CN109212026B - 一种基于表面波的固体声检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面波的固体声检测装置，尤其用于检测机器故障触发的高频段固体声表面波信号，包括外壳以及设于外壳内的声信号转换组件，声信号转换组件通过支撑件安装于外壳内，声信号转换组件通过声波导入件与设于外壳端面上的底座连接，固体声在传递时，通过底座传递到声信号转换组件，并在声信号转换组件内转换成表面波，以表面波的形式在声信号转换组件内传播，最终被声波转换处理装置接收，本发明能够准确的获取机器设备的故障信号，而且能够捕捉微弱的故障信号，提高了检测的精度。

Description

一种基于表面波的固体声检测装置
技术领域
本发明涉及机器故障信号检测技术，特别涉及一种基于表面波的固体声检测装置。
背景技术
机器运行过程中，核心关键部件的早期故障(如点蚀、胶合、磨损等)，以及载荷冲击都将产生故障信号，它以固体声信号和空气辐射声信号的形式传播。由于机器设备的安装空间或结构上的限制，进行故障监测的传感器有时只能安装在距离核心关键部件较远的位置，导致故障信号在传递时产生损耗、微弱信号发生丢失，传感器难以获取。而且故障信号在远距离传递时容易混杂其他声波，导致故障信号受到周围环境的干扰大，在设备故障诊断或故障类型鉴别时，效果会大打折扣，很难达到预期效果。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于表面波的固体声检测装置，该检测装置能够准确的获取机器设备的故障信号，而且能够捕捉微弱的故障信号，提高了检测的精确度。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于表面波的固体声检测装置，包括外壳以及设于外壳内的声信号转换组件，声信号转换组件通过支撑件安装于外壳内；
所述声信号转换组件包括传递介质，所述传递介质的一端为入射端，另一端连接有声波转换处理装置，传递介质的入射端通过声波导入件与设于外壳端面上的底座连接，所述底座固定安装在被测元件的表面；
所述传递介质的表面上还设有折射介质，折射介质贴于传递介质上；
所述声波导入件在将声波导入传递介质后，声波在传递介质与折射介质交界面上的入射角大于第二临界角αII；
所述第二临界角αII为，入射波为纵波，且折射后的横波折射角大于纵波入射角时，能够使横波折射角达到90°的纵波入射角为第二临界角，用符号αII表示；
所述传递介质与折射介质均为固体介质，并且折射介质的密度大于传递介质的密度。
优选的，所述传递介质为压电基板。
优选的，所述折射介质为金属板。
优选的，所述金属板为钢板。
优选的，所述声波转换处理装置为叉指换能器。
优选的，所述支撑件包括第一支撑件以及第二支撑件，所述第一支撑件包裹所述声信号转换组件，第二支撑件填充于外壳内，并且第一支撑件包裹在第二支撑件的内部。
优选的，所述第一支撑件由阻尼材料制成。
优选的，所述第二支撑件由吸声材料制成。
优选的，所述传递介质包括弯曲段以及平直段，所述平直段与声波转换处理装置连接，弯曲段与声波导入件连接。
优选的，所述折射介质也包括弯曲段以及平直段，折射介质的弯曲段与传递介质的弯曲段贴合，折射介质的平直段与传递介质的平直段贴合，并且所述折射介质的弯曲段的外端部与所述声波导入件之间具有间距。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明在检测故障信号时，将故障信号的固体声的纵波以及横波耦合到声波导入件，再通过声波导入件将声波的纵波与横波导入传递介质中，并进一步传递到传递介质与折射介质的交界面处，由于声波的入射角大于第二临界角αII，因而在折射介质中既形成不了折射纵波，也形成不了折射横波，只在传递介质的表面形成表面波，表面波沿着传递介质的表面传递到声波转换处理装置中，通过声波转换处理装置测量表面波信号，从而实现测量故障信号的固体声的目的。由于表面波的能量集中在传递介质的表面，从而减小了固体声信号的衰减，相较于体波，更容易获得高声强信号，以及更容易侦测微弱信号，从而提高了对于故障信号检测的精确度，提升了固体声检测装置的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的叉指换能器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明基于表面波的固体声检测装置，包括外壳1以及设于外壳1内的声信号转换组件2，声信号转换组件2通过支撑件3安装于外壳1内。
声信号转换组件2包括传递介质201，传递介质201的一端为入射端，另一端连接有声波转换处理装置202，传递介质201的入射端通过声波导入件4与设于外壳1端面上的底座5连接，底座5固定安装在被测元件的表面。同时，为了提高故障信号强度，在被测元件表面与底座5之间还填充有耦合剂，并将底座5直接通过螺钉固定在被测元件上，防止本发明与被测元件之间的空气间隙反射而削弱固体声信号强度。
传递介质201的表面上还设有折射介质203，折射介质203贴于传递介质201上。
本发明的传递介质201包括弯曲段以及平直段，平直段与声波转换处理装置202连接，弯曲段与声波导入件4连接。
折射介质203也包括弯曲段以及平直段，折射介质203的弯曲段与传递介质201的弯曲段贴合，折射介质203的平直段与传递介质201的平直段贴合，并且折射介质203的弯曲段的外端部与声波导入件4之间具有间距。
本发明中，传递介质201余折射介质203均为固体介质。传递介质201采用压电基板，折射介质203为金属板。
金属板为钢板。本实施例中，由于金属板的密度大于压电基板的密度，因而声波在金属板中的传播速度大于在压电基板中的传播速度，以便于满足实现纵波转换成表面波的条件。
本发明的声波转换处理装置202采用叉指换能器，如图2所示，叉指换能器包括一对交叉设置的换能器6，两个换能器6镶嵌于压电基板的表面上，两个换能器6上还分别连接有电缆线或天线7，用于信号传输。
叉指换能器工作的中心频率
Figure BDA0001809390950000031
V为材料的表面波声速；a为叉指换能器的指宽或间隔；f0为叉指换能器的工作频率。可见叉指换能器的最高工作频率只受工艺上所能获得的最小电极宽度限制，因此叉指换能器能接收较高的工作频率是其一大优点。
对于均匀(等指宽、等间隔)叉指换能器，带宽可以由下式决定：
△f＝f0/N
f0为中心频率；N为叉指对数。中心频率一定时，带宽只决定于指对数，指对数越少，换能器带宽越宽。叉指换能器的带宽有很大的灵活性，相对带宽可窄至0.1％，宽则可达到一个倍频程(即100％)。
本发明是通过叉指换能器拾取表面波的方法实现固体声测量。叉指换能器既可激励声表面波，也可以接收声表面波。通过设置不同结构参数的叉指换能器，使其在拾取表面波信号时可具有频率选择性。因此在表面波拾取点布置多组不同频率覆盖范围的叉指换能器，以拾取不同频率范围的声信号，最后通过混频器合成，达到提取所需频率范围的固体声信号的目的，使测量频率范围覆盖25-500MHz的任意频段。叉指换能器的工作频率范围在25-500MHz之间，换能效率高，而且检测声波类型多。
本发明的支撑件3包括第一支撑件301以及第二支撑件302，第一支撑件301以及第二支撑件302均采用填充材料。第一支撑件301包裹声信号转换组件2，第二支撑件302填充于外壳1内，并且第一支撑件301包裹在第二支撑件302的内部。
本发明的第一支撑件301由阻尼材料制成，例如橡胶材料，第一支撑件301一方面用于将声信号转换组件2以及声波导入件4包裹支撑，阻隔声波信号直接传递到折射介质203上，另一方面能够使压电基板起振后，能够尽快的停止振动，减少压电基板的余震，提高信号的分辨率。而且第一支撑件301还可以吸收压电基板振动时，向周围环境辐射的声波，减少信号杂波。
本发明的第二支撑件302由吸声材料制成，例如玻璃棉，第二支撑件302一方面用于包裹支撑第一支撑件301，另一方面能够外界的多余的噪声吸收掉，同时吸收声波信号在本发明的内部反射能量，避免对本发明产生影响。另外，在压电基板的平直段的外端部处也填充吸声材料，可以吸收经过叉指换能器之后的表面波，防止表面波信号到达压电基片最右端之后的反射表面波信号，对源信号产生干扰，影响测量精度。
本发明在选择确定压电基板与金属板的弯曲段的弯曲度之前，为使固体声信号较高效率的转换为表面波，需要确定两个临界角，分别为第一临界角αI以及第二临界角αII。
第一临界角αI为，入射波为纵波，且折射后的纵波折射角大于纵波入射角时，能够使纵波折射角达到90°的纵波入射角为第一临界角，用符号αI表示。当纵波入射角大于第一临界角，在第一临界角和第二临界角之间时，折射介质中不再有折射纵波，只有折射横波。
第二临界角αII为，入射波为纵波，且折射后的横波折射角大于纵波入射角时，能够使横波折射角达到90°的纵波入射角为第二临界角，用符号αII表示。当入射角大于第二入射角时，折射介质中既无折射纵波，又无折射横波，传递介质的表面将产生表面波。
因此，本发明的声波导入件4在将声波导入传递介质201后，声波在传递介质201与折射介质203交界面上的入射角大于第二临界角αII。
本发明的工作原理为，首先被测元件中的固体声信号通过底座5以及声波导入件4导入压电基体薄片，声波在压电基体薄片中在与金属板交界处以大于第二临界角的入射角入射到压电薄片与金属板的交界面并进行传播时，声波将在金属板薄片中既无纵波，又无横波，在压电基体薄片表面以表面波的形式进传播，最后利用叉指换能器测量出表面波信号，从而得出固体声信号。
本发明在使用时，通过底座5与被测元件直接接触，减少了一般传感器测固体声时，空气间隙存在导致信号的衰减，从而进入传感器的信号强度得到了提高；其次，将固体声信号转换为在压电基板中传播的表面波信号，而表面波信号的能量主要集中于传播固体的表面，从而放大固体声信号。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于表面波的固体声检测装置，包括外壳（1）以及设于外壳（1）内的声信号转换组件（2），声信号转换组件（2）通过支撑件（3）安装于外壳（1）内，其特征在于：
所述声信号转换组件（2）包括传递介质（201），所述传递介质（201）的一端为入射端，另一端连接有声波转换处理装置（202），传递介质（201）的入射端通过声波导入件（4）与设于外壳（1）端面上的底座（5）连接，所述底座（5）固定安装在被测元件的表面，所述声波转换处理装置（202）为叉指换能器，在表面波拾取点布置多组不同频率覆盖范围的所述叉指换能器，拾取不同频率范围的声信号，最后通过混频器合成，达到提取所需频率范围的固体声信号；
所述支撑件（3）包括第一支撑件（301）以及第二支撑件（302），所述第一支撑件（301）包裹所述声信号转换组件（2），第二支撑件（302）填充于外壳（1）内，并且第一支撑件（301）包裹在第二支撑件（302）的内部，所述第一支撑件（301）由阻尼材料制成，所述第二支撑件（302）由吸声材料制成；
所述传递介质（201）的表面上还设有折射介质（203），折射介质（203）贴于传递介质（201）上，所述传递介质（201）包括弯曲段以及平直段，所述平直段与声波转换处理装置（202）连接，弯曲段与声波导入件（4）连接，在所述传递介质（201）的平直段的外端部处也填充吸声材料；所述折射介质（203）也包括弯曲段以及平直段，所述折射介质（203）的弯曲段与所述传递介质（201）的弯曲段贴合，所述折射介质（203）的平直段与所述传递介质（201）的平直段贴合，并且所述折射介质（203）的弯曲段的外端部与所述声波导入件（4）之间具有间距；
所述声波导入件（4）在将声波导入传递介质（201）后，声波在传递介质（201）与折射介质（203）交界面上的入射角大于第二临界角αⅡ；
入射波为纵波，且折射后的横波折射角大于纵波入射角时，能够使横波折射角达到90°的纵波入射角为第二临界角，用符号表示αⅡ；
所述传递介质（201）与折射介质（203）均为固体介质，并且折射介质（203）的密度大于传递介质（201）的密度。
2.根据权利要求1所述的基于表面波的固体声检测装置，其特征在于：所述传递介质（201）为压电基板。
3.根据权利要求1所述的基于表面波的固体声检测装置，其特征在于：所述折射介质（203）为金属板。
4.根据权利要求3所述的基于表面波的固体声检测装置，其特征在于：所述金属板为钢板。
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