（材料学专业论文）基于时序理论的超声回波信号拟合技术研究.pdf

h j j，、。一，矿 曙 铲 f _，盖l 0 j一产 犟于时序理论的超声回波信号拟合技术研究 摘要 随着现代工业技术的迅速发展，无损检测技术发挥着越来越重要的作用， 可以说无损检测技术的发展水平，是一个国家工业化水平高低的重要标志。超 声波无损检测技术由于其穿透能力强，对材料和人体无损害，使用方便等优点， 成为无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。 超声检测的回波信号中含有大量与材料性质相关的信息，这些信息主要包 括：材料的组织状态，缺陷的分布、大小与类型等。能否有效地提取反映材料 性质的信息并给予正确的解释是正确地表征材料性能、对材料质量进行评价的 重要课题。 “信号分析与处理技术 是材料超声无损评价的基础性研究工作，受到了 n d t 人员和材料工作者的高度关注。研究发现，当对钢材的组织状态进行超声 无损评价时，可将超声回波信号进行数学拟合。在以拟合方程重现回波信号的 基础上，进而利用数学的逻辑性和严密性来求证同一钢种的不同组织状态与超 声回波信号的相关性及组织演变的规律性，对于此国内外文献尚鲜见报导。 本文选取珠光体球化级别不同的2 0 4 钢为试样，通过实验分别测量各个样 品的超声回波信号；然后，采用s a p 技术对超声回波信号进行剖析，利用时 间序列分析方法，建立相应时域信号的数学模型：最后，以模型的参数为特征， 对不同试样的超声回波信号进行模式识别。研究结果表明：对一个数字化超声 回波信号而言，用指数周期组合模型拟合其确定性信号，用a r ( p ) 模型拟合 其随机性信号，两个拟合信号的叠加形式有效地反演了原始信号；以确定性信 号的模型参数为特征值，能够有效地对珠光体球化级别不同的2 0 。钢进行模式 识别。 关键词：超声回波信号分析与处理时间序列模式识别 i 笨于时序理论的超声矧波信吁拟合技术研究 a b s t r a c t o nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r yt e c h n o l o g y ，n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ( n d t ) i sp l a y i n gam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e t h ed e v e l o p i n gl e v e lo fn d ti sa ni m p o r t a n t s y m b o lw h i c he m b o d i e sac o u n t r y si n d u s t r i a l i z a t i o nl e v e l u l t r a s o n i ct e s t i n gb e c o m e s o n eo ft h em o s ta c t i v en d tt e c h n o l o g i e si nt h ea s p e c to fa p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha s s t r o n gp e n e t r a t i n ga b i l i t y ，h a r m l e s s n e s sa n d b e i n gu s e de x p e d i e n t l y a g r e a td e a lo fi n f o r m a t i o nw h i c hi sr e l a t e dt om a t e r i a lp r o p e r t yi si n c l u d e d i nu l t r a s o n i ct e s t i n ge c h o ，s u c ha so r g a n i z a t i o ns t a t u so fm a t e r i a l s ，t h ed i s t r i b u t i o n ， s i z ea n dt y p eofd e t e c t i o na n ds oo n w h e t h e rt h ei n f o r m a t i o nw h i c hi m ag e s m a t e r i a l p r o p e r t y c a nb ep i c k e du p e f f e c t i v e l y i sa ni m p o r t a n tq u e s t i o no f c h a r a c t e r i z i n gm a t e r i a lp r o p e r t ya n de v a l u a t i n gm a t e r i a lq u a l i t ya c c u r a t e l y “s i g n a la n a l y s i s a n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ”i sab a s a ls t u d yw o r ko f m a t e r i a lu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n w h i c hc a t c hn d tp e r s o n n e la n d m a t e r i a ls t a f f sh i g h - a t t e n t i o n i ti sf o u n dt h a tw h e nt h eo r g a n i z a t i o ns t a t u so f s t e e li se v a l u a t e db yu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n u l t r a s o n i ce c h oc a nb e f i t t e dm a t h e m a t i c a l l y i ti ss t i l lr e p o r t e dr a r e l yi nd o m e s t i ca n do v e r s e a sl i t e r a t u r e t h a to nt h eb a s i so fu s i n gf i t t i n gf u n c t i o nt oe m e r g ee c h o ，t h er e l a t i v i t yb e t w e e n t h es a m es t e e l sd i f f e r e n to r g a n i z a t i o ns t a t u sa n du l t r a s o n i ce c h oa n dt h er u l eo f o r g a n i z a t i o nt r a n s f o r m a t i o ni sp r o o f e db ym a t h e m a t i cl o g i c a l i t ya n ds t r i c t n e s s i nt h i sp a p e r ，2 0 4s t e e ls a m p l e sw i t hd i f f e r e n tp e a r l i t es p h e r o i d i z i n gl e v e l a l - e s e l e c t e d u l t r a s o n i ce c h o e so fa l ls a m p l e sa r er a c k e du pt h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e n u l t r a s o n i ce c h o e sa r ea n a l y z e db ys a pt e c h n o l o g ya n dm a t h e m a t i cm o d e l sr e l a t e d t ot i m e d o m a i ns i g n a la r ef o u n d e db yt i m e s e r i e sa n a l y s i sm o d e ，f i n a l l yu l t r a s o n i c e c h o e so fd i f f e r e n t s a m p l e s a r er e c o g n i z e d b yu s i n g m o d e l s p a r a m e t e r a s c h a r a c t e r i s t i c i tt u r n so u tt h a tt oad i g i t a lu l t r a s o n i cs i g n a l ，c e r t a i ns i g n a li sf i t le b ye x p o n e n t i a l p e r i o d i cc o m b i n e dm o d e la n dr a n d o ms i g n a li s f i t t e db ya l ( ；? m o d e l t h ec o m b i n a t i o no ft h et w of i t t i n gs i g n a le m e r g e st h eo r i g i n a ls i g t 。a ；c e f f e c t i v e l y a n d2 0 4s t e e ls a m p l e sw i t hd i f f e r e n tp e a r l i t es p h e r o i d i z i n gl e v e la i e r e c o g n i z e de f f e c t u a l l yb yu s i n gm o d e lp a r a m e t e ro f c e r t a i ns i g n a la sc h a r a c t e r i s t i c v a l u e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ce c h o s i g n a la n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g t i m es e r i e s p a t t e r nr e c o g n i t i o n 神 j 一 ， 基十时序理论的超声回波信号拟合技术研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 无损检测1 1 1 1 无损检测概述1 1 1 2 无损检测的发展l 1 1 3 无损检测的作用3 1 2 超声波检测3 1 2 1 超声波检测概述3 1 2 2 超声检测技术的发展4 1 2 3 超声检测技术的应用5 1 3 信号分析与处理技术6 1 3 1 信号分析与处理技术概述6 1 3 2 研究概况及发展趋势7 1 3 3 信号处理与模式识别的应用7 1 4 本课题研究的意义和应用价值8 1 - 4 1 研究的意义8 1 4 2 应用价值9 1 4 3 发展前景9 第二章实验原理1 0 2 1 超声检测方法及其工作原理1 0 2 1 1 共振法1 0 2 1 2 透射法l o 2 1 3 脉冲反射法儿 2 2 超声波信号的数字化1 2 2 3 信号的分类1 3 2 4 信号分析与处理原理1 4 基于时序理论的超声回波信号拟含技术研究 2 4 1 数据的预处理1 4 2 4 2 确定性信号中趋势项的提取1 4 2 4 3 随机性信号的时序分析建模1 7 2 5 特征提取与优化3 3 2 5 1 特征值预处理3 3 2 5 2 特征值选择与评价3 3 2 6 模式识别3 7 2 6 1 模式识别的迭代算法3 7 2 6 2 正态分布的贝叶斯分类器3 7 第三章实验过程及结果4 0 3 1 试样的制备4 0 3 ，2 金相试样制备及金相观察4 0 3 3 超声波回波信号的获取4 3 3 3 1 实验装置系统的组成4 3 3 3 2 近场长度的计算4 3 3 3 3 采样失真分析4 1 3 3 4 超声波信号的获取4 4 第四章建模过程与模式识别4 5 4 1 信号的预处理”4 5 4 2 确定性信号的拟合4 6 4 3 随机性信号的建模4 7 4 3 1 随机性信号的提取4 7 4 3 2 统计特性检验4 8 4 3 3 自相关函数和偏相关函数的截尾性判定4 9 4 3 4 模型参数估计5 l 4 4 拟合精确度的讨论5 2 4 4 1 拟合效果5 2 4 4 2 拟合的精确度5 3 4 5 特征提取与优化5 4 l v ， 基于时序理论的超声回波信号拟合技术研究 4 6 模式识别5 5 第五章结论与展望5 8 5 1 结论5 8 6 2 展望5 8 附录5 9 参考文献6 5 致谢6 6 v 一 一 一 基于时序理论的超声回波信号拟合技术研究 1 1 无损检测 第一章绪论 1 1 1 无损检测概述 无损检测以不损害被检对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学 现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效地检验和测试，借以评价它 们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。检测包括探伤和测量， 探伤包括缺陷类型、形状、大小、位置、取向和分布等，测量包括厚度测量、 成分测定、组织状态与应力分布测定等【2 】。 无损检测方法有很多，适用于各种不同场合，其中最常用的是射线检测、 超声检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测五种常规检测方法。其它无损检测 方法中用得比较多的有声发射检测、红外检测和激光全息照相检测。 1 1 2 无损检测的发展 无损检测在工业产品中的首次应用一般认为是在第一次世界大战期间，德 国人使用x 射线检验双翼飞机的木制支撑件、大炮的弹筒和运输货物。美国 和日本的无损检测技术起源于上世纪3 0 年代。在中国，无损检测技术的正式 应用始于上世纪5 0 年代【j j 。 2 0 世纪7 0 年代至9 0 年代是国际无损检测技术发展的兴旺时期，其特点 是微机技术不断向无损检测领域移植和渗透，无损检测本身的新方法和新技术 不断出现，从而使得无损检测仪器的改进得到很大提高。金属陶瓷管的小型轻 量x 射线机、x 射线工业电视和图像增强与处理装置、安全可靠的y 射线装置 和微波直线加速器、回旋加速器等分别出现和应用。x 射线、y 射线和中子射 线的计算机辅助层析摄影术( c t 技术) 在工业无损检测中已经得到应用。超 声检测中的a 扫描、b 扫描、c 扫描和超声全息成像装置、超声显微镜、具有 多种信息处理和显示功能的多通道声发射检测系统，以及采用自适应网络对缺 陷波进行识别和分类，采用模数转换技术将波形数字化，便于存储和处理的 微机化超声检测仪均已开始应用。用于高速自动化检测的漏磁和录磁探伤装置 及多频多参量涡流测试仪，以及各类高速、高温检测、高精度和远距离检测等 技术和设备都获得了迅速的发展。微型计算机在数据和图象处理、过程的自动 化控制两个方面得到了广泛的应用，从而使某些项目达到了在线和实时检测的 水平。 复合材料、胶接材料、陶瓷材料以及记忆合金等功能材料的出现，为无损 检测提出了新的检测课题，故还需研究新的无损检测仪器和方法，以满足对这 些材料进行无损检测的需要。 长期以来，无损检测有3 个阶段，即n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n ) 、 n d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 和n d e ( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ) 。目前一般统 称之为无损检测( n d t ) 。2 0 世纪后半叶无损检测技术得到了迅速的发展，从 无损检测的三个简称及其工作内容中( 见表1 1 ) ，便可清楚地了解其发展过程。 基于时序理论的超声州波信学拟合技术研究 实际上国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从n d i 和n d t 阶段向n d e 阶段过渡，即用无损评价来代替无损探伤和无损检测。在无损评价( n d e ) 阶 段，自动无损评价( a n d e ) 和定量无损评价( q n d e ) 是该发展阶段的两个 组成部分。他们都以自动检测工艺为基础，非常注意对客观( 或认为) 影响因 素的排除和解释。前者多用于大批量、同规格产品的生产、加工和在役检测， 而后者多见诸于关键零部件的检测。 表1 1无损检测的发展阶段及其基本工作内容简介 t a b l e1 1b r i e fi n t r o d u c t i o ni nt h ed e v e l o p i n gp e r i o da n db a s i cc o n t e n to f 一 旦q 翌：皇呈! ! ! 竺! ! i 皇! ! ! ! i 璺曼 第一阶段第二阶段 第三阶段 不但要进行最不但要进行最终产品的检验以 主要用于终产品的检验，还及过程工艺参数的测量，而且当认 产品的最终检要测量过程工艺参为材料中不存在致命的裂纹或大的 验，在不破坏产数，特别是测量在缺陷时，还要： 品的前提下，发 加工过程中所需要1 从整体上评价材料中缺陷的 基本现零部件中的的各种： 艺参数。分散程度 工作缺陷( 含人眼观诸如温度、压力、 2 在n d e 的信息与材料的结构 内容察、耳听诊断密度、粘度、浓度、性能( 如强度、韧性) 之间建立联 等) ，以满足t ：成分、液位、流量、 系 程设计中对零压力水平、残余应3 对决定材料的性质、动态响 部件强度设计力、组织结构、晶 应和服役性能指标的实测值( 如断 的需要。粒大小等。裂韧性、高温持久强度) 等因素进 行分析和评价。 我国无损检测技术随着现代化工业水平的提高，已取得了很大的进步，已 建立和发展了一支训练有素、技术精湛的无损检测队伍。可以乐观地说，今后 在我国，无损检测行业将是一个人才济济的新天地。很多工业部门，近年来亦 大力加强了无损检测技术的应用推广工作。 与此同时，我国已有一批生产无损检测仪器设备的专业厂，主要生产常规 无损检测技术所需的仪器、设备。虽然，我国的无损检测技术和仪器设备的水 平，从总体上讲仍落后于发达国家15 2 0 年，但一些专门仪器设备( 如x 射 线探伤仪、多频涡流仪、超声波探伤仪等) 都逐渐采用电脑控制，并能自动进 行信号处理，这就大大提高了我国的无损检测技术水平，有效地缩短了中国与 发达国家之间无损检测技术的差距。 2 基于时序理论的超声回波信q 拟合技术研究 无损检测技术的发展，首先得益于电子技术、计算机科学、材料科学等基 础学科的发展。同时，也由于该技术广泛应用在产品设计、加工制造、成品检 验，以及在役检测等阶段，并都发挥了重要作用，因而愈来愈受到人们的重视 并得到有效的经济投入。从某种意义上讲，无损检测技术的发展水平，是一个 国家工业化水平高低的重要标志，也是在现代企业中，开展全面质量管理工作 的一个重要标志。有资料认为，目前世界上无损检测技术最先进者当属美国， 而德国、日本是将无损检测技术与工业化实际应用协调得最为有效的国家【ij 。 1 1 3 无损检测的作用 无损检测与评价技术在控制和改进产品质量，保证材料、零件和产品的可 靠性，保证设备的安全运行以及提高生产效率、降低成本等方面都起着重要的 作用，是发展现代工业和科学技术必不可少的重要措施之一。可以说，无损检 测与评价技术的发展程度标志着一个国家的工业水平【4 j 。 无损检测的作用可以主要从三个方面予以阐述： 质量管理 无损检测的主要目的之一，就是对非连续加工( 如多工序生产) 或连续加 工( 如自动化生产流水线) 的原材料、零部件提供实时的质量控制，在质量控 制过程中，将所得到的质量信息反馈到设计与工艺部门，便可反过来促使其进 一步改进产品的设计与制造工艺，产品质量必然得到相应的巩固与提高，从而 收到降低成本、提高生产效率的效果。 在役检测 使用无损检测技术对装置或构件在运行过程中进行监测，或者在检修期进 行定期检测，能及时发现影响装置或构件继续安全运行的隐患，防止事故的发 生；更重要的是能根据所发现的早期缺陷及其发展程度( 如疲劳裂纹的萌生与 发展) ，在确定其方位、尺寸、形状、取向和性质的基础上，对装置或构件能 否继续使用及其安全运行寿命进行评价。 质量鉴定 对于制成品( 包括材料、零部件) 在进行组装或投入使用之前，应确定其 是否达到设计性能，能否安全使用。应用无损检测技术在铸造、锻压、焊接、 热处理以及切削加工的每道( 或某一种、某几种) 工序中，检测材料或部件是 否符合要求，以避免对不合格产品继续进行徒劳无益的加工。 1 2 超声波检测 超声检测技术是一种重要的无损检测技术，它广泛地应用于现代工业领域 和高技术产业之中，诸如材料工业、机械工业、石油化工、水文地质和宇航、 能源等领域【5 1 。 1 2 1 超声波检测概述 超声波检测一般是指使超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波 基于时序理论的超声回波信号拟合技术研究 进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变 化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术【2 】。 超声波是超声振动在弹性介质中传播的机械波，其频率高于2 0 k h z 。工业 超声检测常用的工作频率为0 5 lo m h z 。较高的频率主要用于细晶材料和高 灵敏度检测，而较低的频率则常用于衰减较大和粗晶材料的检测。 超声波用于无损检测的特点主要有： ( 1 ) 超声波的方向性好，利用超声波可在被检对象中进行有效的探测。 ( 2 ) 超声波的穿透能力强；对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。 ( 3 ) 超声波的能量高：研究表明，材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携 带有丰富的信息，并且成为广泛应用超声波的基础。 ( 4 ) 超声波在介质中传播时，遇到界面将产生反射、折射和波形的转换【l 】。 1 2 2 超声检测技术的发展 超声检测技术的实际应用起源于二十世纪二十年代。约在19 2 9 年，第一 次报导了将超声用于材料检验。两位研究人员一苏联的s y s o k o l o v 和德国的 q m u h l h a u s e r 共享超声波首先用于材料无损检验的荣誉。s o k o l o v ( 19 2 9 ) 首 先提出用超声波以穿透法来寻找金属中隐藏的不连续性；m u h l h a u s e r 得到了超 声无损检测领域中的第一个专利，提出了工业应用方案。他和s o k o l o v 的方法 都基于超声连续波。另几位在二十世纪三十年代在超声领域中作出贡献的有 d s s h r a i b e r ，f k r u s e ，a g i a c o m i n i 和a b g i a c o m i n i t 6 1 。 在二次世界大战中，雷达技术和脉冲技术的发展以及战争的需要，大大促 进了超声检测技术的发展。19 4 4 年美国的f a f i r e s t o n e 发表采用超声脉冲法 的探伤仪的报告，19 4 6 年英国d o s p r o u l e 制成a 型脉冲反射式超声波探伤 仪，并用于钢材的探伤。到了二十世纪5 0 年代，a 型脉冲反射式超声探伤仪 己广泛应用于世界先进工业国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。l9 6 4 年前 联邦德国k r a u t k r i i m e r 公司研制成功小型超声探伤仪，其主要性能指标取得了 突破性的进展，标志着跨入了近代超声探伤技术阶段p j 。 在二十世纪七八十年代，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规 模集成电路、计算机技术的迅速发展，数字化、自动化、智能化超声检测和超 声成像技术变成了热点”】。目前在若干领域超声检测开始向超声无损评价发 展，使得超声检测内容有了新的内涵，从超声检测新技术的应用来看，它包含 了许多内容，如超声波应力与残余应力测量技术、超声显微镜技术及超声层析 成象技术、超声导波技术、声发射新技术、新型非接触超声换能方法及超声信 号处理与模式识别等等 7 1 。另一方面，由于各种新型材料特别是高性能功能材 料的发展( 如先进复合材料、功能陶瓷材料、微电子材料等) ，大大扩展了超 声检测技术的应用范围，超声检测技术与断裂力学和连续介质力学发生了更加 深入密切的联系，在工业领域中得到广阔的用武之地 j 。 从国外近年来出版的文献资料中可以看出，有关超声检测的文献最多，达 到4 3 一4 6 。这说明作为无损检测手段，超声检测技术研究得最多。从我国 最近几年发表的无损检测文献来看，大致也是这种趋势。以2 0 0 3 年9 在苏州 4 r 基于时序理论的超声回波信号拟含技术研究 召开的第八届全国无损检测大会上发表的论文来看，在5 种常规无损检测方法 中，超声约占4l 。 1 2 3 超声检测技术的应用： 超声波检测技术是工业无损检测技术中应用最为广泛的检测技术之一，也 是无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。 1 2 3 1 典型构件的超声检测技术 大型锻件超声检测 锻件中可由超声检测发现的缺陷主要分两类：一类是在材料制造工艺过程 中形成的缩孔、疏松、夹杂与偏析等；另一类是在金属热加工过程中形成的白 点、裂纹和晶粒粗大等。 通常，大型锻件的超声检测一般采用2 5 m h z ；检测方法广泛采用直探头 纵波脉冲反射法，有时还要用斜探头进行补充性检测：轴类锻件以圆周检测为 主，必要时辅以两端面的探测；对于方形锻件，则应在相互垂直的两个端面上 进行检测。 铸件缺陷的检测 在铸铁件检测时，一般选用较低的超声波频率，铸钢件的穿透性比铸铁件 要好，所以可选用2 5 m h z 的检测频率。缺陷类型往往以体积型缺陷为主，常 有多种形状和性质的缺陷混在一起，且以铸件中心、冒口和浇口附近较多。常 见的缺陷有缩孔、疏松、夹渣、夹砂、气孔和铸造裂纹等。 对不同类型和材质的铸件进行超声检测时，一般大都采用底波衰减法，根、： 据底波的衰减程度来评价铸造质量。 小型压力容器壳体超声检测 小型压力容器壳体是由低碳不锈钢造成形的，经机械加工后成半球壳状， 对此类锻件进行超声检测，通常以斜探头横波检测为主，辅以表面波探头检测 表面缺陷。 复合材料 复合材料粘合质量的检测主要有脉冲反射法、脉冲穿透法和共振法。 各类构件焊缝的超声检测 超声检测常遇到的缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等。焊 缝探伤主要用斜探头( 横波) ，有时也可使用直探头( 纵波) 。探测频率通常为 2 5 5 m h z ，应主要依据工件厚度进行探头角度的选择。 非金属材料检测 超声波在非金属材料中的衰减，一般都比金属大，多采用低频率检测，一 般为2 0 2 0 0 k h z ，也有的用2 5 m h z ，为了获得较窄的声束，需采用尺寸较大 的探头。 1 2 4 ，2 声波测量技术 超声波测量技术的基本原理是利用介质的声学特性与某些待测的工业非 声学量之间存在的函数关系或相关性，并探索这些关系的规律，以便于通过这 些声学量的测量来测定那些工业非声学量。超声波测量技术主要包括： 基于时序理论的超声蚓波信呼拟合技术研究 声速测量 超声波测厚 超声波衰减系数的测定 超声波测量液位 超声波测定流量 超声波测量温度 超声波测量硬度和超声波测量粘度、浓度等。 随着电子技术和计算机技术的迅速发展，超声检测的新技术层出不穷，其 中超声信号分析与处理技术引起了国内外学者的广泛关注，成为超声检测技术 一 研究的一大焦点。 1 3 信号分析与处理技术 1 3 。1 信号分析与处理技术概述 信号是信息的载体，为了有效地获取信息以及利用信息，必须对信号迸行 分析与处理。可以说，对信息的利用程度在一定意义上取决于信号的分析与处 理技术。 信号分析最直接的意义在于通过解析法或测试法找出不同信号的特征，从 而了解其特性，掌握它随时间或频率变化的规律。信号处理是指通过对信号的 加工和变换，把一个信号变换成另一个信号的过程。也可以把信号处理理解为 为了特定的目的，通过一定的手段改造信号。只有通过信号的分析，充分了解 信号的特性，才能有效地发现和处理出有用信息，可见信号分析是信号处理的 基础。另一方面，通过对信号的一定加工和变换，可以突出信号的特征，便于 有效地认识信号的特性。从这一意义上说，信号处理又可认为是信号分析的手 段【8 1 。 超声检测的回波信号中携带着大量的有用信息，这些信息与被检对象中存 在的缺陷、材料的组织状态与性能、工件中的应力等相关。然而，这些信息往 往以某种方式隐含在所获取的信号之中，因为通过传感器接收到的信号总是伴 有随机噪声，且在许多情况下，信噪比较差。采用一般的方法往往难以从信号 中提取有用的信息，这就要借助于信号分析处理技术将其从信号中分离出来。 信号分析和处理不仅用在信噪比很不好的情况，而且还用于要求自动判断、大 量数据的分析和实时分析数据等情况。另外，借助于信号处理技术可使超声检 测输出的信息便于理解和解释。 因此，信号处理与信号分析技术不仅仅可作为超声检测的辅助技术，而且 还是现有检测工艺的技术基础和有益的延伸，是超声检测进入全自动化制造系 统，并在无损评估中采用专家系统等人工智能技术，以达到对材料与部件在线 智能评估的重要工具p j 。 在信号分析与处理技术中，模式识别技术是研究的较多的一门新技术。所 谓模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是指运用机器和分析算法进行分类 ( c l a s s i f i c a t i o n ) 和识别( r e c o g n i t i o n ) 。为了能让机器执行和完成识别任务， 6 基于时序理论的超声回波信号拟合技术研究 必须首先将分类识别对象有用的信息输入计算机中。为此，应对分类识别对象 进行科学的抽象，建立它的数学模型，用以描述和代替它，我们称这种对象的 描述为模式( p a t t e r n ) 。模式是事物的数学模型之一，是事物的代表，它可以 代表某一个体，也可以代表某一娄个体，模式识别是根据研究对象的特征或属 性运用一定的分析算法认定它的类别，要求分类识别的结果尽可能地符合事 实，一般地要利用某种计算装置，当前主要地是利用电子计算机或专用的单片 机进行具体的识别工作【l 。 1 3 2 研究概况及发展趋势 在超声检测领域s a p 技术中，除采用一般的数字滤波，频谱分析等某些 近代技术，还包括模式集群分析、时间渡越衍射技术( t o f d ) 、合成孑l 径聚焦 技术、自适应学习网络、神经网络、模式识别与分析等现代化工具。采用这些 新的信号处理技术后，可以提高检测的灵敏度，尤其在信噪比差的情况下能获 得较好的效果。目前，无损检测领域中s a p 方面的研究成果愈来愈多，较为 突出的是将人工神经网络用于缺陷类型、大小的识别。其中有代表性的是 m l o r e n z 等以超声回波富氏谱作为特征量来训练人工神经网络，实现对钢板中 缺陷类型的识别；j j t h o m s e n 等利用人工神经网络实现复合材料中缺陷类型 的识别，所选的特征量是超声回波信号的功率谱密度。利用人工神经网络对缺 陷大小进行识别的研究成果较少，但也有报道，较典型的是l n k o m s k y 等介 绍的以反射、透射幅度比作特征量时的结果【l 。 1 3 3 信号处理与模式识别的应用 超声无损检测信号处理与模式识别技术的目的【l2 】主要是：增强有用信号 及改善信号质量，使以自仃很难获取的信息被检测出来。对不同性质的缺陷进 行分类，达到定量检测的目的。下面从信号处理与模式识别的目的着手，综述 各种现代技术手段在此的应用。 1 3 3 1 目标信号的增强 材料微结构散射的抑制 由于微结构散射干扰信号与缺陷回波信号在频率成分上相差不太大，必需 采取某些特殊的手段处理。针对材料微结构散射的影响，2 0 世纪7 0 年代末、 8 0 年代初产生了一种分离谱技术( s p l i ts p e c t r u mp r o c e s s i n g ) 1 3 1 ，也有人利用 小波变换提高强散射材料超声检测的信噪比。自适应滤波是抑制散射回波的较 新方式【1 4 l 。自适应滤波器的一个问题是建立平衡的自适应系统需要一定的时 间，因此最近出现了用人工神经网络自适应滤波器降低材料结构噪声的方法。 界面反射的消除 w i e n e r 滤波是国外学者较多采用的信号处理方法，它具有性能稳定的优 点，自适应滤波技术同样能适应于界面回波的消除。还有很多增强超声检测信 号的特殊方法，如空间处理技术、w i e g n e r 变换的时频处理技术以及多变量处 理与识别技术，还有将非线性科学中孤立子理论用于强干扰的检测5 1 。 基于时序理论的超声【口l 波信号拟合技术研究 1 3 3 2 定量检测与材料评价 定量检测 定量检测属于科学研究中的逆问题【i6 1 ，即由检测信号反推得到被测物体内 部，获得定量化的检测结果。但实际材料的复杂性以及超声波与材料微结构相 互作用的复杂性，使得这类逆问题的研究还很不完善。定量评价缺陷时，首先 要做的工作是解卷积，解卷积的方案有高阶谱解卷积、b o r n 近似法解卷积、 h a r t l e y 变换解卷积以及小波变换解卷积等。近年来有人尝试用自适应滤波器 方法解卷积。定量评价缺陷要解决的又一难题是如何根据信号的各种特征确定 缺陷的量化指标。早期主要以缺陷回波的傅立叶变换为基础，建立缺陷回波的 特征如谱峰宽度、谱峰在频域上的位置和主峰与次峰高度的比值等以及倒谱的 若干特征，时域特征( 相关函数和波形形状) 。近年来还有学者用波形的分形 ， 特征( 或分散维) 来表征缺陷。通过选定的特征参数，带微机的超声波检测系 统可自动地定量判断缺陷，显然这时的检测系统具有人工智能的特点。 由于根据若干特征进行缺陷反演有不稳定的隐患，加之自然缺陷比较复杂， 因此实际超声检测时将自然缺陷归为人工缺陷某一类的做法有时会出现错误， 模糊数学与人工神经网络为解决这种工程问题提供了切实可行的途径。鉴于模 糊数学与人工神经网络的多模式准确识别能力及发展潜力，近年定量超声无损 检测与评价研究中较多采用这两种方法。 材料评价 现在越来越多的研究工作涉及材料质量评价。实际上，缺陷的定量检测有 时也可算作材料评价的一部分。在此材料评价是指材料整体的质量与| 生能评 价。典型的材料评价任务之一是材料组织或晶粒大小的评价【j 引，如粗晶材料晶 粒大小估计，混凝土组织疏松与致密程度估计和金属材料淬火硬化过程中硬化 层深度的评估等。 随着复合材料的不断涌现，人们对其制造及使用过程中的质量控制也不断 有新要求。由于复合材料结构的特点，其质量问题更多是整体性能的评价而非 单个孤立缺陷，因此材料评价对复合材料而言有特别的意义。典型的复合材料 结构是层状的，层状结构的一个突出问题是粘接质量的好坏。利用层状介质频 散方程建立层状结构质量的无损评价手段是近年来国内外学者开辟的新遗二叠 【1 7 1 。 1 4 本课题研究的意义和应用价值 1 4 1 研究的意义， 超声检测的回波信号( e c h o ) 中含有大量与材料性质相关的信息，能否有 效地提取反映材料性质的信息并给予正确的解释是正确地表征材料性能、对材 料质量进行评价的重要课题。信号分析与处理技术是材料超声无损评价的基础 性研究工作，得到了n d t 人员和材料工作者的高度关注。但是将超声回波信号 进行数学拟合，在以拟合方程重现回波信号的基础上，进而利用数学的逻辑性 和严密性来求证同一钢种的不同组织状态与超声回波信号的相关性及组织演 ， 恭于时序理论的超声i 叫波信号拟合技术研究 变的规律性，这种研究思路国内外文献尚鲜见报导。本文采用s a p 技术对信号 进行剖析，利用超声回波信号的时序模型拟合方法【i 引，建立相应时域信号的数 学模型，再通过特征选择方法确定最佳特征量子集，在此基础上对信号进行分 类识别，以提高检测的精度，为正确评价材料提供科学的依据。 该研究有利于实现建立从声信号的采集到信号的识别全过程的完整体系， 更好地发挥超声检测法在无损检测中的作用；有利于引发新的研究方向，开拓 新的研究领域；有利于促进无损检测向自动化方向发展，做成集超声信号的采 集、分析、处理、图形显示、打印及自动评级于一身的系统软件，大大提高超 声检测的速度和精确度。 回顾历史，环看现在，展望未来，本课题在超声检测时域分析中正好起到 了承前启后的作用，可见本课题的研究在超声检测时域领域里占有重要地位。 1 4 2 应用价值 随着超声检测技术在生产、生活中所受到的广泛关注，和应用领域的不断 扩大，信号分析与处理技术在超声检测过程中也起到了更加重要的作用。它使 超声检测技术进入全自动化制造系统，并在无损评价中采用专家系统人工智能 技术，以使对材料与部件在线智能评价成为可能。信号分析与处理技术在无损 检测中的应用，也使得无损检测技术的应用领域更加广泛，更加适应不同领域 和不同生产活动的需要。本课题属于无损检测领域信号分析与处理方面的基础 性研究工作。 在信号的分析技术发展中，以往的大都是缺陷的检出与辨识，利用断裂力 学对材料的损伤进行评价，例如a 型扫描、b 型扫描、c 型扫描、超声成像等。 但根据材料的损伤理论分析，材料( 或零部件) 的损伤与应力、应变、材料的 内部组织演变等有关，在这些行为的发生和发展过程中，应力是外因，是损伤 产生的条件；材料内部的组织状态与其强度、韧性有一定的对应关系，或者洗 材料内部的组织状态决定了其强度、韧性等( 这里暂不涉及机械设计问题) ， 材料内部的组织状态的演变是内因。因此，观测材料内部的组织状态的演变、 描述其变化的规律性就成了材料无损评价研究的关键和难点。本课题立足于信 号采集规范化这一基础性工作，以信号的分析程序化作为主要工作内容，为实 现材料无损评价的自动化开辟了一条新的途径。 1 4 3 发展前景 目前，信号分析与处理技术的发展为提高超声检测的可靠性提供了有效手 段，已引起国内外学者的广泛关注。信号分析与处理技术是解决从超声信号中 将反映被检对象的信息( 特征) 提取出来的必经之路。目前，s a p 技术主要用 于对裂纹和缺陷超声波信号的识别f 9 l 。尽管用于表征材料特征的信息有很多， 但超声波信号特征值的提取、特征值规律的确定及评价方法仍处于摸索阶段， 有关此方面的文章鲜有报道。因此，这也是一个新颖的课题，值得我们去探索。 9 基十时序理论的超声吲波信号拟合技术研究 第二章实验原理 本章将要介绍的是超声检测方法的工作原理、信号分析与处理的原理以及 时间序列建模分析法，这些是本研究课题所依据的理