信息对抗技术专业毕业设计说明书.docx

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1、1.1.绪论绪论1.11.1背景及意义背景及意义通过改变聚合物的性能已研制和开发一大批具有特异物理和化学功能的新型聚合物材料，并先后在国民经济及科学技术各领域中得到广泛应用。共混改性1-8是改变聚合物性能的一种重要方法。两种或两种以上聚合物形成的均匀混合材料所呈现出的优良性能是单一聚合物难以具备的。所以共混可以使聚合物的性能得到互补，拓宽材料的性能和使用领域。共混改性的方法中机械共混法因其具有简单、方便的优点而被广泛应用。在实际生产过程中，产品的性能是由保留在产品的相态结构、结晶结构、分子链的取向结构等因素决定4-6，即聚合物的混合状态会影响产品的最终性能。所以在生产过程中在线实时监控混合物的

2、状态就显得尤为重要了。超声波作为一种机械波，具有探头安装简单方便、不破坏检测对象、信号反馈速度快、内容丰富等优点。超声波的速度与材料的密度、模量有关，而它的衰减则与粘弹性高分子的松弛特点和材料的形态结构有联系。这些性质决定了超声波在检测聚合物的混合状态时能提供非常丰富的信息。所以利用超声波检测聚合物的混合状态，对生产高质量、高性能的产品具有重要意义。同时，周围环境的温度及压强会对超声场的特征量造成影响，所以该技术还可以实时监控加工过程中的重要参数，这对优化控制加工过程有重要指导意义。本论文将利用超声波对聚合物的混合状态进行检测，研究能够表征聚合物混合状态的超声特征信号的提取技术。并要找出特征信

3、号与聚合物混合状态的关系，为超声技术在实时在线检测聚合物混合状态提供一些基础的技术指导。1.21.2超声检测超声检测在聚合物中的应用在聚合物中的应用超声检测是无损检测中应用最为广泛的方法之一，适用于各种尺寸的锻件、扎制件、焊缝和某些铸件。就物理性能检测而言，用超声法可以无损检测厚度、材料硬度、晶粒度、液位和流量、残余应力和胶结强度。随着微电子技术的发展和计算机应用，超声检测法得到了迅速的发展和更广泛的应用。但利用超声波检测聚合物在国内还算刚刚起步，应用十分有限。只是在聚合物的相形态结构6、在线检测9和检测聚合物的流量10等几个方面做了一些简单的研究。一些西方国家的科学家在这方面的研究开始的比较

4、早，并已经做了很多研究取得了一些成果。由于声波在介质中传播时，其高频周期性振动会引起质点应变的滞后现象，因此超声技术常被用来研究聚合物的松弛行为。Nguyen N T等11利用超声储能模量、损耗模量与超声速度、衰减之间的关系,研究了环氧树脂及钨粒子填充体系的玻璃化转变，并与动态力学方法测得的结果进行比较。用WLF方程描述了两种方法产生差异的原因：玻璃化转变对频率有依赖性。在高分子结构方面，利用纵波速度与传播介质的密度户、体积模量以及剪切模量的关系,表征了一些聚合物的降解。Wu12以20MHz纵波通过水浸法研究了聚羟基乙酸、聚乳酸以及羟基乙酸和乳酸共聚物的不同生物降解行为,并结合DSC、GPC表

5、明超声技术是一种表征聚合物降解的有效方法。在聚合物共混物的相容性方面：Sidkey等13用频率为6MHz的超声波声速与衰减研究了SBR与NR、BR、NBR在甲苯溶液中的相容性。实验表明对相容的SBR-NR,SBR-BR 体系,声速与组分含量呈直线关系,声衰减与组分含量曲线上只有一个峰。但对不相容的SBR-NBR体系,速度含量曲线上出现两个S段,衰减含量曲线上出现两个峰。1.31.3超声信号处理技术的现状超声信号处理技术的现状近年来，信号处理的理论与方法获得了惊人的发展，新的理论和处理技术不断的提出，并被广泛的应用在信号处理的各个领域。例如以小波变换为代表的非平稳随机信号分析与处理和方法的发展；

6、以混沌理论为代表的非线性处理的理论和方法的发展；自适应信号处理理论与应用的新成果；各种现代谱估计方法新的改进等。传统的频谱分析技术是利用超声反射回波的幅度谱、相位谱提取回波信号中的能表征被测对象性能和特征的信号来分析和评价被检测对象的物理性能和质量情况。频谱分析的特点是在频域上提取超声检测信号的各种特征，Fourier变换建立了从时域到频域的通道，但它并没有将时域和频域组合成的一个域，即频谱分析只给出了信号的频率内容，没有给出任何频率出现时间的信息。对于非稳定信号来说，通常想知道频率存在的时间，此时频谱分析将不能满足要求。如能将时域和频域结合起来描述信号的时频联合特征，构成信号的时频谱，其分析

7、将是非常有效的,这就是时频局部化方法。常用的时频分析方法就是小波变换,可以将信号同时变换到时域和频域，特别适用于非稳态信号的处理。小波变换，可同时进行时域和频域分析，具有时频局部化和变分辨特性，特别适于处理非平稳信号。邬冠华、吴伟等14从小波变换的奇异性分析入手，给出应用于超声检测信号去噪的小波模极大值算法，并选用Marr函数做小波基函数。该算法对超声合成信号和实测信号的去噪效果均很理想。小波变换在进行阈值去噪的过程中，如何选取合适的小波基和恰当的阈值准则成为其中的一个关键问题，1995年，D.L.Dohono在小波变换的基础上提出了一种小波阈值去噪法。索进章等15研究了小波阈值去噪法在超声信

8、号处理中的应用，并探索了不同的小波基和阈值选取准则对阈值去噪结果的影响。虽然小波变换具有时频分辨率高和多分辨率分析的优点，适合对瞬态信号的分析处理，但它也有缺点，即：频率分辨率随频率升高而降低。小波包分解是一种比小波分解更为精细的分解方法。根据超声检测信号在时频域上的分布特点，车红昆等16提出了一种基于小波包分解的时频邻域自适应消噪方法。为了消除在铝合金锻件的超声检测中的晶粒散射引起的相干噪声,刘守山等17提出了一种基于新阈值函数的Stein 无偏风险估计自适应消噪方法。利用新的阈值函数得到离散小波变换各尺度下的小波系数，对小波阈值进行最小均方误差意义上的迭代，基于小波系数估计值进行离散小波反

9、变换以得到信号的估计值，通过反复迭代运算得到缺陷回波的最优消噪模型。在实际检测中遇到的信号多带随机性，而且记录长度有限。功率谱估计是用无限长随机信号的有限样本序列来求得，因此会产生误差。为了提高谱估计的精度和分辨率而提出了最大熵谱法18 最大熵谱估计的原理是根据已知信息外推相关函数时，每一步都保持未知时间的不确定性或熵为最大。最大熵谱法不认为观测数据以外的数据全为零，没有固定的窗函数，克服了传统谱估计方法由于数据窗的加入而带来的谱分辨率较低、出现频谱“泄漏”、产生假谱峰等缺陷，提高了谱的分辨率。利用Duffing振子的间歇混沌对噪声具有免疫力来检测信号，称为混沌弱信号检测法19-20。将带有强

10、噪声的外界有用信号作为系统内部周期激励的摄动引人Duf-fing振子系统。当信号中带有的与参考信号同频率的信号，即使幅值很小也会导致振子向周期状态迅速过渡且系统会周期地重复着间歇混沌现象，而高噪声信号虽然强烈，但只局部改变系统的相轨迹很难引起相变。这充分体现了Duffing振子对于高噪声的强免疫能力。1.41.4研究重点研究重点本次论文的重点是利用超声波检测两种聚合物的混合状态，通过超声波的速度来表征聚合物的混合状态，建立超声信号与聚合物混合状态的关系。超声波在聚合物地混合物中传播时能量衰减大，可能使回波信号能量太小而淹没在噪声中无法识别。通常聚合物的混合物中会有分散相存在，造成超声波的散射，

11、使超声波的能量衰减剧烈，从而可能使回波信号淹没在噪声中不易分辨；超声波遇到声阻抗不同的介质时就会在两种介质的界面上发生反射和折射，被反射的信号可能传回探头形成新的噪声，从而使特征信号的辨别更加困难；反射波与散射波可能会与信号叠加，使信号的质量变的更差，信号可能完全被噪声淹没而无法识别；所有的这些情况都可能造成信号的误判，从而使计算的超声波速度值出现误差。所以本研究的最大的困难是降低这些噪声对回波信号的影响，以提高回波信号的质量。本次研究内容是利用超声波检测石蜡以及石蜡与硬脂酸钠的混合物。分别提取并比较石蜡与混合物的特征信号，从而建立混合物的特征信号与石蜡与硬脂酸钠的混合状态的关系。2 2超声检

12、测原理超声检测原理超声波是超声振动在弹性介质传播的机械波，频率在 20KHz 以上，是一种声波。超声波的声速c、频率f和波长有以下关系式：cf(2.1)2.12.1超声波的分类超声波的分类根据介质中质点的振动方向与声波传播方向是否相同，超声波的波型可分为以下几类：（1）纵波：质点振动方向与声波传播方向相同（图 2.1）。根据声学理论，在无限大固体介质中，纵波的声速Lc为41311 2LKEGc(2.2)式中E为杨氏模量，为介质密度，为介质泊松比，K为体积模量，G为剪切模量。纵波是超声检测中应用最为普遍的一种波型,也是唯一能在固体、液体和气体中均可传播的波型。由于纵波的发射和接收较容易实现，在应

13、用其他波型时，常采用纵波声源经波型转换后得到所需的波型。质点振动方向波传播方向图 2.1 纵波示意图（2）横波：质点振动方向与声波传播方向垂直（图 2.2）。其声速Sc为21SEGc(2.3)由于横波的传播需要介质存在剪切应力,而液体和气体中没有剪切弹性,固横波不能在气体和液体中传播。质点振动方向波传播方向图 2.2 横波示意图（3）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减，又称瑞利波。表面波质点振动的轨迹是椭圆，质点位移的长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。与横波一样,表面波也不能在气体和液体中传播。表面波可以沿圆滑曲面传播而没有反射，对表面裂纹具

14、有很高的灵敏度。（4）兰姆波：兰姆波只产生在有一定厚度的薄板内，当频率、板厚与波的入射角成一定关系时才能产生。在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度，沿着板的两表面及中部传播，所以又称为板波。振动模式是纵向振动和横向振动的合成。兰姆波的声速较为复杂，除与材料特性有关以外，其相速度和群速度均与频率、板厚和振动模式有关。2.22.2超声场的特征量超声场的特征量（1）声压P在有超声波传播的介质中，某一点在某一瞬间具有的压强与没有超声波存在时的该点的静压强之差为声压。Pcu(2.4)为介质密度，c为超声波速度，u为质点振动速度。（2）声强I在垂直与超声波传播方向上，单位面积、单位时间内

15、所通过的能量。22PIc(2.5)（3）特性阻抗Z介质密度与声速的乘积称为介质的特性阻抗。特性阻抗反映了介质的传声特点，不同的介质具有不同的特性阻抗。Zc(2.6)2.32.3超声波的衰减超声波的衰减超声波的衰减是指超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加能量逐渐减弱的现象。引起衰减的原因21-25可归纳为以下三种：（1）吸收衰减：超声波在介质中传播时，由于介质的黏滞性会造成质点之间的内摩擦，使一部分声能转化为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密部分和稀疏部分进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象，称为超声波的吸收衰减。（2）散射衰减：散射是由物质的不均匀性造成的。超声波在介

16、质中传播遇到障碍物时，当障碍物的尺寸与超声波的波长相当或更小时，便会产生散射衰减。因为障碍物和材料本身构成了含有声阻抗急剧变化的界面，在界面上将产生声波的反射、折射和波形转换等现象，导致声能的降低。产生散射衰减的因素基本可分为两种。一种是材料本身的不均匀。另一种是晶粒尺寸与超声波波长相当的多晶材料造成散射衰减。（3）扩散衰减：超声波的扩散衰减是因为声波在介质中传播时，波的前方逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱。扩散衰减主要取决于波振面的几何形状，与传播介质无关。2.42.4超声波在界面上的反射与折射超声波在界面上的反射与折射当超声波从一种介质（11 1Zc）传播到另一种介质（222Zc）时，在

17、两种介质的分界面上，一部分能量反射回至原介质内的波，称为反射波；另一部分能量则穿过分界面，在另一介质内继续传播的波，称为折射波，如图 2.3 所示。1Z为第一种介质的声阻抗，1为其密度，1c为超声波在其中传播的速度。2Z为第二种介质的声阻抗，2为其密度，2c为超声波在其中传播的速度。介质 1介质 2界面11 1Zc22 2Zc图 2.3 波的反射与折射反射定律：入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型一样，波速一样时，入射角等于反射角。折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于波在入射介质中的速度1c与波在折射介质中的速度2c之比。2.52.5波型转换波型转换当纵波

18、以某一角度入射到第二介质的界面上时，除有反射、折射纵波之外，还发生横波的反射及折射23,24，如图 2.4 所示。各种波型亦符合几何光学中的反射定律和折射定律。112211sinsinsinsinsinLSLSLttCCCCC(2.7)其中LC为入射介质内的纵波速度，1LC为反射介质内的纵波速度，1SC为反射介质内的横波速度，2LC为折射介质内的纵波速度，2SC为折射介质内的横波速度。L介质 1介质 2TTLLltlt图 2.4 波型的转换T：横波L：纵波a：纵波入射角l：纵波反射角t：横波反射角l：纵波折射角t：横波折射角当第二种介质中的声速比第一种介质中的大时，折射角大于入射角。此时，存在

19、一个临界入射角度，在这个角度下，折射角等于 90 度。大于这个角度时，第二种介质没有折射波，全部能量反射到第一种介质中，称为全反射。其中，折射波中只有横波没有纵波时，这一入射角称为第一临界角；折射波完全不存在时，这一入射角称为第二临界角。2.62.6超声波在聚合物混合物中的传播超声波在聚合物混合物中的传播聚合物的共混是指将两种或两种以上聚合物材料、无机材料以及助及在一定温度下进行机械掺混，最终形成一种宏观上均匀，而且各种性能得到改善的新材料的过程，所得到的新的共混产物称为聚合物的共混物，简称共混物。共混物的形态可分为均相体系与两相体系，其中两相体系又可进一步分为“海岛”结构与“海海”结构4,5

20、。“海岛”结构一相为连续相，另一相为分散相，分散相分散在连续相中。“海海”结构两相皆为连续相，互相贯穿。共混物的形态与共混物的性能有密切关系，是聚合物改性研究的一个重要内容，因为共混物的形态与共混物的性能有密切关系。共混组分在混合物中的状态会影响共混物形态，例如决定哪一相为连续相，哪一相为分散相。两相体系中的分散相粒子的直径和分散状态会影响超声波在共混物中的传播情况。例如当粒子的直径与波长相比拟时，超声波会发生散射。共混物中相与相之间的交界面称为相界面。超声波入射的角度及相界面的形状都会影响超声波波的传播。当超声纵波入射到相界面上时，可能会发生反射和折射及波型转换，产生反射纵波、反射横波、折射

21、纵波和折射横波26。当入射角大于第一临界角时，只产生反射纵波、反射横波和折射横波；大于第二临界角时，只有反射纵波和反射横波。超声波在界面上的反射、折射以及波型转换使得超声波在混合物中的传播情况变得非常复杂。超声波在聚合物的混合物中传播的另一特点是超声波的能量衰减大。因为超声波传到分散相与连续相的界面上时将产生声波的反射、折射和波形转换等现象，导致超声波能量的降低。当分散相粒子的尺寸与超声波的波长相当或更小时，便会产生散射现象，也可导致超声波能量的降低。另外，组成混合物的各种聚合物材料也会吸收超声波的能量，产生吸收衰减，还有扩散衰减等原因。但引起超声波能量衰减的主要原因是散射衰减与吸收衰减。探头

22、纵波横波分散相连续相图 2.5 超声波在“海岛”结构混合物中传播示意图2.72.7探头探头超声波探头是用来产生与接收超声波的器件，是组成超声检测系统的重要部分之一。探头的性能直接影响到发射的超声波的特性，影响到超声波的检测能力。探头中的关键部件是换能器，最常用的是压电换能器，又称为压电晶片。压电换能器将电脉冲转换为超声脉冲，在将超声脉冲转换为电脉冲，也就是实现了电能和声能的相互转换。压电换能器进行声电能量转换的原理是利用某些晶体在机械变形时会产生电压的压电效应，以及在交变电压作用下会产生机械伸缩的逆压电效应。根据探头的结构特点和用途，可将探头分为多种类型，其中最常用的是接触式纵波直探头、接触式

23、斜探头、双晶探头、水浸平探头和聚焦探头。2.7.1探头的耦合探头与试件间的声耦合需采用耦合剂，目的是以液体置于探头与试件之间代替空气间隙，增大声能的透过率，使声波更好地传入试件。接触法中常用的耦合剂有机油、甘油等。液浸法中常用水作耦合剂，有时也采用油进行液浸法检测，但对高频声波衰减较大。2.82.8聚合物的超声检测方法聚合物的超声检测方法脉冲反射法在聚合物的超声检测较为广泛,通过处理脉冲回波来计算超声波的声速或能量衰减,表征聚合物的性质25。因为，利用超声波的速度可精确估计聚合物材料的弹性模量、体积模量、剪切模量及密度等参数，从而检测聚合物的分子结构、各向异性结构、纤维在聚合物基体中的取向情况

24、以及物质的交联固化行为；聚合物复合材料中的分散相的尺寸和含量与超声波能量的衰减有密切的关系，通过测量衰减系数可了解增强体在基体中的分散情况；超声波的速度与衰减系数也用来表征聚合物的共混体系的相容性及相结构。脉冲反射法根据耦合方式又可分为接触法和液浸法。接触法检测是将探头与样品表面直接接触进行检测的方法（图 2.6），通常在探头与检测表面之间涂有一层很薄的耦合剂。耦合剂主要起传输超声波能量作用，为避免空气层产生的强烈反射，故在检测时必须将接触层间的空气排除干净，使声波进入样品内部。液浸法是将探头和样品全部或部分浸于液体中，以液体作为耦合剂，超声波通过液体进入样品进行检测的方法（图 2.7）。液浸法最常用的耦合剂为水，此时，又称水浸法。