[发明专利]基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法

权利要求书

1.基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在待冲击金属工件的正面安装声发射压电式传感器探头，声发射压电式传感器与前置放大器连接，前置放大器与A/D数据采集卡连接，A/D数据采集卡与工控机连接；在激光冲击过程中的每一个激光脉冲下，利用声发射传感器采集材料内部动态的弹性波信号数据，并保存至工控机；

步骤二，由于弹性波信号数据的采样率较高，为提升处理速度，在满足采样定理的条件下，对弹性波信号数据进行降采样处理，从而得到数据长度压缩后的降采样信号数据；

步骤三，为去除降采样信号数据中的噪声干扰，利用小波包分解对降采样信号数据进行降噪处理，从而得到无低频噪声干扰的降噪弹性波信号数据X(t)；

步骤四，进一步求取降噪弹性波信号数据X(t)的时域波形包络图，通过设定阈值依次截取基波信号X₁(t)与高次谐波信号X₂(t)；根据降噪弹性波信号达到声发射压电式传感器的时间先后判断基波信号X₁(t)与高次谐波信号X₂(t)的分段时刻，利用降噪弹性波信号的时域包络线，设定阈值找到两次信号之间的时间分隔点，截取对应冲击的弹性波信号，从而得到基波信号X₁(t)和高次谐波信号X₂(t)；

步骤五，对截取的基波信号X₁(t)和高次谐波信号X₂(t)分别进行傅里叶变换，并分别提取出频域中的基波激励频率和高次谐波频率；其中，对基波信号X₁(t)进行傅里叶变换，根据基波信号段的频域幅值图，提取基波激励频率；对高次谐波信号X₂(t)进行傅里叶变换，根据高次谐波信号段的频域幅值图，提取高次谐波频率；

步骤六，根据非线性系数特征的计算公式，利用基波激励频率和高次谐波频率的幅值比值，提取每一次冲击的非线性特征参数，表征激光冲击强化过程动态过程的残余压应力，实时监测激光冲击强化过程零件内部的残余压应力；根据波在非线性介质中传播时的小应变假设，其运动方程为：

其中，u是x方向上的位移，ρ是介质的密度，σ(x，t)是x方向上的正应力；

假设介质的本构关系方程如下所示：

σ＝Ef(ε)

其中：E为介质的弹性模量，f(ε)为应变函数；

在小应变的情况下，为进一步分析方程解的特性，幂级数展开应变函数的导函数f′(ε)，将本构关系方程改写为：

其中：β称为二阶非线性系数，与材料的二阶、三阶弹性常数有关；

利用摄动法求解波动方程的二阶近似解，如下所示：

其中：k是超声波波数；A₁是基波信号的幅值；

利用基波信号幅值可计算得到高次谐波信号幅值A₂：

因此，二阶非线性系数计算公式如下所示：

其中A₁为基波信号幅值，A₂为高次谐波信号幅值，k为内部弹性波波数，x为传播距离。

2.根据权利要求1所述的基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，其特征在于，步骤一中，声发射内部弹性波信号采用RS-2A声发射压电式传感器获得，RS-2A声发射压电式传感器频率响应范围50Hz～400kHz，RS-2A声发射压电式传感器灵敏度80dB±5dB，前置放大器的放大增益设置为20dB，A/D数据采集卡的采样频率设置为5MHz，在激光冲击过程中通过工控机和A/D数据采集卡实现同步采集材料内部的弹性波信号数据；声发射压电式传感器、前置放大器、A/D数据采集卡和工业计算机通过低噪声信号线和同轴电缆依次连接。

3.根据权利要求1所述的基于内部弹性波非线性特征的激光冲击强化实时监测方法，其特征在于，步骤二中，为了提升时间成本，在满足Nyquist采样定理条件下，对弹性波信号数据进行4倍降采样处理，从而得到数据长度压缩4倍后的降采样信号数据。