基于弹性波反射透射理论刀具故障声发射信号传播特性研究

向建军

摘要：运用声发射（AE）技术诊断机床刀具故障时，故障AE信号在传播过程中除存在常见的吸收、扩散等，还存在由于机床结构界面不规整而导致在传播过程中发生的信号畸变，极大影响故障检测结果准确性，因此探索故障AE信号的传播特性对于提高故障诊断的准确率极为重要;本文提出一种基于弹性波反射透射理论的AE信号传播特性研究方法，运用数值仿真对故障AE信号传播中结构界面不同接触长度与不同接触厚度情况下AE信号的传播特性进行模拟，并选用幅值和能量作为特征量来衡量变化规律，研究结果表明：①界面接触长度变化对AE信号的幅值影响较小，但是AE信号能量随着长度的增加衰减逐渐增大，因此在故障检测时，如选择幅值作为特征参数，只需保证所布置传感器位置厚度相近即可;②AE信号的幅值和能量随着界面接触厚度的增加，衰减逐渐增大，且能量的衰减大于幅值，因此检查时若厚度不均匀时，为减少干扰，应尽量选择厚度相近处布置。

关键词：AE;弹性波;反射透射;传播特性;数值仿真

中图分类号：TH133.33                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0135-03

0  引言

AE作为一种新型动态无损检测技术，近年来在航空航天、先进机床刀具故障检测等关键设备故障检测领域得到了一定应用[1-3]，但由于机床等设备结构较复杂，存在结构界面厚度以及接触面形状等可变因素对故障信号波传播产生影响，使得AE信号波除了扩散、吸收等常规衰减外[4-9]，还存在因为AE信号波传播过程被检测对象结构不规则（不同接触长度与接触厚度等）等因素，使信号发生畸变，从而导致故障源信号与AE传感器采集到的信号间映射关系错综复杂，极大影响了检测结果的准确性与可靠性。本研究基于弹性波的反射透射理论对刀具故障AE信号在界面结构条件下传播特性进行数值仿真，重点探索不同接触长度与不同接触厚度对AE信号波传播特性的影响，旨在为机床刀具故障检测时的传感器布置、特征参数选取等提供一定的参考依据。

1  弹性波反射透射理论

现有研究表明[10-11]，AE故障源信号在介质中以弹性波的形式进行传播，因此弹性波的传播理论适用于AE信号波传播特性研究。图1中为界面结构下弹性波的传播模型，介质1、介质2为制造机械零部件常用金属，零件均置于空气中，假定界面耦合良好。

假定弹性信号波在介质1、介质2界面处的反射系数为R，透射系数为T，依据弹性波反射透射规律有：

上式（1）中R1为弹性波从介质1传播到介质2中的反射系数，T1为弹性波从介质1传播到介质2的透射系数;式（2）中R2为弹性波从介质2传播到介质1中的反射系数，T2为弹性波从介质2传播到介质1的透射系数;易得：R1=-R2，T1=1-R1，T2=1-R2。

入射波假定为垂直于接触界面传播的平面弹性纵波，因此重点考虑与界面处于垂直方向的情况，即波的传播方向为x方向，那么入射波的波动方程可表示为：

式（3）中，A1為入射弹性波的振幅，由于弹性波会在相互接触的两种介质中发生多次反射与透射，因此在接触面上任意处，即x=L处，弹性波的反射和透射表达式为：

在此模型中介质2相对较小，因此透射波和界面反射波会在介质2中出现相互叠加，综上，布置在介质2右侧的传感器所采集到的叠加波方程可以表示为：

在弹性波传播特性研究领域，常用幅值和能量作为特征参数来衡量波的传播特性[12-13]，此处假设模拟传感器所采集到AE信号波的幅值为A，则易知，模拟传感器采集到信号波的能量E可表示为：

其中，A（c）是虚拟传感器所采集到AE信号波第c个数据点的幅值，N为传感器所采集到弹性波的总个数，N与传感器的灵敏度与波的衰减速率有关。

2  AE信号波传播特性数值仿真

2.1 界面不同接触长度AE信号传播特性数值仿真

2.1.1 仿真模型

依据弹性波反射透射理论，介质1与介质2分别选取在工业应用较广的铝和Q235，仿真中假定材料为正交各向同性材料，仿真模型示意图如图2所示。

图2中铝块形状固定不变，即长L和宽h为定值，分别为10mm和100mm，Q235的厚度为确定值，为10mm， 利用数值仿真Q235块的厚度d依次为20mm、40mm、60mm、80mm、100mm情况下信号波的传播特性。该数值仿真模型中AE信号源为正弦波，持续时间为2us，幅值为1，频率f=0.5MHz的正弦波。模拟信号源波形如图3所示。

2.1.2 数值仿真结果分析

此数值仿真模型中，当仿真进行到80us时，AE信号波已完全衰减为0，因此数值仿真中，仿真的总时长设置为80us。对于各长度条件下虚拟传感器所采集到的信号，选用AE信号波的幅值和能量作为特征参数[13，14]，以信号源的幅值和能量为基础，利用幅值和能量的相对衰减描述界面不同接触长度AE信号的传播特性，得到AE信号波幅值、能量的相对衰减率曲线，如图4所示。

由图4易知：

①界面结构条件下，Q235厚度保持不变，随着其长度的增加，AE信号波幅值衰减变化不大，均稳定在15.16dB左右。

②Q235厚度不变，从铝中透射过来的AE信号波，随着Q235长度增加，能量相对衰减量衰减逐步增大，分别为36.29dB、35.11dB、34.61dB、31.28dB、29.63dB。

2.2 界面结构不同接触厚度AE信号传播特性数值仿真

2.2.1 仿真模型

界面结构不同接触厚AE信号传播特性仿真所用介质1与介质2的材料与不同接触长度数值仿真中相同，仿真模型示意图如图5所示。

数值仿真时，介质1铝块的形状保持不变，即长L和宽h都为10mm，介质2Q235的长与介质1相同，介质2Q235的厚度依次为4mm、8mm、12mm、16mm、20mm，AE信号源选取与界面不同接触长度数值仿真中保持一致。

2.2.2 数值仿真结果分析

此数值仿真中，当仿真时间达到30us时，传感器所能采集到的AE信号波已经完全衰减为0，因此设置数据采集时间为30us，对于各长度条件下虚拟传感器所采集到的信号，特征参数选取以及数据处理方式与不同接触长度仿真中相同，易得介质2厚度分别为d=4mm、8mm、12mm、16mm、20mm条件下AE信号幅值与能量相對衰减率曲线，如图6所示。

由图6可知：

界面结构中，介质2Q235长度保持不变，随着介质2厚度不断增加，幅值的相对衰减量分别为16.85dB、17.47dB、18.02dB、18.55dB及19.04dB;能量的相对衰减量分别为33.37dB、34.94dB、35.21dB、35.84dB及37.35dB。

3  结论

本研究基于弹性波的反射透射规律，对AE故障信号在复杂零件界面结构中（不同接触长度与不同接触厚度）的传播特性进行数值仿真并选取信号的幅值与能量作为特征参数来表述其变化规律，研究结果表明：

①在界面结构中，其他条件保持不变，界面接触长度对AE信号的幅值影响较小，而能量随着长度的减小逐渐增大，因此在运用AE技术对机床刀具故障检测时，如果选取幅值作为特征参数，只要保证传感器布置位置接触厚度相同或者相似，对检测结果影响不大，如果选取能量作为特征参数，以上结论则不成立。

②界面接触厚度增加，其他条件保持不变，AE信号的幅值和能量的衰减都会逐步增大且能量的衰减整体大于幅值，因此在运用AE技术对机床刀具故障检测时，对厚度不均匀处应选取合适位置，并且需要综合考虑幅值与能量的变化规律对故障进行判定，以提高故障检测的准确率。

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