混沌弱信号检测法在齿轮裂纹声发射检测中的应用
姚晓山1,2) 张永祥1) 明廷锋1) 刘诗华1)
(海军工程大学船舶与动力学院1) 武汉 430033) (空军雷达学院军通系2) 武汉 430019)
摘要：分析了Duffing振子的间歇混沌发生原理。研究了基于Duffing方程间歇混沌理论的混沌弱信号检测法，该方法对周期小信号具有敏感特性，能够在强噪声环境下实现对微弱周期小信号的检测。分别采用频谱分析法和混沌弱信号检测法对齿轮裂纹声发射实验数据进行检测，结果表明混沌弱信号检测法具有更高的检测精度和更强的抗干扰能力。
关键词：Duffing振子；间歇混沌；声发射；齿轮裂纹；监测
中图法分类号：U671.99；TK421 DOI：10.3963/j.issn.1006-2823．2009.02.031
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材料或结构受力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射(AE)。通过对声发射信号的检测和分析处理就可以推断材料内部发生的结构变化。由于AE检测具有实时、动态、灵敏的特点，声发射已发展成为设备无损检测和在线安全监测的重要手段[1]，在诸多领域得到了广泛的应用，例如大型储罐的在线检测、压力管道泄漏检测、阀门检漏等．实践表明声发射技术对于这类静止不动的检测对象有很好的应用效果，但对于齿轮装置的状态监测来说，一方面齿轮运行常伴随着强烈的振动和噪声，而声发射信号本身又是一种微弱信号，很容易湮没在强背景噪声中；另一方面声发射传感器一般放置在箱体等非运动部件上，齿轮上产生的裂纹声发射信号要经过轴、轴承及箱体等零件才能到达传感器，必然会导致严重的衰减，这也是制约声发射技术在齿轮状态监测领域应用的重要原因[2]。因此，研究强背景噪声中的微弱声发射信号的检测具有十分重要的意义。
近年来，利用混沌的性质检测噪声中的微弱有用信号已成为混沌工程学的研究热点之一[3]，作为一种典型的混沌系统，Duffing振子在微弱超声信号检测中的应用包括2种方法[4]：(1)利用Duffing振子的间歇混沌对噪声具有免疫力来检测信号，亦即混沌弱信号检测法．这种方法实现简单、成本低，具有应用价值；(2)利用噪声激励Duffing振子发生随机共振来检测信号．由于噪声是随机的、难以控制的，所以利用噪声激励Duffing振子，在实际操作上有很大的难度。
本文在对混沌弱信号检测法进行分析的基础之上，结合齿轮裂纹实验数据，研究了该方法在齿轮裂纹检测中的应用，并对其结果与频谱分析法进行比较，通过比较可以看出，其检测性能得以大大提高。
