杆中超声波传播特性及降噪方法研究

摘要

挤出机是聚合物加工领域的重要设备之一。聚合物在挤出机中不同部位的混合状态与最终产品的质量密切相关，但目前用于聚合物混合状态检测的方法均是离线的，无法实现信息的时实反馈。 超声技术可用于聚合物混合状态的在线检测，但由于聚合物共混过程中，熔融态聚合物的温度很高，而超声探头只能在常温下工作，因此需在超声探头与高温聚合物之间耦合一个温度缓冲杆。超声波在缓冲杆中传播时会产生尾随脉冲，严重影响特征信号的提取。为此，本文研究超声波在杆中的传播特性、尾随脉冲的产生原因及抑制方法，为聚合物混合状态超声检测传感器的研制提供优化设计方案。 本文的主要研究内容和取得的成果有： 首先，基于Pochhammer-Chree理论，采用频域输入-输出法，通过将超声波传播过程抽象为系统信号的传递过程，建立了超声波在等直径圆柱杆中传播的解析模型，实现了采样信号的解析法仿真，仿真结果与实际采样信号相吻合；通过对等直径圆柱杆中独立传播模态的计算可知，时域信号的能量分布主要集中在六个模态中，采用模态叠加法可以得出：尾随脉冲的产生是所有独立传播模态共同作用的结果。 其次，针对超声波在温度缓冲杆中的传播过程进行了有限单元法建模，通过将所有时间步长内全部单元结点的位移成像为灰度图像，实现了超声波传播过程的可视化；通过对等直径、单锥形、双锥形结构的温度缓冲杆的信噪比进行计算和分析，并结合超声波瞬时波动图的观察可以得出：变直径温度缓冲杆具有良好的抑制尾随脉冲的效果，其中超声激励加载于单锥形结构的较小端时信噪比最高。 最后，结合实际加工的温度缓冲杆的超声回波分析说明，本文可为聚合物混合状态超声检测传感器的优化设计提供有效的方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1聚合物混合状态在线检测技术研究现状

1.2.2杆中声波传播特性研究现状

1.3主要研究内容及论文安排

第二章聚合物混合状态超声检测原理及方法

2.1聚合物挤出加工

2.1.1混炼塑化

2.1.2挤出成型

2.2挤出机的基本结构

2.3基本挤出过程

2.4聚合物混合状态的超声波表征

2.5整体方案设计

2.6温度缓冲杆中的尾随脉冲

第三章杆中超声波传播的解析模型法研究

3.1平面波声线理论模型

3.2 Pochhammer频散曲线

3.2.1 Pochhammer频散方程

3.2.2频散曲线的数值法求解

3.3解析模型的构建

3.2.1声波激励模块

3.2.2声波传输模块

3.2.3声波接收模块

3.2.4解析模型的离散化

3.4解析模型法结果分析

3.5本章小结

第四章杆中超声波传播的有限单元法研究

4.1有限元模型的网格划分

4.2单元位移函数的确定

4.3应力应变矩阵的求解

4.4系统结构矩阵的构建

4.4.1单元刚度矩阵

4.4.2单元质量矩阵

4.4.3单元结点载荷矩阵

4.5运动方程的建立

4.6运动方程的求解

4.7有限单元法结果分析

4.8本章小结

第五章 温度缓冲杆降噪方法研究

5.1变直径温度缓冲杆信噪比研究

5.1.1锥角对单锥形温度缓冲杆信噪比的影响

5.1.2长度对单锥形温度缓冲杆信噪比的影响

5.1.3直径对单锥形温度缓冲杆信噪比的影响

5.1.4有限单元法结果分析

5.2温度缓冲杆瞬时波动图分析

5.3温度缓冲杆实验对比分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢