丁羟衬层固化状态非线性超声监测方法研究

摘要

丁羟衬层作为固体火箭发动机燃烧室内粘接壳体（或绝热层）和推进剂的弹性材料，起保护发动机的重要作用。实时监测丁羟衬层的固化过程，判定衬层“半固化状态”，指导固体火箭发动机装药时间对于提高固体火箭发动机质量具有重要意义。本文研究丁羟衬层固化过程非线性超声波实时监测技术，提出了基于脉冲反射法的非线性超声监测方案，设计了适用于中温环境、可以激发高能量非线性谐波、获得高能量超声回波的超声波监测系统，研究了利用非线性超声特征参数表征丁羟衬层固化状态的方法和相关信号处理技术。
　　本文的主要研究内容包括：
　　（1）具体介绍了丁羟衬层的固化反应机理和固化工艺，通过研究非线性波动方程，分析了非线性系数的物理意义和相关参数，提出了采用非线性系数表征丁羟衬层不同固化状态的非线性超声监测方法，为非线性超声监测系统的设计提供了理论指导。
　　（2）针对固化温度对普通超声探头的影响，设计了基于缓冲杆结构的适用于丁羟衬层中温固化环境实时监测的超声波传感器。针对缓冲杆超声回波包含尾随波影响特征信号提取的问题，采用波导理论分析了超声波在杆中传播时的边界反射、波型转换等现象，推导了尾随信号的间隔与杆直径和声速的数学关系，并通过试验分析了杆规格、材料对特征回波信号、尾随波的影响，结果表明大直径的PEEK材料不仅尾随波幅值较小、间隔较大，而且特征回波信号幅值较大；利用有限差分法对PEEK缓冲杆内热传导过程进行仿真计算，得出了满足丁羟衬层80℃固化温度的PEEK缓冲杆长度。
　　（3）通过理论和试验分析了影响非线性谐波幅值的相关参数，得出了只有激励脉冲幅度、宽度增大到一定程度，才能在衬层中激励明显的非线性谐波信号，而且脉冲幅度越大，脉冲越宽，非线性谐波幅值越大；同时计算和试验研究了避免超声回波时域信号混叠的最佳激励脉冲宽度，解决了如何激发材料高能量非线性谐波信号问题，为获取高能量谐波幅值准确表征非线性系数奠定了基础。
　　（4）根据非线性超声回波信号包含噪声影响声学特征信号提取的特点，建立了包含谐波和白噪声的非线性超声回波信号模型，从信号信噪比和谐波幅值误差两个方面研究了不同母小波、阈值函数、阈值选取方式对小波阈值降噪效果的影响，并通过优化阈值选取方式和改进阈值函数，大大提高了信噪比、减小了谐波幅值误差，解决了在有效保留非线性谐波信号的情况下达到良好降噪效果的难题，探索了非线性超声回波信号降噪方法。
　　（5）针对常用窗函数非周期截断提取非线性超声回波中基波、谐波特征信号时频谱泄露严重和特征提取误差较大的问题，通过分析不同窗函数非周期截断对非线性超声回波频谱分析的影响，采用卷积汉宁窗函数方法进行非周期截断频谱分析，同时结合双峰谱线插值算法对基波和谐波幅值进行修正，达到了减小频谱泄露、准确提取基波和谐波幅值的目的。
　　（6）根据基于脉冲反射法的非线性声学原理，针对丁羟衬层非线性系数受缓冲杆非线性及界面反射、透射系数不断变化影响的问题，推导了缓冲杆和丁羟衬层的非线性基波、谐波幅值方程，提出了包含缓冲杆非线性的衬层非线性系数表征方法，去除了缓冲杆非线性特性的影响；并设计研制了丁羟衬层固化过程非线性超声实时监测系统，通过试验提取厚度、声速、基波幅值、谐波幅值等相关参数计算得到了衬层中的非线性系数随固化时间的变化规律，并通过与红外光谱监测的固化度对比分析，试验验证了非线性系数表征丁羟衬层固化状态的可行性和有效性。
　　论文所做工作，对超声波实时监测技术在中温环境下的应用、非线性超声监测技术和非线性超声回波信号处理方法在新领域的应用以及衬层固化过程实时监测和“半固化状态”判定都具有重要理论意义和实用价值。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文结构及安排

第二章 非线性声学基本原理及声学特征参数

2.1 丁羟衬层固化反应机理

2.2 线性声学基本方程

2.3 非线性声学基本方程

2.4本章小结

第三章 丁羟衬层固化状态非线性超声表征方法研究

3.1 非线性超声监测系统和关键问题

3.2 超声缓冲杆研究

3.3 高能量非线性谐波激励方法研究

3.4 基于缓冲杆结构的衬层非线性系数表征方法

3.5 本章小结

第四章 非线性超声回波降噪和特征提取方法研究

4.1 非线性超声小波阈值降噪优化方法研究

4.2 基波、谐波幅值特征参数提取方法研究

4.3 本章小结

第五章 丁羟衬层固化过程非线性超声实时监测

5.1 非线性超声监测系统

5.2 衬层非线性系数相关参数监测方法

5.3 衬层非线性系数相关参数随固化时间变化规律

5.4 丁羟衬层非线性系数表征固化状态

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文所做的工作

6.2 本论文的创新点

6.3 本论文待解决的问题

参考文献

攻读博士学位期间所取得的研究成果

致谢