此,本文引入时间反转法,将振动声调制技术检测得到的非线性信号进行聚焦处理,实现直杆微裂纹的检测及定位。

基于不连续脉宽调制永磁同步电机边带声振响应数值预测

以轻型电动汽车驱动用永磁同步电机为研究对象,针对不连续脉宽调制策略所引入的边带谐波成分,建立多物理场协同仿真模型,实现边带电流谐波与声振响应的特征识别。首先,阐述不连续脉宽调制(DPWM)策略的空间矢量原理及实现方法。其次,基于麦克斯韦张量法,揭示边带谐波成分与径向电磁力的频谱分布规律;并建立Simulink&JMAG协同仿真模型,对DPWM策略所致边带声振响应进行仿真预测,验证了解析模型的正确性。最后,搭建12槽-10极永磁同步电机测试平台,对比分析6种典型DPWM方案的稳态工况仿真与实测数据。结果表明,所构建的多物理场协同仿真模型不仅可以反映边带频谱分布规律,而且能够准确预测边带电流谐波及声振响应的幅值特征。

混沌脉宽调制对艇用推进电机振动的影响

本文从混沌脉宽调制在电机驱动系统中的工程应用角度出发,分析不同调制策略下的电流频谱特性,根据潜艇特有的声隐身性能要求,提出了衡量调制策略优劣的重要参数-线谱抑制系数,并与电流最大谐波峰值一同作为电流谱的考核指标,利用差分进化算法对混沌参数进行优化,并采用有限元软件对不同调制策略下的电磁激振力进行了仿真计算,验证了混沌脉宽调制在抑制高频电磁力方面的有效性,同时实验表明混沌脉宽调制在降低开关频率及其倍频处的振幅和抑制特征线谱方面效果明显,有利于提高潜艇的声隐身性能。

复杂结构焊缝的非线性超声检测方法

振动声调制技术是一种新出现非线性超声无损检测方法.文中简要介绍了此技术的检测原理,并对其在复杂结构焊缝质量检测中的应用进行了初步研究.制作了小径管座角焊缝试样,分别在单频激励和扫频激励条件下进行检测.结果表明,缺陷试样的调制强度均高于参考试样,且在特定高频频率范围内,二者差别显著,更有利于焊缝质量判别.而采用扫频技术可快速得到合适的高频频率范围,提高检测效率.与超声C扫描检测结果相比,采用振动声调制技术对小径管座角焊缝进行检测是可行的,但缺陷的定位定量分析等问题还需要进一步研究.

动圈-橡胶结构振动特性的实验研究

针对调制气流声源中动圈-橡胶结构振动系统,利用电涡流传感器构建振动位移测量实验平台,对橡胶硬度分别为40o和50o的系统振动特性进行相关研究。结果表明,该系统在恒流激励下可近似为单自由度系统;在小变形范围内,主共振频率上升梯度随预压量的增大而减小;50o橡胶对应的系统有效频率范围优于40o橡胶;激励信号的大小会改变橡胶的等效刚度,激励越大,刚度越小;在初始小变形工况下,增大橡胶预压量可改善位移谐波失真。

复合材料冲击损伤非线性振动声调制检测技术的试验研究

复合材料因其优良性能在航空航天领域应用广泛,但其受低速冲击后强度与结构完整性会严重下降。非线性振动声调制技术作为一种检测范围广、检测精度高的无损检测新技术,能对结构中的接触缺陷进行有效检测。本文制作了含冲击损伤试样,通过选取合适的高频超声激励频率,分别在不同的低频振动幅值及模态频率下对含冲击损伤复合材料进行检测。研究结果表明,非线性振动声调制技术能对含冲击缺陷试样与参考试样进行有效区分,调制系数与低频激励幅值呈近似线性关系。检测时需选取合适的频率及幅值。缺陷处振动不剧烈且低频激励幅值较小时,较小冲击能量损伤试样与参考试样不易区分;缺陷处振动剧烈时,输入较低的低频幅值即可较易分辨参考试样与损伤试样.