CN116338004A - 用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆 - Google Patents

用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆 Download PDF

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CN116338004A CN202310326815.8A CN202310326815A CN116338004A CN 116338004 A CN116338004 A CN 116338004A CN 202310326815 A CN202310326815 A CN 202310326815A CN 116338004 A CN116338004 A CN 116338004A
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何田
符记
邢银帅
单颖春
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Abstract

本发明公开了一种用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其采用在截面为方形的各向同性长方体杆的一端加工出一维声学黑洞结构而得到，一维声学黑洞结构用于增强声发射信号，一维声学黑洞结构的最小厚度处位于长方体杆的一端端部处，一维声学黑洞结构的最小厚度处的底部位置为传感器位置。本发明解决了传统波导杆因声发射波衰减而不能有效地被传感器检测到的问题，同时，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的整体长度可以设计得比传统波导杆的长度更长，且结构简单，应用便捷。

Description

用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆
技术领域
本发明属于声发射检测技术领域，特别涉及一种用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆。
背景技术
声发射检测技术作为结构健康监测领域的重要分支，广泛应用于航空航天、石油化工等领域，但受传感器条件限制，难以在高温、深冷、埋地等极端工况下形成有效的检测。为了突破极限工况的限制，通常采用波导杆辅助检测，从而实现极端工况下的声发射信号采集。在极端工况下，波导杆虽能有助于声发射检测，但声发射波在传播过程中的衰减程度高等问题，极大限制了波导杆的长度，给波导杆的应用带来一定的约束。
总之，现有波导杆面对被测物表面与传感器安全测试环境相距较远，因声发射波的衰减，使得声发射信号容易淹没于噪声之中，导致难以实现有效的信号测量。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于声学黑洞机制的声发射波导杆，解决了传统波导杆因声发射波衰减而不能有效地被传感器检测到的问题，且结构简单，应用便捷。
根据本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆采用在截面为方形的各向同性长方体杆的一端加工出一维声学黑洞结构而得到，所述一维声学黑洞结构用于增强声发射信号，所述一维声学黑洞结构的最小厚度处位于所述长方体杆的一端端部处，所述一维声学黑洞结构的最小厚度处的底部位置为传感器位置。
根据本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，通过在截面为方形的各向同性长方体杆的一端加工出一维声学黑洞结构，利用一维声学黑洞结构将声发射波汇聚到一维声学黑洞结构的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构的厚度最小部位处的声发射波振幅增大即声发射信号增强，这样，布置在一维声学黑洞结构的最小厚度处的底部位置即传感器位置处的传感器可以有效地检测到声发射波，从而解决了传统波导杆因声发射波衰减而不能有效地被传感器检测到的问题，同时，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的整体长度可以设计得比传统波导杆的长度更长，以在极端环境下更可靠、更有效地应用。此外，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的结构简单，应用便捷，具有重大的工程实践意义。
在一些实施例中，所述一维声学黑洞结构呈楔形。
在一些实施例中，所述一维声学黑洞结构具有一个坡面。
在一些实施例中，所述坡面为光滑曲面。
在一些实施例中，所述一维声学黑洞结构的厚度按幂函数向所述长方体杆的一端端部方向逐渐变小。
在一些实施例中，所述用于射信号增强的声学黑洞波导杆的厚度具体为：
Figure BDA0004153531900000021
其中，h(x)为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的厚度；r为所述一维声学黑洞结构的长度；l为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的总长度，H为所述用于射信号增强的声学黑洞波导杆的最大厚度；h1为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的最小厚度；ε为常数；m为幂指数。
在一些实施例中，所述幂指数为：m≥2。
在一些实施例中，所述常数为：
Figure BDA0004153531900000022
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的立体示意图；
图2是本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的正视图；
图3是本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的仰视图；
图4是本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的一个仿真实验的示意图；
图5是图4中A处的放大示意图；
图6是传统波导杆的一个仿真实验的示意图；
图7是图4和图6的仿真实验的实验效果示意图。
附图标记：
用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100；
长方体杆1；一维声学黑洞结构2；传感器位置3；均匀板4；声发射源5；传统波导杆6；传感器7。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图7描述本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100。
如图1和图5所示，根据本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100，该用于射信号增强的声学黑洞波导杆采用在截面为方形的各向同性长方体杆1的一端加工出一维声学黑洞结构2而得到，例如，通过在截面为方形的各向同性长方杆的一端进行裁剪形成一维声学黑洞结构2而得到，为一体式结构；一维声学黑洞结构2用于增强声发射信号，具体的，一维声学黑洞结构2能将沿着长方体杆1传播的弯曲波即声发射信号向一维声学黑洞结构2的最小厚度处汇聚，增强发射信号幅度，有利于解决声发射波衰减较大时不能有效测量的问题；一维声学黑洞结构2的最小厚度处位于长方体杆的一端端部处，这样，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100能将声发射信号能量汇聚到末端处，一维声学黑洞结构2的最小厚度处的底部位置为传感器位置3，这是由于一维声学黑洞结构2的最小厚度处的声发射信号最强且距离长方体杆1的另一端最远，将传感器7布置在一维声学黑洞结构2的传感器位置3处，传感器7检测环境安全且可以有效地测量声发射信号。
如图4至图7所示，下面介绍一下本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100与传统波导杆6的对比仿真实验。
图4为本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100测试方案，图5为图4中A处的放大图，图6为传统波导杆6测试方案。为了察本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的弯曲波汇聚效果，采用有限元仿真软件在同等工况下分别对本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100和传统波导杆6测试方案进行断铅模拟，其中，图4中的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100和图6中的传统波导杆6均固定在均匀板4上，均匀板4上均设有声发射源5，本实施案例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100与传统波导杆6长度相同，柱体横截面积相近，同时在本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的一维声学黑洞结构2的最小厚度处的底部位置和传统波导杆6的端部圆截面中心位置分别布置传感器7。
如图7所示，通过对比本发明实施的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100与传统波导杆6的声发射信号可知，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100接收到的声发射信号振幅显著高于传统波导杆6，且约为传统波导杆6声发射信号幅值的两倍，这说明本发明能够有效解决传统波导杆6声发射波衰减问题。
根据本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100，通过在截面为方形的各向同性长方体杆1的一端加工出一维声学黑洞结构2，利用一维声学黑洞结构2将声发射波汇聚到一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大即声发射信号增强，这样，布置在一维声学黑洞结构2的最小厚度处的底部位置即传感器位置3处的传感器7可以有效地检测到声发射波，从而解决了传统波导杆6因声发射波衰减而不能有效地被传感器7检测到的问题，同时，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的整体长度可以设计得比传统波导杆6的长度更长，以在极端环境下更可靠、更有效地应用。此外，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的结构简单，应用便捷，具有重大的工程实践意义。
在一些实施例中，一维声学黑洞结构2呈楔形，这样可以有效地将声发射波汇聚到楔形的一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大。
在一些实施例中，一维声学黑洞结构2具有一个坡面，该坡面可以通过对长方体杆进行裁剪方式获得，这样，可以有效地将声发射波汇聚到楔形的一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大。
在一些实施例中，坡面为光滑曲面，这样可以有效地将声发射波汇聚到楔形的一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大。
在一些实施例中，一维声学黑洞结构2的厚度按幂函数向长方体杆1的一端端部方向逐渐变小，这样可以有效地将声发射波汇聚到楔形的一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大。
在一些实施例中，用于射信号增强的声学黑洞波导杆的厚度具体为：
Figure BDA0004153531900000051
其中，h(x)为用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的厚度；r为一维声学黑洞结构2的长度；l为用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的总长度，H为用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的最大厚度；h1为用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的最小厚度；ε为常数；m为幂指数。
可以理解的是，该实施例的用于射信号增强的声学黑洞波导杆能够利用一维声学黑洞结构2将声发射波汇聚到一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处，使得一维声学黑洞结构2的厚度最小部位处的声发射波振幅增大即声发射信号增强，这样，布置在一维声学黑洞结构2的最小厚度处的底部位置即传感器位置3处的传感器7可以有效地检测到声发射波，从而解决了传统波导杆6因声发射波衰减而不能有效地被传感器7检测到的问题，同时，本发明实施例的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的整体长度可以设计得比传统波导杆6的长度更长，以在极端环境下更可靠、更有效地应用。此外，该实施的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆100的结构简单，加工成本低。
在一些实施例中，幂指数为：m≥2。这样，一维声学黑洞结构的声发射信号能量汇聚效果好。
在一些实施例中，常数为：
Figure BDA0004153531900000052
这样，一维声学黑洞结构的声发射信号能量汇聚效果好。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆采用在截面为方形的各向同性长方体杆的一端加工出一维声学黑洞结构而得到，所述一维声学黑洞结构用于增强声发射信号，所述一维声学黑洞结构的最小厚度处位于所述长方体杆的一端端部处，所述一维声学黑洞结构的最小厚度处的底部位置为传感器位置。
2.根据权利要求1所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述一维声学黑洞结构呈楔形。
3.根据权利要求2所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述一维声学黑洞结构具有一个坡面。
4.根据权利要求3所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述坡面为光滑曲面。
5.根据权利要求2所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述一维声学黑洞结构的厚度按幂函数向所述长方体杆的一端端部方向逐渐变小。
6.根据权利要求2所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的厚度具体为：
Figure FDA0004153531890000011
其中，h(x)为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的厚度；r为所述一维声学黑洞结构的长度；l为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的总长度，H为所述用于射信号增强的声学黑洞波导杆的最大厚度；h1为所述用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆的最小厚度；ε为常数；m为幂指数。
7.根据权利要求6所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述幂指数为：m≥2。
8.根据权利要求7所述的用于声发射信号增强的声学黑洞波导杆，其特征在于，所述常数为：
Figure FDA0004153531890000012
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