基于彈性波反射透射理論刀具故障聲發(fā)射信號(hào)傳播特性研究

向建軍

摘要：運(yùn)用聲發(fā)射（AE）技術(shù)診斷機(jī)床刀具故障時(shí)，故障AE信號(hào)在傳播過(guò)程中除存在常見(jiàn)的吸收、擴(kuò)散等，還存在由于機(jī)床結(jié)構(gòu)界面不規(guī)整而導(dǎo)致在傳播過(guò)程中發(fā)生的信號(hào)畸變，極大影響故障檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，因此探索故障AE信號(hào)的傳播特性對(duì)于提高故障診斷的準(zhǔn)確率極為重要;本文提出一種基于彈性波反射透射理論的AE信號(hào)傳播特性研究方法，運(yùn)用數(shù)值仿真對(duì)故障AE信號(hào)傳播中結(jié)構(gòu)界面不同接觸長(zhǎng)度與不同接觸厚度情況下AE信號(hào)的傳播特性進(jìn)行模擬，并選用幅值和能量作為特征量來(lái)衡量變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：①界面接觸長(zhǎng)度變化對(duì)AE信號(hào)的幅值影響較小，但是AE信號(hào)能量隨著長(zhǎng)度的增加衰減逐漸增大，因此在故障檢測(cè)時(shí)，如選擇幅值作為特征參數(shù)，只需保證所布置傳感器位置厚度相近即可;②AE信號(hào)的幅值和能量隨著界面接觸厚度的增加，衰減逐漸增大，且能量的衰減大于幅值，因此檢查時(shí)若厚度不均勻時(shí)，為減少干擾，應(yīng)盡量選擇厚度相近處布置。

關(guān)鍵詞：AE;彈性波;反射透射;傳播特性;數(shù)值仿真

中圖分類號(hào)：TH133.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0135-03

0? 引言

AE作為一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)在航空航天、先進(jìn)機(jī)床刀具故障檢測(cè)等關(guān)鍵設(shè)備故障檢測(cè)領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用[1-3]，但由于機(jī)床等設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)界面厚度以及接觸面形狀等可變因素對(duì)故障信號(hào)波傳播產(chǎn)生影響，使得AE信號(hào)波除了擴(kuò)散、吸收等常規(guī)衰減外[4-9]，還存在因?yàn)锳E信號(hào)波傳播過(guò)程被檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)不規(guī)則（不同接觸長(zhǎng)度與接觸厚度等）等因素，使信號(hào)發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致故障源信號(hào)與AE傳感器采集到的信號(hào)間映射關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，極大影響了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。本研究基于彈性波的反射透射理論對(duì)刀具故障AE信號(hào)在界面結(jié)構(gòu)條件下傳播特性進(jìn)行數(shù)值仿真，重點(diǎn)探索不同接觸長(zhǎng)度與不同接觸厚度對(duì)AE信號(hào)波傳播特性的影響，旨在為機(jī)床刀具故障檢測(cè)時(shí)的傳感器布置、特征參數(shù)選取等提供一定的參考依據(jù)。

1? 彈性波反射透射理論

現(xiàn)有研究表明[10-11]，AE故障源信號(hào)在介質(zhì)中以彈性波的形式進(jìn)行傳播，因此彈性波的傳播理論適用于AE信號(hào)波傳播特性研究。圖1中為界面結(jié)構(gòu)下彈性波的傳播模型，介質(zhì)1、介質(zhì)2為制造機(jī)械零部件常用金屬，零件均置于空氣中，假定界面耦合良好。

假定彈性信號(hào)波在介質(zhì)1、介質(zhì)2界面處的反射系數(shù)為R，透射系數(shù)為T，依據(jù)彈性波反射透射規(guī)律有：

上式（1）中R1為彈性波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2中的反射系數(shù)，T1為彈性波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2的透射系數(shù);式（2）中R2為彈性波從介質(zhì)2傳播到介質(zhì)1中的反射系數(shù)，T2為彈性波從介質(zhì)2傳播到介質(zhì)1的透射系數(shù);易得：R1=-R2，T1=1-R1，T2=1-R2。

入射波假定為垂直于接觸界面?zhèn)鞑サ钠矫鎻椥钥v波，因此重點(diǎn)考慮與界面處于垂直方向的情況，即波的傳播方向?yàn)閤方向，那么入射波的波動(dòng)方程可表示為：

式（3）中，A1為入射彈性波的振幅，由于彈性波會(huì)在相互接觸的兩種介質(zhì)中發(fā)生多次反射與透射，因此在接觸面上任意處，即x=L處，彈性波的反射和透射表達(dá)式為：

在此模型中介質(zhì)2相對(duì)較小，因此透射波和界面反射波會(huì)在介質(zhì)2中出現(xiàn)相互疊加，綜上，布置在介質(zhì)2右側(cè)的傳感器所采集到的疊加波方程可以表示為：

在彈性波傳播特性研究領(lǐng)域，常用幅值和能量作為特征參數(shù)來(lái)衡量波的傳播特性[12-13]，此處假設(shè)模擬傳感器所采集到AE信號(hào)波的幅值為A，則易知，模擬傳感器采集到信號(hào)波的能量E可表示為：

其中，A（c）是虛擬傳感器所采集到AE信號(hào)波第c個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值，N為傳感器所采集到彈性波的總個(gè)數(shù)，N與傳感器的靈敏度與波的衰減速率有關(guān)。

2? AE信號(hào)波傳播特性數(shù)值仿真

2.1 界面不同接觸長(zhǎng)度AE信號(hào)傳播特性數(shù)值仿真

2.1.1 仿真模型

依據(jù)彈性波反射透射理論，介質(zhì)1與介質(zhì)2分別選取在工業(yè)應(yīng)用較廣的鋁和Q235，仿真中假定材料為正交各向同性材料，仿真模型示意圖如圖2所示。

圖2中鋁塊形狀固定不變，即長(zhǎng)L和寬h為定值，分別為10mm和100mm，Q235的厚度為確定值，為10mm， 利用數(shù)值仿真Q235塊的厚度d依次為20mm、40mm、60mm、80mm、100mm情況下信號(hào)波的傳播特性。該數(shù)值仿真模型中AE信號(hào)源為正弦波，持續(xù)時(shí)間為2us，幅值為1，頻率f=0.5MHz的正弦波。模擬信號(hào)源波形如圖3所示。

2.1.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

此數(shù)值仿真模型中，當(dāng)仿真進(jìn)行到80us時(shí)，AE信號(hào)波已完全衰減為0，因此數(shù)值仿真中，仿真的總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為80us。對(duì)于各長(zhǎng)度條件下虛擬傳感器所采集到的信號(hào)，選用AE信號(hào)波的幅值和能量作為特征參數(shù)[13，14]，以信號(hào)源的幅值和能量為基礎(chǔ)，利用幅值和能量的相對(duì)衰減描述界面不同接觸長(zhǎng)度AE信號(hào)的傳播特性，得到AE信號(hào)波幅值、能量的相對(duì)衰減率曲線，如圖4所示。

由圖4易知：

①界面結(jié)構(gòu)條件下，Q235厚度保持不變，隨著其長(zhǎng)度的增加，AE信號(hào)波幅值衰減變化不大，均穩(wěn)定在15.16dB左右。

②Q235厚度不變，從鋁中透射過(guò)來(lái)的AE信號(hào)波，隨著Q235長(zhǎng)度增加，能量相對(duì)衰減量衰減逐步增大，分別為36.29dB、35.11dB、34.61dB、31.28dB、29.63dB。

2.2 界面結(jié)構(gòu)不同接觸厚度AE信號(hào)傳播特性數(shù)值仿真

2.2.1 仿真模型

界面結(jié)構(gòu)不同接觸厚AE信號(hào)傳播特性仿真所用介質(zhì)1與介質(zhì)2的材料與不同接觸長(zhǎng)度數(shù)值仿真中相同，仿真模型示意圖如圖5所示。

數(shù)值仿真時(shí)，介質(zhì)1鋁塊的形狀保持不變，即長(zhǎng)L和寬h都為10mm，介質(zhì)2Q235的長(zhǎng)與介質(zhì)1相同，介質(zhì)2Q235的厚度依次為4mm、8mm、12mm、16mm、20mm，AE信號(hào)源選取與界面不同接觸長(zhǎng)度數(shù)值仿真中保持一致。

2.2.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

此數(shù)值仿真中，當(dāng)仿真時(shí)間達(dá)到30us時(shí)，傳感器所能采集到的AE信號(hào)波已經(jīng)完全衰減為0，因此設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為30us，對(duì)于各長(zhǎng)度條件下虛擬傳感器所采集到的信號(hào)，特征參數(shù)選取以及數(shù)據(jù)處理方式與不同接觸長(zhǎng)度仿真中相同，易得介質(zhì)2厚度分別為d=4mm、8mm、12mm、16mm、20mm條件下AE信號(hào)幅值與能量相對(duì)衰減率曲線，如圖6所示。

由圖6可知：

界面結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)2Q235長(zhǎng)度保持不變，隨著介質(zhì)2厚度不斷增加，幅值的相對(duì)衰減量分別為16.85dB、17.47dB、18.02dB、18.55dB及19.04dB;能量的相對(duì)衰減量分別為33.37dB、34.94dB、35.21dB、35.84dB及37.35dB。

3? 結(jié)論

本研究基于彈性波的反射透射規(guī)律，對(duì)AE故障信號(hào)在復(fù)雜零件界面結(jié)構(gòu)中（不同接觸長(zhǎng)度與不同接觸厚度）的傳播特性進(jìn)行數(shù)值仿真并選取信號(hào)的幅值與能量作為特征參數(shù)來(lái)表述其變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：

①在界面結(jié)構(gòu)中，其他條件保持不變，界面接觸長(zhǎng)度對(duì)AE信號(hào)的幅值影響較小，而能量隨著長(zhǎng)度的減小逐漸增大，因此在運(yùn)用AE技術(shù)對(duì)機(jī)床刀具故障檢測(cè)時(shí)，如果選取幅值作為特征參數(shù)，只要保證傳感器布置位置接觸厚度相同或者相似，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響不大，如果選取能量作為特征參數(shù)，以上結(jié)論則不成立。

②界面接觸厚度增加，其他條件保持不變，AE信號(hào)的幅值和能量的衰減都會(huì)逐步增大且能量的衰減整體大于幅值，因此在運(yùn)用AE技術(shù)對(duì)機(jī)床刀具故障檢測(cè)時(shí)，對(duì)厚度不均勻處應(yīng)選取合適位置，并且需要綜合考慮幅值與能量的變化規(guī)律對(duì)故障進(jìn)行判定，以提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

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