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基于传声器阵列的激光焊接过程质量检测理论与方法

敖三三  
【摘要】:鉴于声信号是激光焊接过程质量检测的相关性较强的参数,其带有大量激光焊接过程信息,如焊接熔体金属、熔池小孔、金属蒸汽和等离子体的变化情况,且具有响应速度快、非接触测量的特点,非常适合作为激光焊接过程质量检测参量。但由于声信号极易受到环境噪声的干扰,因此它在激光焊接过程质量检测中的应用受到一定的限制。近期的研究发现,传感器阵列技术与信号处理方法能够消除环境噪声、提取特征信号,同时可以实现声源定位、跟踪,这就为激光焊接过程质量检测提供了新的途径和方法。 本文主要基于声信号,对激光焊接过程质量检测进行研究。采用新的信号处理技术—盲信号分离算法,实现激光焊过程声信号的降噪、激光特征声信号的提取;以及基于传声器阵列技术—波束形成算法,对激光焊接过程中的声源进行定位与跟踪。 本文首先深入研究了熔池小孔和熔体金属以及气流喷射两大声源,建立了基于热传导和流体动力学理论的熔池小孔和熔体金属模型;同时以有限元声学软件为基础,通过数值计算,得到激光焊接过程中辐射声场的分布情况。 在激光声源发声机理的研究基础上,采用实验方法,研究了不同焊接工艺参数与激光声信号的关系,建立了激光焊过程标准声信号库。 研究了盲信号分离算法,根据选定的优化准则和合适的对比函数,实现了对声信号的降噪、激光焊过程特征声信号的提取。同时,采用基于传声器阵列技术的波束形成算法,根据传声器阵列接收声波的时间差和位置差,实现了激光焊过程声源的定位与跟踪。 最后,本文从试验的角度研究了传声器阵列技术在400W小功率脉冲激光器、2kW中功率固体连续激光器和12kW大功率CO_2激光器中的应用。试验结果得到:盲信号分离算法对声信号的降噪和特征信号的提取,以及Beamforming对于激光焊接过程声源的定位与跟踪上,效果较好。而且,计算所得到的结果与试验的结果相符,这为激光焊接过程质量检测技术在实际工程中的应用提供了解决方案。


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