Лазерное ультразвуковое обнаружение слабых дефектов на основе осциллятора Дуффинга

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается проблема традиционных лазерных ультразвуковых методов, когда обнаружению поверхностных дефектов в металлических материалах часто препятствует шум, и предлагается новый подход, сочетающий лазерный ультразвук с осцилляторами Дуффинга для достижения высокого соотношения сигнал/шум для слабых сигналов от дефектов на металлических поверхностях. Используя чувствительность хаотической системы осциллятора Дуффинга к начальным условиям и его помехоустойчивость, мы можем точно определить местоположение слабых дефектов. Результаты моделирования подтверждают эффективность и стабильность этого метода для обнаружения поверхностных дефектов в металлических листах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Пэн Хуэй

Университет Цзюцзян

Email: 270401671@qq.com
Китай, Цзюцзян, Цзянси

Цзэн Вэй

Университет Цзюцзян

Автор, ответственный за переписку.
Email: 270401671@qq.com
Китай, Цзюцзян, Цзянси

Список литературы

  1. Jalilvand A., Fotoohabadi H. The Application of Duffing Oscillator in Weak Signal Detection // ECTI Transactions on Electrical Engineering, Electronics and Communications. 2011. V. 9 (1). P. 1—6. https://doi.org/10.37936/ecti-eec.201191.172249
  2. Martynyuk V., Fedula M., Balov O. Periodic Signal Detection with Using Duffing System Poincare Map Analysis // Advances in Science and Technology Research Journal. 2014. V. 8. (22). P. 26—30. https://doi.org/10.12913/22998624.1105158
  3. Rashtchi Vahid, Nourazar Mohsen. A Multiprocessor Nios II Implementation of Duffing Oscillator Array for Weak Signal Detection // Journal of Circuits Systems and Computers. 2014. V. 23 (4). P. 1450054. https://doi.org/10.1142/S0218126614500546
  4. Gong Xuefang, Xu Wude, Ma Fanglan et al. Weak signal detection method based on improved double-coupled Duffing oscillator // Automation and Instrumentation. 2022. V. 10. P. 42—45+50. https://doi.org/10.14016/j.cnki.1001-9227.2022.10.042
  5. Zhao Bo, Yang Shaopu, Zhao Zhihong. Influence and analysis of Duffing equation parameters on weak signal detection // Journal of Shijiazhuang Railway University (Natural Science Edition). 2017. V. 30 (03). P. 39—42. https://doi.org/10.13319/j. cnki.sjztddxxbzrb
  6. Li Jinggui, Jin Wuyin. Weak signal detection method based on improved double-coupled Duffing oscillator // Instrument Technology and Sensor. 2021. V. 11. P. 21—125.
  7. Xing Hongyan, Wu Hui, Liu Gang. Variable-scale Duffing oscillator method for weak signal detection // Journal of Electronics. 2020. V. 48 (04). P. 734—742.
  8. Wei Hengdong, Gan Lu, Li Liping. Weak signal detection of Duffing oscillator based on Hamiltonian // Journal of University of Electronic Science and Technology of China. 2012. V. 41 (02). P. 203—207.
  9. Luo Wenhui. Research on weak signal detection method based on coupled chaotic system. Hunan University of Science and Technology, 2023. https://doi.org/10.27738/d.cnki.ghnkd.2021.000019
  10. Ning Aiping. Research on weak signal detection methods under chaotic background. Taiyuan University of Technology, 2006.
  11. Zeng Weiye. High-speed railway axlebox bearing fault diagnosis method based on Dufen stochastic resonance system. Chongqing University, 2022. https://doi.org/10.27670/d.cnki.gcqdu.2021.000738
  12. Li Jinggui. Weak mechanical fault signal detection based on double-coupled Duffing oscillator. Lanzhou University of Technology, 2021.
  13. Jiang Wei. Research on weak signal detection method and application based on two-dimensional Duffing stochastic resonance. Xi’an University of Technology, 2020.
  14. Chen Yuanjie, Huang Guoyong. Weak signal detection method based on improved Duffing oscillator // Journal of Electronic Measurement and Instrumentation. 2019. V. 33 (11). P. 1—6. https://doi.org/10.13382/j.jemi.B1902327
  15. Deeks Julian Leslie. Nonlinear signal processing techniques for signal detection. University of Southampton, Doctoral Thesis, 2018.
  16. Pancoatl-Bortolotti P., Enríquez-Caldera R.A., Costa A.H. et al. Liènard chaotic system based on Duffing and the Sinc function for weak signals detection // IEEE Latin America Transactions. 2022. V. 20 (8). P. 2114—2121. https://doi.org/10.1109/TLA.2022.9853234
  17. Birx D.L., Pipenberg S.J. Chaotic oscillators and complex mapping feed forward networks (CMFFNs) for signal detection in noisy environments / In Proc. International Joint Conference on Neural Networks (USA, 1992). V. 2. P. 881—888. https://doi.org/10.1109/IJCNN.1992.226876
  18. Wu Jing, Zhang Weiwei, Nie Zhenhua et al. Experimental study on positioning of small defects by ultrasonic guided waves in pipelines based on Lyapunov index // Vibration and Impact. 2016. V. 35 (01). P. 40—45+53. https://doi.org/10.13465/j.cnki. jvs.2016.01.008
  19. Wu Jing. Research on ultrasonic guided wave detection method based on Dufen equation. Taiyuan University of Science and Technology, 2014.
  20. Zhang Weiwei, Ma Hongwei. Simulation research on using chaotic oscillator system to identify ultrasonic guided wave signals // Vibration and Impact. 2012. V. 31 (19). P. 15—20. https://doi.org/10.13465/j.cnki.jvs.2012.19.008
  21. Sun Yanlong. Weak mechanical fault signal detection and feature extraction method based on Dafen oscillator. Yanshan University, 2017.
  22. Stoyanov Svetlin. Analytical and Numerical Investigation on the Duffing Oscilator Subjected to a Polyharmonic Force Excitation // Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2015. V. 45 (1). P. 3—16. https://doi.org/10.1515/jtam-2015-0001
  23. Patel V.N., Tandon N., Pandey R.K. Defect detection in deep groove ball bearing in presence of external vibration using envelope analysis and Duffing oscillator // Measurement. 2012. V. 45 (5). P. 960—970. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2012.01.047
  24. Nie Chunyan. Chaotic Systems and Weak Signal Detection. Beijing: Tsinghua university press, 2009.
  25. Zhang Weiwei. Pipeline ultrasonic guided wave and its chaos detection technology. Beijing: Electronic Industry Press, 2019.
  26. Gao Jinzhan. Detection of weak signals. Beijing: Tsinghua university press, 2004.
  27. Wei Zeng, Shikai Qi, Li Liu, Feiyan Yao. An quantitative inspection method for internal defects based on laser ultrasonic technology // Optik. 2020. V. 216 (6). P. 164873. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164873
  28. Zuo Ou-Yang, Wu Mei-Ping, Tang You-Hong. Numerical simulation of crack position determined by laser ultrasound based on COMSOL // Laser & Infrared. 2020. V. 50 (10). P. 1164—1171.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фазовая траектория системы Дуффинга под действием различных движущих сил.

Скачать (231KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Лазерные ультразвуковые сигналы, полученные при различных поверхностных дефектах: без поверхностных дефектов (а); 0,1×0,1 мм (б); 0,5×0,1 мм (в); 1,0×0,1 мм (г).

Скачать (383KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр лазерного ультразвукового сигнала с поверхностными дефектами и без них.

Скачать (145KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспоненциальная кривая Ляпунова и лазерные ультразвуковые сигналы дефектов с различной амплитудой: волновой сигнал без дефектов (а); 0,1×0,1 мм (б); 0,5×0,1 мм (в); 1,0×0,1 мм (г).

Скачать (493KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Фазовая траектория системы и кривая экспоненты Ляпунова: хаотическое состояние-2D (а); хаотическое состояние-3D (б); экспонента Ляпунова хаотического состояния (в); периодическое состояние-2D (г); периодическое состояние-3D (д); экспонента Ляпунова периодического состояния (е).

Скачать (385KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Экспоненциальная кривая Ляпунова и лазерный ультразвуковой сигнал с шумовыми волнами различной интенсивности: без шума (a); интенсивность шума 0,1 (б); интенсивность шума 0,5 (в); интенсивность шума 1,0 (г).

Скачать (512KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025