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(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,銀川750021;2.北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,銀川750021;3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,太原030051;4.西安交通大學(xué) 強(qiáng)度與振動(dòng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710049)

高分子聚合物是航空航天、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍工等領(lǐng)域不可缺少的先進(jìn)材料,其在加工過(guò)程中的混合狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品性能的影響非常大[1],需要有效手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。超聲波穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)信息反饋實(shí)時(shí)準(zhǔn)確,是聚合物共混實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的熱點(diǎn)[2]。聚合物在加工時(shí),工作溫度非常高,常規(guī)超聲探頭必須借助緩沖桿來(lái)間接獲取混合物的特征信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]。超聲波在緩沖桿中傳播時(shí),會(huì)在桿的側(cè)面邊界處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換,在兩次底波之間產(chǎn)生大量尾隨脈沖噪聲[4],嚴(yán)重影響了反射信號(hào)的特征提取和識(shí)別。因?yàn)椴ㄐ娃D(zhuǎn)換由桿的邊界條件引起,故通過(guò)改變緩沖桿輪廓形狀,即可達(dá)到改善邊界條件、抑制尾隨信號(hào)的目的[5]。

現(xiàn)有的緩沖桿結(jié)構(gòu)研究通常為對(duì)簡(jiǎn)單的圓柱及圓錐形狀[6－7]研究,對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)緩沖桿的降噪能力研究尚未涉及。筆者采用超聲數(shù)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(tài)超聲檢測(cè)傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 緩沖桿的超聲數(shù)值仿真

超聲波的數(shù)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(lái)研究復(fù)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(jì)算速度快、可仿真復(fù)雜模型邊界處的波型轉(zhuǎn)換、分析反射式超聲波傳播情況等優(yōu)點(diǎn)[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(zhǎng)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(yīng)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(hào)激勵(lì),頻率2.5 MHz,激勵(lì)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(hào)。仿真時(shí)單元最大邊長(zhǎng)為0.1 mm,計(jì)算步長(zhǎng)0.013μs,時(shí)間步長(zhǎng)0.01μs。

為評(píng)估緩沖桿的降噪效果,取桿端面一次和二次回波信號(hào)之間最大峰值的尾隨信號(hào),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(hào)的最大峰值;A3為二次底波峰值。

2 緩沖桿形狀結(jié)構(gòu)變化對(duì)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(shù)。圖2是所獲得的桿2的回波信號(hào),圖中標(biāo)出的三個(gè)峰值點(diǎn)分別為一次底波峰值A(chǔ)1、一次底波尾隨脈沖信號(hào)的最大峰值A(chǔ)2,以及二次底波峰值A(chǔ)3,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(jì)算結(jié)果。由表中結(jié)果可見,當(dāng)桿具有前小后大或兩端小中間大的結(jié)構(gòu)時(shí),所得到的信號(hào)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(duì)信噪比有較大影響,因此同時(shí)考慮這兩個(gè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

表2 桿件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其信噪比計(jì)算結(jié)果

圖2 桿2的超聲回波信號(hào)

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(zhǎng)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(duì)信噪比的影響

令桿正弦曲面的起伏幅度Δh為1～5 mm,計(jì)算每種情況下的回波信號(hào)和信噪比。仿真時(shí),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(hào)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(shì),當(dāng)正弦曲面的幅度Δh為1～3 mm 時(shí),信噪比較大;當(dāng)Δh為1 mm 時(shí),回波信號(hào)幅度達(dá)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(shí),增大了桿件邊界傾角的結(jié)果。

圖4 正弦外輪廓面幅度變化時(shí)的回波信號(hào)及信噪比

3.2 正弦輪廓面周期數(shù)變化對(duì)信噪比大小的影響

為了分析桿輪廓面周期數(shù)變化的影響,在桿件總長(zhǎng)不變的情況下,取桿件的正弦輪廓面的周期數(shù)P為0.5～40,計(jì)算每種周期數(shù)情況下的回波信號(hào)和信噪比。圖5為桿輪廓周期變化時(shí)的回波信號(hào)計(jì)算結(jié)果。可見,對(duì)于所有周期數(shù),尾隨信號(hào)幅度均很小;周期數(shù)為3,9,10,30 時(shí)的SNR1值較大,周期數(shù)P＝10時(shí)的SNR1值最大(47.128 d B),P為3,30時(shí)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(shù)可獲得較大信噪比。

圖5 正弦外輪廓面周期變化時(shí)的回波信號(hào)及信噪比大小曲線

4 結(jié)論

采用數(shù)值仿真方法研究了正弦曲面緩沖桿對(duì)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(shù)變化對(duì)檢測(cè)信號(hào)信噪比的影響,發(fā)現(xiàn)桿外輪廓形狀對(duì)回波降噪具有重要作用,正弦曲面緩沖桿較簡(jiǎn)單形狀的緩沖桿具有更高的信噪比。

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