一種基于數(shù)據(jù)間相關(guān)性的激光噴丸聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)

邱辰霖, 程 禮 , 何衛(wèi)鋒

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京 100191)

一種基于數(shù)據(jù)間相關(guān)性的激光噴丸聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)

邱辰霖1,2, 程 禮1, 何衛(wèi)鋒1

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038；2.北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京 100191)

激光噴丸作為一種新興的金屬材料表面強化技術(shù)，與普通噴丸相比，具有更顯著的改性作用，使其在航空等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。隨著該技術(shù)的工業(yè)化程度不斷加深，需要加強對其工作狀態(tài)的監(jiān)測診斷，保證其良好的運行狀況。由于聲學(xué)信號不僅攜帶有豐富的工作特征信息，而且獲取成本較低，并能夠?qū)崿F(xiàn)無損檢測，所以將聲學(xué)信號應(yīng)用于激光噴丸的狀態(tài)監(jiān)測。通過分析由等離子體沖擊波衰減所產(chǎn)生的聲波信號，提取信號特征，進行過程監(jiān)測。針對于沖擊信號的非線性特征，從信號內(nèi)相鄰數(shù)據(jù)間相關(guān)性的角度，提出了一種新的沖擊聲信號特征挖掘方法。一方面對于模擬沖擊信號進行了分析，另一方面，對于激光噴丸實際聲信號進行了處理，表明該方法能夠識別沖擊信號的特征變化，可以用于監(jiān)測激光噴丸的工作過程，操作簡單且速度較快，具有較好的應(yīng)用前景。

激光噴丸；聲學(xué)信號；狀態(tài)監(jiān)測；相關(guān)性

激光噴丸技術(shù)，是一種新興的金屬材料表面強化技術(shù)，近些年來不斷發(fā)展，在航空等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值[1]。它借助強激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的超強沖擊波，產(chǎn)生更多的位錯密度和剩余壓應(yīng)力，達到比普通噴丸更強的處理效果，顯著延長金屬材料的疲勞壽命、改善材料的抗腐蝕斷裂能力[2]。隨著該技術(shù)工業(yè)化程度不斷加深，對于其的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，愈加顯得重要。實驗階段采用儀器對于材料性能參數(shù)逐一檢測的方法無法應(yīng)付繁重的工業(yè)生產(chǎn)，需要開發(fā)一種簡便、無損的在線監(jiān)測手段，以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求[3]。

聲學(xué)信號獲取成本低，且包含有豐富的特征信息，聲學(xué)診斷技術(shù)已經(jīng)在許多方面都有成熟的應(yīng)用，如旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷等[4-6]。在激光噴丸過程中產(chǎn)生的等離子體沖擊波，及其衰減而得的聲波信號，與強化過程有密切的聯(lián)系，國內(nèi)外學(xué)者通過分析沖擊聲波信號的傳播特征[7-10]，將等離子體沖擊波及其衰減產(chǎn)生的聲波信號用于監(jiān)測激光噴丸的工作狀態(tài)[11-13]。由于沖擊波信號的非線性、非平穩(wěn)特征，給聲波信號分析提出了更高的要求，為了開發(fā)一種對于等離子體聲信號處理效果更佳的在線狀態(tài)監(jiān)測方法，本文提出一種基于信號內(nèi)相鄰數(shù)據(jù)間相互關(guān)聯(lián)性的特征分析方法，將聲信號數(shù)據(jù)列轉(zhuǎn)換成特征更明顯的相關(guān)系數(shù)序列，提取特征信息進行狀態(tài)識別。通過模擬分析和實驗驗證，表明該方法能夠通過沖擊聲信號對于激光噴丸強化進行監(jiān)測，效果較好且操作簡便，具有實用潛力。

1 激光噴丸

激光噴丸強化，也稱為激光沖擊強化處理，是一種利用高功率脈沖激光對于材料進行表面改性的新技術(shù)[14]，其工作原理圖如圖1所示。

圖1 激光噴丸強化原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser peening

圖1是約束模式的激光噴丸強化，也是工業(yè)生產(chǎn)中常用的工作模式。高功率的激光脈沖穿過約束層照射到保護層上，保護層瞬間蒸發(fā)為等離子體，并且在約束層的束縛下繼續(xù)吸收激光能量，產(chǎn)生高溫、高壓的等離子體沖擊波，此沖擊波在約束層的作用下大部分向表層材料傳播，改變材料表層的微觀結(jié)構(gòu)，增加其位錯密度，提高其殘余壓應(yīng)力，最終達到對于材料表層改性的效果。由于沖擊波的高溫高壓特征，使得其強化效果比一般的噴丸強化有很大的提升。

離子體沖擊波是激光噴丸強化的關(guān)鍵，對于最終的材料特性改善起著重要作用。在沖擊波向內(nèi)傳播作用于材料的同時，也有部分沖擊波穿過約束層，向空氣傳播，它與材料內(nèi)部的沖擊波具有一定的關(guān)系[15]。此沖擊波會迅速衰減，產(chǎn)生聲波，分析此聲波信號，就可以獲取與材料內(nèi)沖擊波信號相關(guān)的特征信息，從而達到對于強化效果的狀態(tài)監(jiān)測。

2 聲學(xué)信號分析

2.1 模擬沖擊信號

聲波信號是一組時間序列信號，由于前后時間點具有天然的相關(guān)性，使得基于時間順序的聲波信號的數(shù)據(jù)點間也是相互關(guān)聯(lián)的。本文通過Pearson相關(guān)系數(shù)度量相鄰數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，依次計算相鄰數(shù)據(jù)子列間的相關(guān)系數(shù)，組成相關(guān)系數(shù)序列，從而將復(fù)雜的原始序列轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€特征更明顯的簡單序列，從中提取有用信息。

激光噴丸所產(chǎn)生的聲波信號如圖2所示。

圖2 激光噴丸聲波信號Fig.2 Acoustic signal of laserpeening

此信號具有典型的沖擊波特征，短的上升時間、超高的壓力峰值和快速的衰減過程。通過式(1)對于沖擊波信號進行簡單模擬[16]。

(1)

式中:A0為模擬沖擊波信號的峰值;θ為衰減常數(shù);t為時間。由于在實際應(yīng)用中不可避免地會混有噪聲信號，所以在模擬沖擊信號中加入白噪聲。

取A0=300，θ=0.01，t∈(0,1)，加入白噪聲信號，其沖擊波形如圖3所示。

圖3 模擬沖擊波信號示意圖(A0=300，θ=0.01)Fig.3 Schematic diagram of simulating shock wave signal(A0=300，θ=0.01)

采用本文的方法，依次計算相鄰數(shù)據(jù)子列(長度取2 000點)間的相關(guān)系數(shù)，其變化曲線如圖4所示。

圖4 沖擊波信號相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)變化曲線(A0=300，θ=0.01)Fig.4 Variation of the neighbor subsequences’ correlation coefficient obtained from the simulating shock wave signal(A0=300，θ=0.01)

由圖4可知，相關(guān)系數(shù)變化曲線有一個明顯的凸起，對應(yīng)于時域信號中沖擊波峰值出現(xiàn)的區(qū)域，可以將其凸起處的極大值作為特征值，此時該值為0.96。

2.2 沖擊信號特征識別

當θ=0.01時，改變沖擊波幅值，取A0=100，其相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5 沖擊波信號相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)變化曲線(A0=100，θ=0.01)Fig.5 Variation of the neighbor subsequences’ correlation coefficient obtained from the simulating shock wave signal(A0=100，θ=0.01)

由圖5可知，其變化曲線凸起處的極大值為0.74，可見隨著沖擊波幅值的減小，特征值也會明顯減小，所以，可以通過該特征值識別沖擊波模擬信號的幅值變化。

當A0=300時，改變衰減常數(shù)，取θ=1/150，其相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)的變化曲線如圖6所示。

圖6 沖擊波信號相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)變化曲線(A0=100，θ=1/150)Fig.6 Variation of the neighbor subsequences’ correlation coefficient obtained from the simulating shock wave signal(A0=300，θ=1/150)

由圖6可知，其曲線凸起處的極大值為0.5，可見，隨著衰減常數(shù)的減小，特征值明顯減小。所以，可以通過該特征值識別衰減常數(shù)的變化。

2.3 分析小結(jié)

采用本文提出的基于相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)性的信號分析方法，通過對于含噪條件下沖擊波模擬信號進行信號處理，可以提取相關(guān)系數(shù)變化曲線中凸起處的極大值作為特征值；通過該特征值，能夠識別沖擊波模擬信號的幅值和衰減常數(shù)等參量的變化。所以，本文分析方法可以用于分析沖擊信號的特征變化。

3 實驗分析

設(shè)計激光噴丸實驗，實測等離子體沖擊聲波數(shù)據(jù)，采用本文的方法進行信號處理。

實驗在西安天瑞達公司的協(xié)助下完成，實驗設(shè)備是該公司生產(chǎn)用的激光沖擊強化裝置，實驗時激光器參數(shù)設(shè)置為波長1 064 nm 、光斑直徑2.2～2.4 mm、脈寬20±2 ns，通過聲傳感器(靈敏度40 mv/Pa)采集聲波信號，通過DEWEsoft進行數(shù)據(jù)儲存。實驗金屬材料采用鈦合金，用黑漆作為保護層，施加流水約束。

實驗過程中，聲傳感器放置的位置有50 cm、60 cm、70 cm、80 cm四個距離值，每一個位置處，激光能量取3 J、4 J、5 J、6 J四個能量值 ，每一種能量下，分別在有約束狀態(tài)和無約束狀態(tài)下進行強化處理。

3.1 信號分析

在50 cm處，3 J能量下，有約束層狀態(tài)時，截取一段沖擊聲波信號，如圖7所示。

圖7 激光噴丸聲波信號Fig.7 Acoustic signal of laser peening

對于所取的信號序列，依次計算相鄰數(shù)據(jù)子列(長度取2 000點)的相關(guān)系數(shù)，其變化曲線如圖8所示。

圖8 激光噴丸聲波信號內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)變化曲線Fig.8 Variation of the neighbor subsequence’ correlation coefficient obtained from the shock acoustic signal of laser peening

由圖8可知，當計算相鄰子序列中開始出現(xiàn)沖擊波信號正壓峰值時，相關(guān)系數(shù)會出現(xiàn)突變，之后相關(guān)系數(shù)值為一個較穩(wěn)定值，當沖擊波信號正壓峰值移出計算子序列時，相關(guān)系數(shù)會再次出現(xiàn)突變。兩個突變值之間相關(guān)系數(shù)的穩(wěn)定值，可以用作表征沖擊波特征。

圖中除了沖擊波的曲線特征，還有周期性出現(xiàn)的曲線凸起，周期大約1 s，對應(yīng)于激光機器工作過程的計時聲音，這個信號在時域中與噪聲信號混合在一起，無法區(qū)分，而在相關(guān)系數(shù)變化曲線中卻可以比較清晰地分辨。可見，相關(guān)系數(shù)法對于聲波信號的分析，可以將時域分辨不清的信號特征，清楚區(qū)分出來。

3.2 能量變化

將相關(guān)系數(shù)曲線中，相關(guān)系數(shù)值負值突變和正值突變中的平穩(wěn)值，作為聲波信號的特征值，以表征相應(yīng)原始沖擊波的特征信息。不同激光能量下，不同距離處，正常工作狀態(tài)時此特征值如表1所示。

表1 不同正常工作狀態(tài)時沖擊聲波信號特征值對比

由表1對比可知，隨著距離的增大，沖擊聲波信號的特征值會減小；隨著激光能量的提高，該特征值會增大。

以3 J為基準，其他能量狀態(tài)下的特征值變化率如表2所示。

表2 不同能量狀態(tài)下的特征值變化率

由表2可知，不同能量狀態(tài)之間的特征值變化明顯，可以通過特征值對于能量狀態(tài)進行監(jiān)測。

3.3 約束層狀態(tài)

不同采集距離處，在不同的激光能量下，對比有約束層和無約束層狀態(tài)，其特征值如表3所示。

表3 不同約束狀態(tài)下的沖擊聲波特征值對比

由表3對比可知，采集距離和激光能量相同的情況下，有約束狀態(tài)下的聲波特征值要大于無約束狀態(tài)下的特征值。

無約束狀態(tài)對比有約束狀態(tài)，其特征值的減少率如表4所示。

表4 無約束狀態(tài)對比有約束狀態(tài)的特征值減小率

由表4可知，無約束狀態(tài)對比有約束狀態(tài)，其特征值變化比較明顯，可以通過此聲波特征值對于約束層狀態(tài)進行監(jiān)測。

3.4 參數(shù)選取

采用本文的分析方法，對于激光噴丸沖擊聲信號進行信號處理的過程中，計算相關(guān)系數(shù)時相鄰子序列的長度值，是一個可變參數(shù)，會對分析效果有所影響，需要綜合考慮分析精度和速度，進行合理選擇。

所選取相鄰子序列的長度越長，提取的特征值會趨于穩(wěn)定，但是運行所消耗的時間會更多；如果選取相鄰子序列的長度越短，運行所用時間更少，但是提取的特征值可能還未達到穩(wěn)定值。對比總結(jié)不同子序列長度下的分析結(jié)果，將沖擊波從出現(xiàn)到基本衰減所經(jīng)歷的大致長度取為相鄰子序列長度比較合適，該子序列長度下提取的特征值已趨于穩(wěn)定，且不會影響到分析速度。

3.5 分析小結(jié)

將基于相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)性的信號分析方法，應(yīng)用于激光噴丸沖擊聲波信號的分析處理，將沖擊聲信號序列轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€特征明顯的相關(guān)系數(shù)序列進行分析。

通過相關(guān)系數(shù)曲線的變化情況，可以提取相關(guān)系數(shù)變化曲線中突變值之間的平穩(wěn)值作為聲波信號的特征值，還可以將信號中混雜的不明顯信號特征清楚區(qū)別出來。

通過聲波特征值的對比分析，該特征值會隨著聲波傳播距離的增加而顯著減小，會隨著激光能量的提高而明顯增大，無約束時的特征值要小于有約束狀態(tài)。

所以，通過基于相關(guān)性分析的信號處理方法，挖掘聲波信號的有用特征信息，能夠監(jiān)測激光噴丸過程中的能量及約束層狀態(tài)。

4 結(jié) 論

針對于激光噴丸強化過程的聲學(xué)診斷，本文提出一種基于相鄰數(shù)據(jù)相關(guān)性的聲波信號處理方法，通過模擬信號分析和實驗檢驗，可以得出以下結(jié)論:

(1)該方法能夠有效地提取出與沖擊波相關(guān)的特征信息，而且能夠?qū)r域信號中不明顯的信號特征顯化出來。

(2)該方法能夠用于監(jiān)測激光能量和約束層狀態(tài)變化，且效果比較明顯。

本文方法在使用過程中，操作簡單，速度較快，具有進一步實用的潛力。

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A condition monitoring method for laser peening based on the correlation between the adjacent aata

QIUChenlin1,2，CHENGLi1，HEWeifeng1

(1. School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038， China; 2. School of Jet Propulsion, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191， China)

As an innovative surface treatment of metal material, laser peening makes greater performance in improving the mechanical property comparing with the conventional shot peening, and it can bring significant contributions to various fields like aerocraft industry. In accordance with the developing pace of its industrialization, the condition monitoring, aiming at maintaining a good working state, is arousing more and more attentions. The acoustic signal with lower cost contains abundant information related to the operating process, and it can be used as non-destructive condition detection of the laser peening. The shock acoustic signal, which is propagating from the original plasma shock wave, was analyzed to extract the valuable characteristics to monitor the process. Considering the nonlinearity of the shock acoustic signal, a new signal processing method was proposed, based on the correlation between the neighbor data in the signal array. On one hand, it was used in analyzing the simulating shock-wave signal; on the other hand, it was applied in studying the practical signal obtained from the laser shock processing. It was shown that the novel method could detect the shock wave signal efficiently with easy and quick operation. It thus has potential in applications.

laser peening; acoustic signal; condition monitoring; correlation

國家自然科學(xué)基金資助項目(51205406)

2015-10-20 修改稿收到日期：2016-02-23

邱辰霖 男，博士生，1988年12月生

程禮 男，教授，1963年4月生

TP391；TN249

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.022