基于宽频激励的管型结构导波检测.pdf

第 5 0卷第 1 8期 2 0 1 4 年9 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vl01 5 0 S e p N0 18 2 0 1 4 Do I 1 0 3 9 01 J M E 2 01 4 1 8 02 3 基于宽频激励的管型结构导波检测术 邓 菲 陈洪磊 2 张僖 2 1 宁波工程学院电子与信息工程学院宁波3 1 5 2 1 1 2 上海应用技术学 院电气与电子工程学院 上海2 0 0 2 3 5 摘要 在对管型结构的导波检测过程中 需要预先选定导波模态 并确定激励频率 这个选择的过程存在一定的盲目性 而 在多次反复试验中确定最佳激励模态和频率也会带来精力 时间 硬件资源的耗费问题 介绍一种信号处理方法 在宽频信 号作为激励产生响应的基础上 采用该算法可获得其频带范围内任意单频激励信号对应的响应 有效解决了预先选定模态及 频率的问题 同时 引入时频分析技术 根据缺陷反射回波能量的分布情况快速确定具有低模态转换响应的导波频率区间 通过对比各频率计算结果的模态和缺陷反射信号幅值 发现缺陷管中理想的激励导波频率在 1 4 0 1 8 0 k H z 且缺陷反射回 波幅值随激励信号周期增加而增加 但这种特点在低频表现得不明显 这为根据管中缺陷大小及类型 选择不同激励频率和 周期提供了理论依据 关键词 导波 宽频激励 管 时频分析 缺陷检测 中图分类号 T G1 5 6 Pipe S t r u c t ur e De t e c t io n Ba s e d o n Br o a db a n d Gu id e d W a v e Ex c it a t io n DENG Fe i CHEN Ho n g l e i ZHANG Xi 1 S c h o o l o f E l e c t r o n a n d I n f o r ma t io n E n g i n e e r in g Nin g b o U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ni n g b o 3 1 5 2 1 1 2 S c h o o l o f E l e c t r ic a l a n d E l e c t r o n ic E n g i n e e r in g S h a n g h a i I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y S h a n g h a i 2 0 0 2 3 5 Ab s t r a c t P r e s e l e c t in g mo d e a n d fre q u e n c y o f e x c it a t io n s ig n a l is v e r y imp o r t a n t in g u id e d wa v e in s p e c t io n f o r p ip e s t r u c t u r e s T h e me tho d b y r e p e a t in g t r i a l s t o d e t e r mi n e t h e o p t i mu m mo d e a n d f r e q u e n c y wi l l e n h a n c e t h e c o n s u mp t io n o f e n e r g y t i me an d h a r d wa r e r e s o u r c e s I t s h o ws a s ig n a l p r o c e s s in g me t h o d t o a n a l y s is th e p r o p a g a t io n p r o p e r t y o f v a ri o u s gu id e d wa v e s in p ip e s An y r e s p o n s e o f s i n g l e fre q u e n c y c o mp o n e n t c o n t a i n e d in the b r o a d b a n d o f the c h i r p s ig n a l c o u l d b e o b t a i n e d b y t h is me t h o d S imu l t an e o u s l y t h e t i me fre q ue n c y an a l y s i s me tho d i s u s e d t o s e l e c t t h e d e s i r e d t o n e b u r s t e x c it a t i o n t h r o u g h c o mp a ri n g the e n e r g y d is t r ib u t io n o f d e c t r e fle c t io n s ig n a l s V e ri fi e d b y t h e fi n it e e l e me n t s imu l a t io n it is e ffe c t iv e s o l u t io n t o fi n d t h e gu id e d wa v e t h a t wi t h l o we r mo d e c o n v e r s i o n i n p r o p a g a t io n i n p i p e s t r u c t u r e s Af t e r c o mp a r i n g the mo d e p u r i t y and the r e fl e c t i o n a mp l i tud e the r e s u l t s s h o w t h a t the fre q u e n c y b a n d b e t we e n 1 4 0 k Hz a n d 1 8 0 k Hz is mo r e s u i t a b l e for u s i n g a s e x c i t a t io n I n c o n t r a s t t o l o w fre q u e n c y b a n d t h e r e fl e c t io n a mp l i tud e o f s ig n a l s o b t a i n e d i n t h is b an d i n c r e a s e s a l o n g with t h e i n c r e a s e o f e x c i t a t io n c y c l e s Th is p r o v id s a t h e o r e t ic a l b a s is fo r th e d e f e c t s in a c c o r d a n c e wit h t h e s iz e an d t y p e s c h o o s e s a s u it a b l e e x c it a t io n f r e q u e n c y a n d p e ri o d in n o n d e s t r u c t iv e t e s t in g Ke y wo r d s gu id e d wa v e s b r o a d b a n d e x c i t a t i o n p i p e t i me fre q u e n c y a n a l y s is d e c t d e t e c t i o n 0 前言 导波具有沿传播路径衰减小 传播距离远 对 缺 陷敏感的特点 被广泛应用于板 管 杆等结构 中的裂纹 圆孔等缺陷的无损检测 由于不同模 态导波在管型结构中的传播特性差异 对各类缺陷 国家 自然科学基金 1 1 2 0 2 1 3 7 上海市教委科技创新基金 1 3 Y Z l 1 9 和宁波工程学院科研启动金 0 0 8 0 0 l 1 5 4 0 l 6 1 资助项 目 2 0 1 3 1 1 2 6收 到初稿 2 0 1 4 0 3 0 1收到修改稿 的灵敏度也不同 所以在实际的应用中选择激励合 适的导波模态进行管道缺陷检测是必要的 比如 有研究表明 2 3 2 in钢杆中激发的低频导波只存在 L 0 1 F 1 1 两种模态 在 5 0 k Hz激励导波可很好 地实现缺陷反射回波的识别 J 李光海等 J 贝 0 通过 数值模拟方法 比较 了 T O 1 模态和 L 0 2 模态导波 的频散 缺陷反射和衰减特性 便于在不同检测条件 下选择更适合的导波模态 吴斌 等 对 3 0 k Hz L 0 2 模态导波在带孔钢管中传播特性进行试验分 析 发现一次端面回波幅值和管 中孔数无关 群速 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 8 机械工程学报 第 5 0卷第 1 8期 缺陷检测数值分析 J 北京工业 大学学报 2 0 1 1 3 7 8 1 1 5 6 1 1 5 7 DE NG F e i U Bin HE Cu n f u Ti me r e v e r s a l g u i d e d wa v e o f p ip e l in e n o n p e n e t r a t in g d e f e c t d e t e c t io n b a s e d o n n u me r ic a l a n a l y s i s J J o u r n a l o f B e i j in g U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y 2 0 1 l 3 7 8 1 1 5 6 1 1 5 7 1 0 邓菲 吴斌 何存富 基于时间反转的管道导波缺陷参 数辨识方法 J 机械工程学报 2 0 1 0 4 6 8 1 8 2 4 DE NG Fe i W U Bin HE Cu n f u Gu id e d wa v e d e f e c t id e n t i fic a t i o n me t h o d b a s e d o n t i me r e v e r s a l J J o u ma l o f Me c h a n ic a l E n g in e e r i n g 2 0 1 0 4 6 8 1 8 2 4 作者简介 邓菲 女 1 9 7 7 年 出生 博士 副教授 主要研究方向为现 代测控技术及方法 E ma i l d e n g f e i e ma i l s b j u t e d u c n 陈洪磊 通信作者 男 1 9 8 7年 出生 主要研究方向为超声无损检测 技术 E ma i l h i c h e n 8 7 f o x ma i l t o m 张僖 男 1 9 7 8 年 出生 讲师 主要研究方 向为嵌入式系统 E ma i l 1 3 5 6 4 5 0 7 0 2 3 1 3 9 G o m 国家 自然科学基金委员会机械工程学科 2 0 1 2 2 0 1 3年度优秀结题项 目简介 低速重载行星齿轮箱故障诊断的理论与技术 项目负责人 雷亚国 E ma il y a g u o l e i ma il x j t u e d u c n 依托单位 西安交通大学 项 目批准号 5 1 0 0 5 1 7 2 1 项 目简介 针对低速重载行星齿轮箱中振动信号传输路径复杂导致故障特征微弱 载荷大范围瞬时波动引起振动强烈的非平稳性 多对啮合齿轮响应相互耦合造成振动明显的非线性 低频成分噪声污染严重等问题 研究基于敏感测点的多传感器信息融合 技术 研究振动响应和载荷波动反演机制 提出自适应总体经验模式分解 E E MD 算法 实现故障信号和载荷调制信号的模 式分解 基于分解的故障模式 提出随机共振增强技术以获取故障信号的微弱特征 本项 目瞄准国际研究前沿 理论 方法 研究与工程应用并重 研究成果为低速重载行星齿轮箱故障诊断提供基础理论和技术支持 2 主要创新点及其主要研究进展 通过三年的研究 取得 了以下成果 搭建了行星齿轮箱试验台并设计和完成了多工况试验 提出了基于互信息的行星齿 轮箱故障特征提取技术 对不同相关度的数据进行融合以提取行星齿轮箱故障特征 提出了针对行星齿轮箱诊断的特色参数 A ACO和 E R DS 对其 5种健康状态进行 了准确分类 提出了自适应总体