基于正弦曲面超声缓冲杆的回波降噪方法

武美先,张东利,王召巴,陈振茂

(1.北方民族大学 化学与化学工程学院,银川750021;2.北方民族大学 机电工程学院,银川750021;3.中北大学 信息与通信工程学院,太原030051;4.西安交通大学 强度与振动教育部重点实验室,西安710049)

高分子聚合物是航空航天、交通运输、国防军工等领域不可缺少的先进材料,其在加工过程中的混合状态对产品性能的影响非常大[1],需要有效手段进行实时监测。超声波穿透能力强、检测信息反馈实时准确,是聚合物共混实时监测技术研究的热点[2]。聚合物在加工时,工作温度非常高,常规超声探头必须借助缓冲杆来间接获取混合物的特征信号来实现状态监测[3]。超声波在缓冲杆中传播时,会在杆的侧面边界处发生波型转换,在两次底波之间产生大量尾随脉冲噪声[4],严重影响了反射信号的特征提取和识别。因为波型转换由杆的边界条件引起,故通过改变缓冲杆轮廓形状,即可达到改善边界条件、抑制尾随信号的目的[5]。

现有的缓冲杆结构研究通常为对简单的圆柱及圆锥形状[6－7]研究,对复杂结构缓冲杆的降噪能力研究尚未涉及。笔者采用超声数值仿真方法,分析了利用基于正弦曲面的缓冲杆抑制尾随脉冲的方法,该方法可为聚合物混合状态超声检测传感器的优化设计提供理论指导。

1 缓冲杆的超声数值仿真

超声波的数值仿真方法有波线法、有限差分法、有限元法等。笔者使用了Wave2500软件包来研究复杂杆件中超声的传播情况和尾随脉冲的降噪方法。Wave2500具有计算速度快、可仿真复杂模型边界处的波型转换、分析反射式超声波传播情况等优点[8]。

所用杆件材料为铝,杆件基本形状为圆柱,杆件基本尺寸为:直径20 mm,长度100 mm。杆中纵波和横波的声速分别为6 419.88,3 039.86 m·s－1,相应的声阻抗分别为17.333 7×106,8.207 62×106kg·m－2·s－1。探头采用高斯正弦信号激励,频率2.5 MHz,激励源直径10 mm,作用于杆端部中心,使用脉冲反射法获取回波信号。仿真时单元最大边长为0.1 mm,计算步长0.013μs,时间步长0.01μs。

为评估缓冲杆的降噪效果,取杆端面一次和二次回波信号之间最大峰值的尾随信号,分别定义一次底波和二次底波的信噪比为:

式中:A1为一次底波峰值;A2为一次底波尾随脉冲信号的最大峰值;A3为二次底波峰值。

2 缓冲杆形状结构变化对回波信噪比的影响

图1和表1为缓冲杆外轮廓的形状尺寸参数。图2是所获得的杆2的回波信号,图中标出的三个峰值点分别为一次底波峰值A1、一次底波尾随脉冲信号的最大峰值A2,以及二次底波峰值A3,A1和A3的位置可由超声波传播速度和其传播的距离算得,A2取A1和A3之间尾随噪声中的最大尾随噪声的峰值。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为三种缓冲杆的信噪比计算结果。由表中结果可见,当杆具有前小后大或两端小中间大的结构时,所得到的信号具有较高的信噪比;缓冲杆轮廓线的倾斜角度和起伏程度均对信噪比有较大影响,因此同时考虑这两个因素,可获得较大信噪比。

表1 三种典型缓冲杆的几何尺寸及结构特点

表2 杆件结构特点及其信噪比计算结果

图2 杆2的超声回波信号

3 正弦曲面缓冲杆的降噪效果分析

正弦曲面缓冲杆模型如图3所示,模型长l＝100 mm、小端直径D1＝20 mm、大端直径D2＝23.492 2 mm,外轮廓面起伏幅度为Δh。

图3 正弦曲面缓冲杆模型

3.1 正弦轮廓面幅度变化对信噪比的影响

令杆正弦曲面的起伏幅度Δh为1～5 mm,计算每种情况下的回波信号和信噪比。仿真时,探头位于杆件小端中心处。图4为轮廓面不同幅度情况下采用脉冲回波法所得到的回波信号幅度和信噪比变化。可见,随着正弦轮廓面幅度增大,信噪比呈先增大后减小的趋势,当正弦曲面的幅度Δh为1～3 mm 时,信噪比较大;当Δh为1 mm 时,回波信号幅度达到最大。提高Δh值可提高SNR1和SNR2,这是轮廓面幅度增大的同时,增大了杆件边界倾角的结果。

图4 正弦外轮廓面幅度变化时的回波信号及信噪比

3.2 正弦轮廓面周期数变化对信噪比大小的影响

为了分析杆轮廓面周期数变化的影响,在杆件总长不变的情况下,取杆件的正弦轮廓面的周期数P为0.5～40,计算每种周期数情况下的回波信号和信噪比。图5为杆轮廓周期变化时的回波信号计算结果。可见,对于所有周期数,尾随信号幅度均很小;周期数为3,9,10,30 时的SNR1值较大,周期数P＝10时的SNR1值最大(47.128 d B),P为3,30时的综合性能较好(SNR1和SNR2分别在46,41 dB左右),杆外轮廓形状采用2周期以上的正弦函数可获得较大信噪比。

图5 正弦外轮廓面周期变化时的回波信号及信噪比大小曲线

4 结论

采用数值仿真方法研究了正弦曲面缓冲杆对尾随噪声的降噪能力,分析了杆外轮廓线形状变化、幅度大小以及轮廓周期数变化对检测信号信噪比的影响,发现杆外轮廓形状对回波降噪具有重要作用,正弦曲面缓冲杆较简单形状的缓冲杆具有更高的信噪比。

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