Page 89 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 焦敬品等： 一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法 257

偏差；C 表示趋势一致点数，D 表示趋势不一致点 3.1 宽频激励下，超声信号相似度分析
数，C={x i >x j ,y i >y j 或x i <x j ,y i <y j }。 图2给出了宽频激励下承压界面超声检测信号
的典型波形及频谱。以2.5 MPa下界面反射信号作
2 承压结构界面特性超声检测系统 为参考信号，进行时域和频域相似度分析。时域相

似度分析的时长为 15∼25 µs，频域相似度分析的带
图 1 给出承压结构界面特性超声检测系统，主
宽为0∼10 MHz。
要包括压力试验机、函数发生器、电压放大器、双工
1.0
器、超声换能器、示波器、待检测试件、夹具及计算机
等。函数发生器用于宽频Chirp信号产生，该信号经
0.5
功率放大器放大后，通过双工器施加到超声换能器
ႍ᭧Ԧ࠱ڀฉ
上。超声换能器用于承压结构件中超声波的激励与
接收。超声换能器接收的超声回波通过双工器，传 ႃԍ/V 0
递到示波器中，由示波器进行显示和存储。试件上
外加压力由压力试验机提供，压力值可以通过计算 -0.5
机控制。实验中压力加载范围为 0.5∼2.5 MPa，间
隔为 0.25 MPa。此外，实验中所用宽频 Chirp 信号 -1.0 0 10 20 30 40
的频率范围 0∼10 MHz，激励时间 10 µs，电压 1 V。 ௑ᫎ/µs
超声换能器的中心频率为2 MHz。 (a) ௑۫ฉॎ

2.5
Ѧ஝ԧၷ٨ ᝠካ఻
2.0
ႃԍஊܸ٨ ԍҧតᰎ఻
ࣨϙ/10 -3
ԥࢺ٨ ݃Ц 1.5
ᡔܦ૱ᑟ٨
ᇨฉ٨ 1.0
ܳࡏፇ౞͈
0.5
图 1 承压结构超声检测系统
0
Fig. 1 Ultrasonic detection system for structure 0 2 4 6 8 10
ᮠဋ/MHz
under pressure
(b) ᮠ៨
待检测试件为铝/有机硅薄膜/石墨组成的三
图 2 承压界面典型超声检测信号波形及频谱
层结构，结构外径为 145 mm，各层厚度分别为
Fig. 2 Typical waveform and spectrum of signal
50 mm/0.1 mm/30 mm。其中，有机硅薄膜具有一
图 3 给出了单次加载条件下，检测信号的 5 种
定粘接力，保证承压时各层接触均匀紧密。在检测
时域相似度分析结果。可以看出，5种相似度指标随
实验前，对多层结构件进行多测加载 -卸载操作，以
压力变化规律相似，均随压力增加呈递增趋势，但其
减少有机硅薄膜膜厚、接触面积等变化对检测结果
对压力变化的敏感程度差别较大，其中时域欧式距
的影响。
离对压力变化最灵敏，其变化范围为 0.56∼1。造成

3 实验结果及分析 这种趋势性变化的原因是：随着外载压力增加，承压
界面接触状态 (即界面接触刚度) 发生变化，从而影
对不同压力下承压结构接触界面，进行超声检 响超声波在界面处反射信号强度的改变，使得检测
测实验。利用不同类型的相似度函数对超声检测信 信号与基准信号的相似程度改变。
号进行时域和频域相似度分析，研究不同条件下相 对承压界面多次加载 -卸载过程进行超声检测
似度指标对界面状态表征的能力。 实验，研究时域相似度分析对界面压力表征的适应