（机械设计及理论专业论文）摩擦焊超声检测信号的小波分形分析.pdf

西北工业大学硕r学位论文 摘要 本文以 航空发动机常用材料 g h 4 1 6 9高温合金摩擦焊接头的超声检测信号 为研究对象，提出了 基于小波与分形的摩擦焊超声检测信号去噪和缺陷的分类 识别方法。 针对摩擦焊接头伪结合缺陷信噪比低，难以准确检测等特点，分析摩擦焊 超声检测信号中的噪声特点及噪声在小波分解下的特性，利用小波去噪方法， 有效地对摩擦焊超声检测信号进行去噪处理，提取弱信号。首先，在探讨小波 变换理论及其去噪算法基础上，对比研究了小波闽值去噪方法与平移不变小波 去噪方法在两个典型测试信号h e a v y s i n e 及b u m p s 去 噪中 的 应用。 平移 不变小 波去噪方法的原理是:通过多次对所分析的信号进行时域上的循环平移， 将平 移后的信号进行软a值小波去噪处理，然后逆平移去噪后的信号，最终平均所 获得的结果，其直观描述为 平均 ( 平移去噪逆平移) 。试验证明， 平移不变去噪方法能够有效抑制小波闽值去噪过程中在信号奇异点附近产生的 人为千扰，大大提高了信噪比，具有较好的去噪效果。 建立摩擦焊超声检测信号的去噪模型，采用平移不变小波去噪方法对经预 处理过的摩擦焊超声检测信号进行去噪处理， 从而对信号的高频系数进行修改， 同时为抑制信号中的低频干扰， 在处理过程中还剔除了 信号最高层的低频系数。 该方法提高了检测信号的信噪比，为进一步对摩擦焊超声检测信号做定量、定 性分析做准备。 将分形理论应用于摩擦焊超声检测信号的定量、定性分析。采用小波变换 研究摩擦焊超声检测信号自相似性，结果表明摩擦焊超声检测信号序列中存在 分形结构，可以用分形维数来做定量描述。其次， 采用网格法，确定其无标度 区，并对不同类型的检测信号分别求盒维数。最后，将盒维数作为特征量，建 立信号类别和分形维数间的关系，实现缺陷的准确检测和分类。文中通过给出 不同类型检测信号维数的均值及方差， 说明了盒维数方法具有较好的统计特性。 试验表明，用分形方法进行摩擦焊缺陷的分类识别，分类结果与验证结果能够 很好的吻合，且此种分类识别方法需要的先验知识很低，既给出了状态变化的 量化指标，又减小了状态的表征参数，具有很好的可靠性，方法简单、直观。 关键词:摩擦焊超声检测伪结合小波变换分形 ab s t r a ct ab s t r a c t i n t h i s t h e s i s , t h e m a j o r e x p e r i m e n t a l o b j e c t i s u l t r a s o n i c s ig n a l d e t e c t e d f r o m f r i c t i o n w e l d i n g j o i n t s w h i c h i s m a d e f r o m g h 4 1 6 9 , a s o rt o f c o m m o n h i g h t e m p e r a t u r e a l l o y w h i c h is u s e d i n a e r o e n g i n e s . a m e t h o d b a s e d o n w a v e le t a n d f r a c t a l i s p u t f o r w a r d t o d e n o i s e a n d i d e n t i f y t h e d e f e c t s . a i m i n g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f fr i c t i o n w e l d i n g p s e u d o d e f e c t s ig n a l s , s u c h a s l o w s i g n a l n o is e r a t i o ( s n r ) , a n d b e i n g d e t e c t e d d i f f i c u l t l y , t h i s p a p e r a n a l y s e s c h a r a c t e r i s t i c o f n o i s e a n d p r o p o s e s a w a v e l e t d e n o i s i n g m e t h o d t o d e a l w it h t h e u l t r a s o n i c s i g n a l s . t h e i n t e n t io n i s t o r a i s e s ig n a l n o i s e r a t i o a n d e x t r a c t w e a k s ig n a l s f r o m t h e n o i s y s i g n a l s . f ir s t l y , o n t h e b a s i s o f w a v e l e t t r a n s f o r m t h e o r y a n d d e n o i s i n g a r i t h m e t i c , i t w a s c o m p a r a t i v e l y i n v e s t i g a t e d t o t h e d i ff e r e n c e o f d e n o i s i n g e f f e c t o f t w o d e n o i s i n g m e t h o d s a p p l i e d t o t y p i c a l s i g n a l s -h e a v y s i n e a n d b u m p s . t h e s e m e t h o d s a r e w a v e l e t s o ft t h r e s h o l d i n g d e n o i s i n g m e t h o d ( s t d ) a n d t r a n s l a t io n i n v a r i a n t d e n o i s i n g m e t h o d ( t i d ) . t h e d e - n o i s i n g m e t h o d b a s e d o n t r a n s l a t io n i n v a r i a n t p e r f o r m s t h e c y c l e - s p i n n i n g f o r t h e s i g n a l t o b e a n a l y z e d , a n d t h e n o n e s h o u l d s h i f t t h e d a t a o f t h e d e - n o i s e d s i g n a l in r e v e r s e . d o t h i s f o r m a n y t i m e s a n d a v e r a g e r e s u l t s s o o b t a i n e d . t h e s i m u l a t i o n r e s u l ts s h o w t h a t t h i s d e - n o i s i n g m e t h o d c a n r e s t r a i n j a m m i n g a n d g r e a t l y i m p r o v e t h e d e n o i s i n g e ff e c t . t o e l i m i n a t e t h e n o i s e h i d d e n i n d e t e c t e d s i g n a l s , a d e n o i s i n g m o d e l i s e s t a b l i s h e d a n d t r a n s l a t i o n i n v a r i a n t d e n o i s i n g m e t h o d i s p u t t o d e a l w i t h th e p r e t r e a t m e n t s i g n a l . i n t h e p r o c e s s o f m o d i f y i n g t h e h i g h f r e q u e n c y c o e f f i c i e n t s , t h e h i g h e s t l e v e l l o w f r e q u e n c y c o e f f i c i e n t s i s e l i m i n a t e d a t t h e s a m e t i m e . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s d e - n o i s i n g m e t h o d c a n r e s t r a i n j a m m i n g , r a i s e t h e s i g n a l n o i s e r a t i o a n d g r e a t l y i m p r o v e t h e d e - n o i s i n g e ff e c t . t h i s w o r k e s t a b l i s h e s t h e b a s e m e n t f o r f o l l o w i n g s t u d y . t h e o r y o f f r a c t a l i s i n t r o d u c e d t o d o q u a n t i t a t iv e a n d q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f f r a c t a l w e l d i n g u l t r a s o n i c t e s t i n g s ig n a l s . f ir s t l y , w a v e l e t t r a n s f o r m is u s e d t o s t u d y t h e u l t r a s o n i c a n d t e s t s i g n a l s s e l f - s i m i l a r i t y c h a r a c t e r i s t i c . t h e r e s u l t s h o w s t h a t th e y a r e fr a c t a l a n d c a n b e c h a r a c t e r i z e d q u a n t i t a t i v e l y b y f r a c t a l d i m e n s i o n . t h e n , n o n - s c a l e r e g i o n i s d e t e r m i n a t e d b y g r i d d i n g m e t h o d a n d b o x d i m e n s i o n o f v a r i o u s s ig n a l s i s c a l c u l a t e d . i n o r d e r t o i n d i c a t e t h e g o o d s t a t i s t ic a l c h a r a c t e r i s t i c , t h e m e a n a n d t h e m e a n - r o o t - s q u a r e e r r o r o f v a r i o u s s i g n a l s a r e p r e s e n t e d . a t l a s t , t h e r e l a t i o n s h i p i s f o u n d e d b e t w e e n b o x d i m e n s i o n a n d s i g n a l c l a s s e s s o t h a t t h e d e f e c t s c a n b e d e t e c t e d a n d c l a s s i f i e d e x a c t l y . e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t t h e c l a s s i f i e d r e s u l t i s c o n s o n a n t w i t h t h e t e s t i n g e x a c t l y . t h i s a p p r o a c h n o t o n l y p r o v i d e s q u a n t i t a t i v e 西北工业大学硕 l 学位论文 g u i d e l i n e s b u t a l s o d e c r e a s e s t o k e n p a r a m e t e r s . i t i s s i m p l e , in t u i t i o n is t ic a n d u s e f u l i n f r i c t io n w e l d i n g d e f e c t s c l a s s e s . k e y w o r d s : f r a c t i o n w e l d i n g p s e u d o b o n d i n g u l t r a s o n i c t e s t i n g wa v e l e t t r a n s f o r m f r a c t a l 西北工业大学硕上 学位沦文 第一章绪论 1 . 1 引言 固相连接是现存最古老的冶金连接形式之一，所发现最早连接样品其历史 已超过了3 0 0 0 年。 2 9 5 6 年， 苏联丘季科夫发明了摩擦焊， 作为一种先进固相连 接方法，摩擦焊引起了 人们广泛关注。当 代高新技术和现代运载工具的发展促 使摩擦焊技术不断创新，并得到了工程应用。在成功工程应用基础上，摩擦焊 新技术研究工作亦方兴未艾。 摩擦焊 x , 2 1 是一种 优质、 高效、 节能、 无污染的 先进固 态 连接技术， 它是在 轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生 的摩擦热及塑性变形热， 使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观 塑性变形， 然后迅速顶锻而完成焊接的 一种压焊方法1 3 )摩擦焊接方法己 在航 空、航天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车 制造等产业部门得到了广泛应用。 摩擦焊， 其根本性优点在于连接接头区排除了熔焊的枝状铸造组织、 缺陷， 从而使接头区的力学性能可接近于母材。熔焊对材料的损伤，显然有悖于新型 材料朝着超纯、超细、超精的方向发展:然而，摩擦焊技术的创新，将会有助 于新型材料的功能在工程结构上的发挥。但是，由于摩擦焊接过程中需要控制 的焊接参数冈 较多， 如 果不能 准确控制， 或者由 于受焊接条件限 制等， 介入一 些非正常因素， 会导致结合面不能完全焊合而产生缺陷， 降低接头的焊接质量。 在摩擦焊接头中容易产生的缺陷有未焊合 ( 宏观缺陷) 和伪结合 ( 微观缺陷) 两大类，未焊合缺陷中，表面平滑未焊合处常伴随有发蓝现象，而表面粗糙未 焊合主要是由于摩擦过程中 “ 咬合”造成，伪结合缺陷主要由于微观夹杂或离 散接合造成。伪结合焊接缺陷 ( 如冷焊及灰斑等)危害很大，会大大降低了接 头冲击韧性， 伪结合缺陷接头断裂韧度与正常接头相比 要下降5 0 % 以 上1 5 1 。 因此 对于摩擦焊接头焊接质量进行检测以做早期的预报就显得十分的重要了。 超声无损检测灵敏度高、穿透力强、 检测速度快、 成本低、 设备简单轻便、 无公害与副作用，其高聚焦性和高分辨力 较适用于缺陷检测，同时，超声无损 检测摒弃了常规无损检测方法无法将伪结合缺陷检测出来，以及抽样破坏性检 测方法破坏试件使成本升高的缺点。但是对于具有一定接触程度，介质差异 较小的伪结合缺陷体，受随机噪声、材料的散射噪声影响，经由超声波检测出 来的信号，信噪比较差，需结合一 定的信号处理与分析方法进行缺陷识别。因 西北工业大学硕上 学位沦文 第一章绪论 1 . 1 引言 固相连接是现存最古老的冶金连接形式之一，所发现最早连接样品其历史 已超过了3 0 0 0 年。 2 9 5 6 年， 苏联丘季科夫发明了摩擦焊， 作为一种先进固相连 接方法，摩擦焊引起了 人们广泛关注。当 代高新技术和现代运载工具的发展促 使摩擦焊技术不断创新，并得到了工程应用。在成功工程应用基础上，摩擦焊 新技术研究工作亦方兴未艾。 摩擦焊 x , 2 1 是一种 优质、 高效、 节能、 无污染的 先进固 态 连接技术， 它是在 轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑性流动所产生 的摩擦热及塑性变形热， 使接触面及其近区达到粘塑性状态并产生适当的宏观 塑性变形， 然后迅速顶锻而完成焊接的 一种压焊方法1 3 )摩擦焊接方法己 在航 空、航天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车 制造等产业部门得到了广泛应用。 摩擦焊， 其根本性优点在于连接接头区排除了熔焊的枝状铸造组织、 缺陷， 从而使接头区的力学性能可接近于母材。熔焊对材料的损伤，显然有悖于新型 材料朝着超纯、超细、超精的方向发展:然而，摩擦焊技术的创新，将会有助 于新型材料的功能在工程结构上的发挥。但是，由于摩擦焊接过程中需要控制 的焊接参数冈 较多， 如 果不能 准确控制， 或者由 于受焊接条件限 制等， 介入一 些非正常因素， 会导致结合面不能完全焊合而产生缺陷， 降低接头的焊接质量。 在摩擦焊接头中容易产生的缺陷有未焊合 ( 宏观缺陷) 和伪结合 ( 微观缺陷) 两大类，未焊合缺陷中，表面平滑未焊合处常伴随有发蓝现象，而表面粗糙未 焊合主要是由于摩擦过程中 “ 咬合”造成，伪结合缺陷主要由于微观夹杂或离 散接合造成。伪结合焊接缺陷 ( 如冷焊及灰斑等)危害很大，会大大降低了接 头冲击韧性， 伪结合缺陷接头断裂韧度与正常接头相比 要下降5 0 % 以 上1 5 1 。 因此 对于摩擦焊接头焊接质量进行检测以做早期的预报就显得十分的重要了。 超声无损检测灵敏度高、穿透力强、 检测速度快、 成本低、 设备简单轻便、 无公害与副作用，其高聚焦性和高分辨力 较适用于缺陷检测，同时，超声无损 检测摒弃了常规无损检测方法无法将伪结合缺陷检测出来，以及抽样破坏性检 测方法破坏试件使成本升高的缺点。但是对于具有一定接触程度，介质差异 较小的伪结合缺陷体，受随机噪声、材料的散射噪声影响，经由超声波检测出 来的信号，信噪比较差，需结合一 定的信号处理与分析方法进行缺陷识别。因 第一章绪论 此， 研究如何提高 超声检测信号的信噪比，从所获得的缺陷回波信号中提取能 反映缺陷性质及大小等信息， 进而准确识别缺陷的方法，己 成为世界无损检测 领域面临的难题和研究的热点问题之一。 摩擦焊缺陷超声检测信号处理与识别，不仅可以 对缺陷进行定位、定量和 定性分析，更重要的是提高了超声无损检测的准确性、可靠性，对提高产品的 质量，确保设备安全运行，避免重大灾难性事故发生均具有十分重要的意义。 1 . 2 超声检测信号的处理与识别及相关技术研究现状 人们学会从超声检测信号中获取缺陷信息，是近年来超声无损检测的一个 重要进展， 且信号的处理与识别己经成为超声无损检测的基本技术，目 前， 美、 德、英等国家在这一方面的研究走在世界的前列。 应用于超声检测信号处理与 识别的信号不仅有时域，而且还有幅域、相域和倒频域信号等等，已经使用和 正在研究的主要处理方法有合成孔径聚焦技术、裂谱分析、倒谱分析、小波分 析、聚类分析、 模式识别、人工神经网络等，分形作为一门横断学科的新理论， 也被应用到此中来。在国内，大部分超声检测设备仍为传统的a型探伤仪，即 使使用了数字化超声探伤仪，其超声信号的分析处理也很不完备，尤其是对焊 接缺陷的超声信号分析与处理缺乏深入的研究，致使检测的精度、可靠性等仍 存在不足。所以，对超声检测信号进行处理和分类识别，目的主要是增强有用 信号以改善信号质量，使以 前很难获取的信息被检测出来，进而提取其特征， 对信号进行定量、定性分析。 1 . 2 . 1 无损检测技术 无损检测以不损害被测检验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、安全可靠性及其它物理性能。例如探测材料或构件中 是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布及各种细节情况进行 判断;还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测 技术的应用十分广泛，己经在机械制造、医疗、电子、石油化工、造船、汽车、 航空航天和核能等工业中被广泛应用。目前，无损检测技术己经成为航空构件 检测中应用较多的一种检测方法t6 1该 技术对于提高产品质量、 促进技术进步 是不可缺少的手段。 无 损 检测的 发展 经历了 三个阶 段， 即无 损 探伤 ( n o n d e s t r u c t io n i n s p e c t io n n d i ) 、无损检测( n o n d e s t r u c t iv e te s t i n g n d t ) .无损评价( n o n d e s t r u c t i v e 第一章绪论 此， 研究如何提高 超声检测信号的信噪比，从所获得的缺陷回波信号中提取能 反映缺陷性质及大小等信息， 进而准确识别缺陷的方法，己 成为世界无损检测 领域面临的难题和研究的热点问题之一。 摩擦焊缺陷超声检测信号处理与识别，不仅可以 对缺陷进行定位、定量和 定性分析，更重要的是提高了超声无损检测的准确性、可靠性，对提高产品的 质量，确保设备安全运行，避免重大灾难性事故发生均具有十分重要的意义。 1 . 2 超声检测信号的处理与识别及相关技术研究现状 人们学会从超声检测信号中获取缺陷信息，是近年来超声无损检测的一个 重要进展， 且信号的处理与识别己经成为超声无损检测的基本技术，目 前， 美、 德、英等国家在这一方面的研究走在世界的前列。 应用于超声检测信号处理与 识别的信号不仅有时域，而且还有幅域、相域和倒频域信号等等，已经使用和 正在研究的主要处理方法有合成孔径聚焦技术、裂谱分析、倒谱分析、小波分 析、聚类分析、 模式识别、人工神经网络等，分形作为一门横断学科的新理论， 也被应用到此中来。在国内，大部分超声检测设备仍为传统的a型探伤仪，即 使使用了数字化超声探伤仪，其超声信号的分析处理也很不完备，尤其是对焊 接缺陷的超声信号分析与处理缺乏深入的研究，致使检测的精度、可靠性等仍 存在不足。所以，对超声检测信号进行处理和分类识别，目的主要是增强有用 信号以改善信号质量，使以 前很难获取的信息被检测出来，进而提取其特征， 对信号进行定量、定性分析。 1 . 2 . 1 无损检测技术 无损检测以不损害被测检验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、安全可靠性及其它物理性能。例如探测材料或构件中 是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布及各种细节情况进行 判断;还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测 技术的应用十分广泛，己经在机械制造、医疗、电子、石油化工、造船、汽车、 航空航天和核能等工业中被广泛应用。目前，无损检测技术己经成为航空构件 检测中应用较多的一种检测方法t6 1该 技术对于提高产品质量、 促进技术进步 是不可缺少的手段。 无 损 检测的 发展 经历了 三个阶 段， 即无 损 探伤 ( n o n d e s t r u c t io n i n s p e c t io n n d i ) 、无损检测( n o n d e s t r u c t iv e te s t i n g n d t ) .无损评价( n o n d e s t r u c t i v e 第一章绪论 此， 研究如何提高 超声检测信号的信噪比，从所获得的缺陷回波信号中提取能 反映缺陷性质及大小等信息， 进而准确识别缺陷的方法，己 成为世界无损检测 领域面临的难题和研究的热点问题之一。 摩擦焊缺陷超声检测信号处理与识别，不仅可以 对缺陷进行定位、定量和 定性分析，更重要的是提高了超声无损检测的准确性、可靠性，对提高产品的 质量，确保设备安全运行，避免重大灾难性事故发生均具有十分重要的意义。 1 . 2 超声检测信号的处理与识别及相关技术研究现状 人们学会从超声检测信号中获取缺陷信息，是近年来超声无损检测的一个 重要进展， 且信号的处理与识别己经成为超声无损检测的基本技术，目 前， 美、 德、英等国家在这一方面的研究走在世界的前列。 应用于超声检测信号处理与 识别的信号不仅有时域，而且还有幅域、相域和倒频域信号等等，已经使用和 正在研究的主要处理方法有合成孔径聚焦技术、裂谱分析、倒谱分析、小波分 析、聚类分析、 模式识别、人工神经网络等，分形作为一门横断学科的新理论， 也被应用到此中来。在国内，大部分超声检测设备仍为传统的a型探伤仪，即 使使用了数字化超声探伤仪，其超声信号的分析处理也很不完备，尤其是对焊 接缺陷的超声信号分析与处理缺乏深入的研究，致使检测的精度、可靠性等仍 存在不足。所以，对超声检测信号进行处理和分类识别，目的主要是增强有用 信号以改善信号质量，使以 前很难获取的信息被检测出来，进而提取其特征， 对信号进行定量、定性分析。 1 . 2 . 1 无损检测技术 无损检测以不损害被测检验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、安全可靠性及其它物理性能。例如探测材料或构件中 是否有缺陷，并对缺陷的形状、大小、方位、取向、分布及各种细节情况进行 判断;还能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测 技术的应用十分广泛，己经在机械制造、医疗、电子、石油化工、造船、汽车、 航空航天和核能等工业中被广泛应用。目前，无损检测技术己经成为航空构件 检测中应用较多的一种检测方法t6 1该 技术对于提高产品质量、 促进技术进步 是不可缺少的手段。 无 损 检测的 发展 经历了 三个阶 段， 即无 损 探伤 ( n o n d e s t r u c t io n i n s p e c t io n n d i ) 、无损检测( n o n d e s t r u c t iv e te s t i n g n d t ) .无损评价( n o n d e s t r u c t i v e 西北工业大学硕士学位论文 e v a lu a t io n n d e ) 17 1 。 无 损 检 测 技 术 的 飞 快 发 展 远 远 地 超出 了 单 纯 对 工 件 缺 陷 的 检验。己 进入到材料成分、组织与性能的现场测定阶段，以及生产过程中废品 的分选，设备运行安全状态的监督和无缺陷产品的制造领域中，使传统无损检 测技术和现代信息技术相结合，逐步实现检测的数字化、图像化、实时化和智 能化。无损检测的方法有很多，最常用的有超声检测、射线检测、碳粉检测、 渗透检测、涡流检测等。 超声检测作为无损检测的一种，采用超声波借助仪器设备进行超声波的发 射与接收。其实，利用声波从物体外界不损坏地检测其内部情况的方法早就问 世了，日常生活中，人们用手拍西瓜来判断西瓜是否成熟，铁道工人用榔头敲 击火车车轮以检查车轮是否开裂或松脱等，都是声波检测的例子。不同的是， 超声波检测采用了频率很高的超声波， 先用发射探头向被检物内部发射超声波， 用接收探头接收从缺陷处反射回来 ( 反射法) 或穿过被检工件后 ( 穿透法) 的 超声波，并将其在显示仪上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延 与衰减情况，即可获知物体内部有无缺陷以 及缺陷的位置、大小及其性质等方 面的 信息。超声波无损检测对被测件没有任何的 损伤8 1 ，以 其灵敏度高、 穿 透 力强、检测速度快、成本低、设备简单轻便以及无公害与副作用等优点而得到 了广泛应用。 有效而可靠的检测技术，可以早期预报可能发生潜在事故的体制，进而促 进焊接工程构件安全运行的目的，同时也促使了无损检测技术的发展。总之， 选择什么样的检测方法，主要基于经济、环境和技术等方面的考虑。因超声检 测所具有的高聚焦性和高分辨力，故较适用于检测焊接裂纹、未焊合、 夹杂等 缺陷。 1 . 2 . 2 小波分析技术 对于超声检测信号，只根据原始检测数据难以作准确解释，通常都要提取 它的某些特征来表征它，提取什么特征要根据信号特点和分析目 的来决定。超 声检测所期望得到的与缺陷性质有关的各种信息，常以某种方式隐藏在所获取 的信号中。超声检测仪器噪声、环境噪声、材料散射噪声等常会淹没真实的伪 结合缺陷伤波信号，降低了 信噪比，使之无法准确判别，因此，必须借助于信 号处理与识别技术将有用信息从嘈杂信号中分离出来。 数字超声系统的处理对象是材料内部声学不连续部分引起的超声波振幅、 相位、传播方向的变化，除此之外其他原因引起的数字序列变化，都是噪声:， 材料噪声通常指的是材料晶界散射引起的微结构噪声它的幅度和到达时间是 随机的，通常对缺陷信号造成一f 扰，或将目标信号完全淹没。它是静止的、相 西北工业大学硕士学位论文 e v a lu a t io n n d e ) 17 1 。 无 损 检 测 技 术 的 飞 快 发 展 远 远 地 超出 了 单 纯 对 工 件 缺 陷 的 检验。己 进入到材料成分、组织与性能的现场测定阶段，以及生产过程中废品 的分选，设备运行安全状态的监督和无缺陷产品的制造领域中，使传统无损检 测技术和现代信息技术相结合，逐步实现检测的数字化、图像化、实时化和智 能化。无损检测的方法有很多，最常用的有超声检测、射线检测、碳粉检测、 渗透检测、涡流检测等。 超声检测作为无损检测的一种，采用超声波借助仪器设备进行超声波的发 射与接收。其实，利用声波从物体外界不损坏地检测其内部情况的方法早就问 世了，日常生活中，人们用手拍西瓜来判断西瓜是否成熟，铁道工人用榔头敲 击火车车轮以检查车轮是否开裂或松脱等，都是声波检测的例子。不同的是， 超声波检测采用了频率很高的超声波， 先用发射探头向被检物内部发射超声波， 用接收探头接收从缺陷处反射回来 ( 反射法) 或穿过被检工件后 ( 穿透法) 的 超声波，并将其在显示仪上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的时延 与衰减情况，即可获知物体内部有无缺陷以 及缺陷的位置、大小及其性质等方 面的 信息。超声波无损检测对被测件没有任何的 损伤8 1 ，以 其灵敏度高、 穿 透 力强、检测速度快、成本低、设备简单轻便以及无公害与副作用等优点而得到 了广泛应用。 有效而可靠的检测技术，可以早期预报可能发生潜在事故的体制，进而促 进焊接工程构件安全运行的目的，同时也促使了无损检测技术的发展。总之， 选择什么样的检测方法，主要基于经济、环境和技术等方面的考虑。因超声检 测所具有的高聚焦性和高分辨力，故较适用于检测焊接裂纹、未焊合、 夹杂等 缺陷。 1 . 2 . 2 小波分析技术 对于超声检测信号，只根据原始检测数据难以作准确解释，通常都要提取 它的某些特征来表征它，提取什么特征要根据信号特点和分析目 的来决定。超 声检测所期望得到的与缺陷性质有关的各种信息，常以某种方式隐藏在所获取 的信号中。超声检测仪器噪声、环境噪声、材料散射噪声等常会淹没真实的伪 结合缺陷伤波信号，降低了 信噪比，使之无法准确判别，因此，必须借助于信 号处理与识别技术将有用信息从嘈杂信号中分离出来。 数字超声系统的处理对象是材料内部声学不连续部分引起的超声波振幅、 相位、传播方向的变化，除此之外其他原因引起的数字序列变化，都是噪声:， 材料噪声通常指的是材料晶界散射引起的微结构噪声它的幅度和到达时间是 随机的，通常对缺陷信号造成一f 扰，或将目标信号完全淹没。它是静止的、相 第一章绪论 关的，扫描过程中同一位置不同次采样中的材料噪声完全相同。材料噪声在超 声探伤仪显示屏上呈现为大量草状回波，微小的缺陷回波会完全被噪声淹没而 不易检测。仪器噪声源于仪器电路中的随机扰动，比如电路中元器件的电子热 运动， 半导体器件中载流子的不规则运动等。 此种噪声是一种连续型随机变量， 即在某一时刻可能出现各种可能数值。为了提高噪声材料的超声波检测性能， 人们主要从信号处理的角度做工作，以 期提高信噪比。 “ 工欲善其事， 必先利其器” ， 对于超声检测信号的处理也不例外， 在超声 缺陷检测中超声信号通常是被探头中心频率调制的宽带脉冲信号，因此是一个 时频均有限的非平稳信号，所以利用时频分析方法进行分析更有效，特别是在 高散射材料中消除散射影响、检测、提取缺陷回波方面卓有成效9 1 目前大部分的时频分析技术都是基于傅立叶变换，对于确知信号和平稳随 机过程，傅立叶变换是信号分析和处理的理论基础，有着非凡的意义， 起着重 大的作用。但是，傅立叶变换有它明显的缺陷，信号任何时刻的微小变化会牵 动整个频谱，反过来， 任何有限频段上的信息都不足以确定在任意时间小范围 的信号。实际信号通常是时变信号、非平稳过程，了解它们的局部特性常常是 很重要的。人们通过预先加窗的方法使频谱反映时间局部特性，即采用短时傅 立叶变换。 短时傅立叶变换是用时间窗的一段信号来表示它在某个时刻的特性， 显然，窗越宽，时间分辨率越差，但为提高时间分辨率而缩短窗宽时，又会降 低频率分辨率。因而短时傅立叶变换不能同时兼顾时间分辨率和频率分辨率， 无法将信号的时域特征和频域特征有机地结合起来，而且傅立叶谱仅能反映信 号的统计特性，不具备局部化分析信号的功能。而超声检测信号通常是一种时 域和频域均有限的非平稳信号，因此产生了小波分析技术。小波分析的出现较 好地解决了时间和频率分辨率之间的矛盾，是对信号进行分析和处理的强有力 工具。 1 9 8 1 年， 法国地球物理学家m o r l e t 在f o u r i e r 变换与加窗f o u r i e ; 变换的基 础上，首次提出了“ 小波分析” 的概念，建立了以他的名字命名的mo r l e t 小波并 将其应用于信号处理。 1 9 8 5 年， 数学家m e y e r 在一维情况下， 证明了小波函数 的存在性， 并于1 9 8 6 年与m a l l a t 合作， 引进了多分辨率分析的概念， 它的计算 方法给出了建立正交小波基的一般方法，导致快速小波算法的实现，并找到了 很多正交小波基， 将相应的mal l a t 算法有效地应用于图像分解与重构。 1 9 8 8 年， d a u b e c h i e s构造了具有有限紧支集的正交小波一d a u b e c h i e s小波。正是在 mo r l e t , ma l l a t , d a u b e c h i e等人的工作和共同努力下，初步建立了小波分析的 系统理论。1 9 9 1 年，c o i f m a n及其合作者提出小波包的概念和算法，其思想与 我国古代易经八卦一致，采用树形算法。1 9 9 4年，d a v i d e .n e w l a n d提出了谐 波小波。1 9 9 7 年， l c o h e n 等人又提出时移不变小波包， 使小波变换的研究和应 用不断深入。 西北不业大学硕士 学位论文 小波分析是傅立叶分析的发展和延拓，可有效地对超声检测信号的任意时 间段或任意频率段进行分析，具有良 好的时频局部化能力，可以 准确地抓住瞬 变信号的特征，并且对频率成分采用逐渐精细的时域或空域取样步长，从而可 以聚焦到信号的任意细节，形象地说就是对信号进行 “ 切片式”的分析，在不 同频率上观察信号的演变与特征，因此享有数学上 “ 显微镜”的美称。 迄今为止，小波变换作为信号处理的一种手段，逐渐被愈来愈多领域的理 论工作者和工程技术人员所重视，己被广泛应用于信号处理、图像处理、量子 理论、地震勘探、语音识别和合成、音乐分形等领域，并且成效显著，小波应 用的 文 献 可谓 浩 如 烟 海。 例如，m a ll a t 1o l将二 进小 波变 换 用于 图 像的 边缘 检 测 与 图 像 压 缩: f a r g e l l l l将 连 续 小 波 变 换 用 于 湍 流 的 研究; 李 军 l ie !根 据 信 号与 噪 声 的小波变换在不同分辨率下呈现不同规律的特点，提出了具有较强抑制图像噪 声能力的多 分辨支集图 像 低通滤波方 法; s h u b h a k a d a m b e 1 3 1 等将小 波变换用于 语音信号分析。 在信号的去噪处理方面，小波分析也显示出了它独特的优越性。1 9 8 8年， m a ll a t 1 4 1提出了 多 分 辨分 析的 概 念， 使 小 波 具 有带 通 滤波 的 特性， 利用小 波 分 解 与重构的方法去噪: 1 9 9 2年m a l l a t 1 5 1 又提出了 奇异性检测的理论， 从而可利用 小 波 变换 模极 大值的 方 法去 噪: 此 后， d o n o h o等 人1 6 . 1 7 , 1 8 1 提出 了 非 线性 小 波 变 换闽 值 法 去 噪， 用 该 方 法去 噪 得 到了 非 常 广 泛的 应 用， p a s t i , b .w a l c z a k 19 1 结合实际的检测信号分析了小波分解过程中分解层数、小波基对去噪效果的影 响; 1 9 9 5年， c o i f m a n 2 0 1在阐 值 法的 基础 上 提出 了 平 移不 变量 小 波去 噪 法， 它 是对阐值法的一种改进; 此外， c h e n , d o n o h o 2 1 1提出了原子分解的 基追踪去噪 法: g o o d m a n 2 2 ! 提出了多小波的概念， 近年来应用多小波去噪(2 3 . 2 4 也日 益成熟。 小波变换在超声信号处理中的应用也取得了一定的成就，但作为一种新生 事物，小波理论仍处于蓬勃发展中，且摩擦焊作为一种先进固相连接技术，小 波在其缺陷检测及微弱信号提取方面的应用研究尚处于初步阶段， 有待进一步 深入。 在 对 超声 信号 的 处 理 方 面， a .a b b a t。 与p .d a s 等 2 5 1 ， 提出 了 超 声 缺陷检 测与噪声抑制的小波信号处理器，并进行了大量的试验研究，研究结果表明， 运用小波信号处理器处理超声检测信号不仅能消除非相关噪声还能消除相关噪 声。 能够提高信噪t 匕 1 5 d b( 分贝， d e c i b e l ) ， 缺陷定位更准确。 r . p o l i k a r 2 6 1 在沸 水管道系统焊缝超声检测信号频率不变量分类中用离散小波变换 ( d wt , d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m) 提取识别特征量， 并将得到的特征量用多层感知器神 经 网 络 分 类。 s .l e g e n d r e 与j .g o y e tt e 等 2 7 1提出 一种 在 强 噪 声 增 强 型 复 合 材 料 中， 基于占有优势的小波系数和窗过程的选择的解释过程， 这种方法的优点是， 能从a扫描信号的小波系数直接得到复合材料的c扫描图像， 不需要更进一 步 的信号重构，并且由于使用具有高数据几缩能力的非冗余正交小波变换，从而 大 大节省了计算资源。陈岳军2 8 1等， 利川小 波分析对粗晶超声检测缺陷信号 进 第一章绪论 行去 噪 处 理， 提出 一 种基 于小 波 变换 信噪 分 离算 法。 张 广明 ， 】等， 在 传统 小 波 信号处理器基础上， 根据解析小波变换能准确提取信号相位的特性， 利用超声检 测信号的相位信息， 提出 一种新的多缺陷识别与噪声抑制算法。 唐伟等3 0 !利用数 字信号处理技术、小波变换方法、以及奇异性分析技术，对摩擦焊缺陷信号进 行提取，运用特征参量分析方法和模糊分析方法对缺陷进行识别的分类。 1 . 2 . 3 分形与缺陷的定量定性分析 1 9 7 5 年， 分形几何之父 ma n d e l b rot .b . b提出 分形这一概念3 1 1 。分形 是一种新的数学语言 ，是一门描述自 然界中许多不规则事物及现象的规律性的 学科。 分形己经成为人们更准确的认识现实世界的一种重要的新的理论和方法， 分形理论的研究与发展揭示了非线性系统中有序与无序的统一，确定性与随机 性的统一，使人们探索这极为复杂的现象背后所存在的规律性有了可能。分形 理论突破了传统整数维的时空观， 提出维数不必是整数，可以是分数维数。分 数维数又叫分形维数，是衡量研究对象分形特征的定量指标. 分形学在国内外发展很快，已被众多的学科和领域 ( 哲学、经济、数学、 物 理 3 2 、 化 学 3 3 . 3 4 1 、 材料 3 5 . 3 6 , 3 7 1 、 生 物 3 8 , 3 9 1 、 天 文、 地 质、 石 油开 采、 地 震 预 报(4 0 等) 引 用， 同 时显 示出 其 在各 学 科中 应用的 生 命 力。 例 如， p e n t la n d 14 11 通过对自 然景物纹理图像的研究，证明了自 然界中大多数表面映射成灰度的图 像具有相同分形特征的分形表面，且大多数自 然景物的灰度图像满足各向同性 分数 布朗 随 机场14 2 , 4 3 1 。 王国 峰 等3 7 1在不同 温度、 压力、 保温时间 下对t b 2 钦 合 金进行扩散连接实验，观察不同条件下，连接接头的剪切强度和分形维数的关 系，发现呈正相关，剪切强度最高时 ( 8 9 0 m p a ) ，表面分形维数最大 ( 2 .2 3 ) . 有关研究发现，小波变换和分形理论在自 相似性的本质上和认