（材料加工工程专业论文）基于dsp技术的超声波无损检测研究.pdf

摘要 摘要 本研究采用先进的数字信号处理技术，对超声检测原始信号进行变换和处 理，试图从超声检测信号中挖掘出可用于表征材料特性的有用信息，达到提高超 声检测可靠性的目的。本课题的研究对象是铜钢异种材料摩擦焊接头和汽车用 镀锌钢板点焊接头。 在对铜- 钢异种材料摩擦焊接头的超声无损检测中，采用聚焦探头水浸法，利 用小波分析技术对接头采样点超声a 信号进行消噪及小波包分解，并利用“能 量- 缺陷”分析方法，对接头质量与接头界面超声反射信号能量分布关系进行研 究。调查发现，超声a 信号经小波包变换后，根据各个频带上的能量分郝规律 可以直接反映出接头局部区域的剪切强度，进一步判断接头的结合质量。 在对汽车用镀锌钢板点焊接头的超声无损检测中，采用超声直接接触法提取 接头超声a 信号，采用快速傅立叶变换对检测到的超声波a 信号进行变换，分 析信号的频域特性。研究表明，高频信号幅度值随焊核直径和接头强度的增加而 下降。根据傅立叶变换后高频部分的幅值，不但可以判断镀锌板点焊试样焊核的 大小以及试样拉伸强度的高低，而且可以区分虚焊试样和有焊核试样。 对铜钢异种材料摩擦焊接头和汽车用镀锌钢板点焊接头超声检测信号的研 究表明对超声检测过程采用适当的数字信号处理技术可以有效的提高超声检测 的可靠性。 关键词无损检测：超声；数字信号处理：焊接接头 北京t 业人学t 学赖i + 学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tw o r kt h ea d v a n c e dd s pt e c h n o l o g yh a sb e e n a p p l i e dt ot h e t r a n s f o r ma n dp r o c e s s i n go fs i g n a l sa c q u i r e df r o mu l t r a s o n i cn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g t h ep u r p o s ei st of i n du s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt h eu l t r a s o n i cs i g n a l ，w h i c hc a l ls h o w c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s t h u s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h eu l t r a s o n i cn o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n gm a yb ei m p r o v e d i nt h i sp r o j e c tc o p p e r s t e e lf r i c t i o n w e l d sa n dc a rb o d y s c o a t e ds t e e ls p o tw e l d sh a v eb e e ns t u d i e d i nt h e s t u d yo fu l t r a s o n i cn o r - d e s t r u c t i v et e s ts i g n a l s f o rt h ec o p p e r - s t e e l f r i c t i o n - w e l d e dj o i n t ，i m m e r s i o nm e t h o da n df o c u s i n gs e n s o rw e r eu s e d w a v e l e t a n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt od e c r e a s et h en o i s e ，a n dw a v e l e tp a c k a g ea n a l y s i sm e t h o d w a su s e dt o d e c o m p o s et h eu l t r a s o n i ca s i g n a l i n a d d i t i o na n “e n e r g y d e f e c t a n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb o n d i n gq u a l i t ya n dt h e e n e r g yo fu l t r a s o n i cr e f l e c t i v es i g n a la tt h ej o i n t si n t e r f a c e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e b o n d i n gq u a l i t ya n ds h e a rs t r e n g t hm a yb ee v a l u a t e dt h r o u g he n e r g y s p e c t r u m d i s t r i b u t i o nf r o mt h ew a v e l e tp a c k a g et r a n s f o r mo ft h eu l t r a s o n i ca s i g n a l s i nt h es t u d yo fu l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s ts i g n a l sf o rc a rb o d yc o a t e ds t e e l s p o t - w e l d e dj o i n t ，d i r e c tc o n t a c t i n gm e t h o dw a su s e dt op i c k - u pt h ea - s i g n a l f f t w f l su s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa tf r e q u e n c yd o m a i no ft h eu l t r a s o n i cs i g n a l s i t i si n d i c a t e dt h a tt h eh i g hf r e q u e n c ya m p l i t u d eo ft h es i g n a l si sd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo fs p o ts i z ea n ds t r e n g t ho fj o i n t s t h r o u g ht h ef ft - t h eh i g hf r e q u e n c y a m p l i t u d eo fu l t r a s o n i ct e s t i n gs i g n a ln o to n l ya r eu s e dt oe v a l u a t et h es p o ts i z ea n d t e n s i o ns t r e n g t h ，b u ta l s ot h es p e c i m e n sw i t hp e r f e c tn u tc a nb ed i s t i n g u i s h e df r o m t h a tw i t hp o o rn u t t h es t u d yf o r t h eu l t r a s o n i ct e s t i n gs i g n a lo ft h et w ok i n d so fw e l d e dj o i n t s s h o w st h a tp r o p e rd s p t e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fu l t r a s o n i ct e s t i n g k e y w o r d sn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ；u l t r a s o n i c ；d s p ；w e l d e dj o i n t - i i - 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堡i ! 曼墨同期：兰! ：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：焦i ：兰 导师签名 毖研 同期：! ! ! 篁：丝 第l 章绪论 1 1 无损检测技术简介 第1 章绪论 在工程技术界，人们普遍认为：1 没有缺陷的材料是不存在的；2 不产生缺 陷的( 缺陷的多少或尺寸不一) 加工方法是没有的，所有的零部件都是经过多种 加工工序制造的。因此，1 9 二十世纪以来，检测技术越来越为人们所重视。 无损检测以不损害被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、结构件进行有效的检验和测试，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。包括探测材料或构件中是否有 缺陷，并对缺陷的形状、大小、位置、取向、分布和内含物等情况进行判断；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 范围十分广泛，己在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业 中被普遍采用。 无损检测具有悠久的历史，长期以来人们在实践中形成了许多有用的无损检 测方法。它的发展大致经历了三个阶段。早期称为无损探伤，它的作用是在不 损坏产品的前提下，发现人眼无法直接观察到的缺陷，以满足制造业与使用的要 求。第二阶段称为无损检测，它不但检验最终产品，而且要检测加工过程的工艺 参数，是1 7 1 前国内外最流行的术语。第三阶段为无损评价，这是随着现代工业的 发展，对产品质量要求的提高和断裂力学等原理用于材料和工件的极限寿命的设 计思想的出现，由原来的探伤技术发展成为测伤技术，不仅要探出缺陷的有无及 位置，而且还要测出缺陷的类型、尺寸、形状、取向以及对力学行为的影响等， 以便用断裂力学的方法对被检测产品做出检修周期和使用安全性的结论。因此， 无损评价包含无损检测的内容，但比无损检验更具综合性1 2 】。 现代意义上的无损检测技术是随着各种测试技术、材料科学、电子技术与物 理科学的发展而发展起来的。制造业中的无损检测与评价技术，对于改进产品质 量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产 率等都起着关键作用。无损检测技术应用于产品的整个制造、服役过程中，它在 产品的设计加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段都发挥着重要作用。无 损检测技术的重大意义还在于它在新材料和新加工方法研究中的关键性作用。现 代制造业的发展，对具有不同优良性能的新材料提出越来越高的要求，这些新材 料和相应的加工方法往往由于材料本身的原因或加工工艺过程的特点，必须进行 无损检测。实践表明，研究新的检测方法可以使新材料、新工艺的优化设计变的 更加有效。 由此可知，无损检测在现代制造业的各个方面都有着广泛的应用，是现代制 北皋丁业人学t 学颂l 学位论史 造业的重要内容。在一定程度上，无损检测技术的高低反映了一个国家的制造业 水平。因此，各国对无损检测技术的研究都非常重视。例如，美国为了保持它在 世界上科学技术的领先地位，在1 9 7 9 年的政府工作报告中，提出要成立六大技 术中心，其中之一就是无损检测技术中心。r 本认为现在工业是建立在无损检测 的基础上的，工业中坚持普遍采用无损检测技术，才能使其产品质量大大提高， 占领国际市场。德国是应用无损检测评价技术方面较为先进的国家，这是德国的 机器制造业保持领先水平的重要因素。前苏联对无损检测也很重视，政府把资余 拨给九个无损检测中心，无损检测技术的发展直接支持了前苏联工业产品和武器 生产，特别是国防工业和航空航天领域的发展。发展中国家为了建立本国的工业 基础，也把无损检测作为提高产品质量的有力工具。例如，拉丁美洲8 个发展中 国家组成无损检测联合体来互相支援发展工业。我国随着制造业发展的需要，无 损检测技术也得到迅速发展，很多工业部门近年来都在加强无损检测技术的应 用。 无损检测技术带来的经济效益是明显的。据测算，我国企业不良产品的年损 失约2 0 0 0 亿元。若能在生产过程中广泛采用无损检测技术，及早发现不良产品， 可以将损失减小到最小程度。如上海热电行业大量采用无损检测技术后，每年的 经济效益以百万元计。另外，无损检测的经济效益还表现在产品的竞争能力上。 在无损检测技术的支持下提高产品的质量和可靠性，是保障产品进入国际市场的 决定性因素之一。以汽车工业为例，同本小汽车生产中3 0 的零件采用无损检测 后质量迅速超过美国，销售市场扩大而且严重威胁美国的汽车工业。德国奔驰汽 车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行公里数增加倍，大大提 高了产品在国际市场上的竞争能力。 无损检测的方法很多，最常用的无损检测方法有五种：超声检测、射线检测、 涡流检测、磁粉检测和渗透检测。他们已成为生产中的常规无损检测技术。另外， 还有各种新型的检测方法，如激光全息照相、声振检测、红外检测等1 3 】。 1 2 数字信号处理技术 1 2 1 数字信号处理的概念及组成 信号可定义为一个承载信息的函数，通常表示为时间，的函数。对于幅度和 时间都取连续值的信号称为模拟信号或时域连续信号；对于幅度值取连续值，而 时间耿离散值的信号成为时域离散信号；而对于幅度和时问均为离散值的信号称 为数字信号【4 j 。我们所研究的超声回波信号就属于幅度和时间均为离散值的信 号，亦称为超声回波的数字信号。 数字信号处理是一个新的学科领域，它是把数字或符号表示的序列，通过计 笫1 荦绪论 算机或专用处理设备，用数字方式去处理这些序列，以达到更符合人们要求的信 号形式。例如对信号的滤波、信号有用分量的提取和增强、无用分量的削弱以及 对信号某些特征参数的估计。总之，l 是用数字方式对信号进行滤波、变换、增 强、压缩、估计、识别等都是数字信号处理的研究对象【5 ，们。 1 2 2 数字信号处理的特点 由于数字信号处理的直接对象是数字信号，处理的方式是数值运算方式，使 它相对模拟信号处理具有许多优点，归纳起来有以下几点： ( 1 1 灵活性 数字信号处理系统的性能取决于系统参数，这些参数存储在存储器中，很容 易改变，因此系统的性能容易改变，甚至通过参数的改变，系统变成了另外完全 不同的系统。灵活性还表现在数字系统可以分时复用，用一套数字系统分时处理 几路信号。 ( 2 ) 高精度和高稳定性 数字系统的特性不易随使用条件变化而变化，尤其使用了超大规模集成的 d s p 芯片，设备简化，更提高了系统的稳定性和可靠性。运算位数又由8 位提高 到1 6 、3 2 、6 4 等位，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统相比拟的。 为此，许多测量仪器为满足高精度的要求只能采用数字系统。 ( 3 1 便于大规模集成 数字部件具有高度的规范性，对电路参数要求不严，容易大规模集成和大规 模生产，这也是d s p 芯片发展迅速的原因之一。由于采用了大规模集成电路， 数字系统体积小、重量轻、可靠性强。 ( 4 1 数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能的指标参数 以上优点更加使数字信号处理不再仅仅限于对模拟系统的逼近上，它可以完 成许多模拟系统完不成的任务。例如，电视系统中的画中画、多画面、各种视频 特技( 包括画面压缩、画面放大、画面坐标旋转) 演员特技制作、特殊的配音制 作、数字滤波器严格的线性相位特性，甚至非因果系统可通过延时实现等。 因此，数字信号处理的理论和技术一出现就受到人们的极大关注，发展非常 迅速。国际上一般把1 9 6 5 年作为数字信号处理这一新学科的开端，仅仅4 0 年， 这门学科就基本上形成了一套完整的理论体系，其中也包括各种快速的和优良的 算法。随着各种电子技术及计算机技术的飞速发展，数字信号处理的理论和技术 还在不断丰富和完善，新的理论和技术层出不穷。可以说，数字信号处理是应用 最快、成效最显著的新学科之一，目的己广泛地应用在语音、雷达、声纳、地震、 图像、通信、控制、生物、医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、 自动化仪表等领域。可以说，数字信号处理的理论和技术是目前高新技术的基石。 北京t 业人学工学硕l 学位论史 1 3 超声波无损检测技术的优势与国内外发展概况 1 3 1 超声波无损检测的优点 在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表 面缺陷，对试件内部的裂纹不敏感。射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但 是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的 防护设备，因而大大限制了该方法的应用范围。 超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。它不仅对 平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无 害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛。 超声检测方法除了具有设备简单，使用方便和安全性好，检测范围广等根本 性的优点外，超声检测产生的时域波形信号形式，使得计算机信号处理、模式识 别和人工智能等技术能够方便的用于检测过程。计算机在超声检测中的应用，也 使得超声检测的可靠性越来越高1 7 l 。目前已经超过了射线检测，成为最普遍应用 的无损检测方法。普遍采用超声检测的另外一个原因，是为了采用断裂力学和损 伤力学的知识对检测对象进行寿命估计，超声检测对微型裂纹敏感的特点j 下符合 这种需要。 1 3 2 超声检测技术的产生与国内外进展 利用超声波检测物体内部的缺陷最早是由莳苏联的s o k o l o v 8 1 于1 9 2 9 年提出 来的，19 31 年德国m u l h a u s e r l 8 1 在其专利中提出来声波强度检测方法的工业应用 方案。受到了射线检测方法的启发，m u l h a u s e r 把透过被检测工件的超声波强度 计算后由电表读出，根据电表指示值的大小对被检测工件内部的特性做出判断。 这种强度测定法使用一定频率范围内的连续超声波，参考因驻波引起的干涉问 题，被检测工件中的三维驻波场的振动节主体位置由驻波的频率和工件的尺寸共 同确定，当工件的尺寸或超声波的频率有少量变动时，会使接受到的超声波强度 发生很大的变化。 第二次世界大战后，由于雷达技术和电子技术的发展，才使超声波检测技术 真丁f 进入工业应用领域。1 9 4 4 年英国f i r e s t o n e t 9 l 发表了采用超声脉冲探伤仪的报 告，1 9 4 6 年英国s p r o u l e l 9 l 也独立地研制成功a 型脉冲反射式超声探伤仪，并把 该探伤仪应用于钢材的探伤。脉冲超声探伤仪除了能避免被检测工件中的驻波干 涉现象，从而测出较小尺寸的缺陷外，还可由声波的传播时间确定缺陷的位罱， 到上世纪五十年代基本上取代了穿透法超声探伤仪，被广泛应用于钢铁、机械制 造和船舶工业部门。 笫l 币绪论 2 0 世纪7 0 年代至9 0 年代是国际超声波无损检测技术发展的兴旺时期，其 特点是新方法和新技术不断出现，超声波无损检测仪器的改进也得到了进一步的 提高。超声波电视装置、b 扫描、c 扫描、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以便存储和处理的微机化 超声检测仪均己开始应用。微型计算机在数据处理和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i l 。 在超声信号的评价中，信号分析处理技术也有了进一步的发展，例如：( 1 ) 信号平均技术：它可以在改变探伤参数时，使散射信号随机变化，而缺陷信号基 本不变，对多个信号取平均值，可以提高信噪比，挖】。( 2 ) 数字滤波技术：通过 低通、高通、带通以及中值滤波等对信号处理，获得最佳的信号。( 3 ) 反卷积： 能区分两个很近的信号，提高超声信号分辨率。( 4 ) 频谱分析”l ：多用傅立 叶变换( f f t ) 的方法将信号变换，观察频谱图、相位图等。( 5 ) 时频域分析【1 6 1 7 1 ： 多用裂谱法【1 8 1 、小波法2 0 1 等对超声信号分析。在信号的识别技术方面有：( 1 ) 模式识别技术，通过分析、判断、归类、识别出事物与哪一个供模仿的标本相似 2 1j 。( 2 ) 人工神经网络及专家系统：主要是按照生物神经系统的处理方法处理真 实的客观事物，由于人们对于事物的认识不同，这个系统的结构功能差别很大 2 2 ， 2 3 】。( 3 ) 超声波成像技术：这一技术包括数据采集和图像重建两个过程，是解决定 量无损检测的一个最有前途的方法口4 ”2 6 1 。 1 4 本论文研究的内容及目的 将信号分析与处理技术和超声无损检测与评价技术相结合，是解决对被检对 象缺陷信息( 特征) 进行深层挖掘的必经之路。目前，信号分析与处理技术主要 用于对裂纹和缺陷超声波信号的分析和识别，但对材料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。 本课题利用数字信号处理技术，对铜钢异种材料摩擦焊接头和汽车用镀锌 钢板点焊接头这两种目前在无损检测行业很少有人涉足的焊接接头质量进行超 声波无损检测及评价。直接研究焊接接头强度与超声波检测特征信号的关系，以 期找到更加方便、快捷、可靠的针对特定焊接接头的质量评价方法，以适应不同 加工方法对无损检测技术的需求。研究方案如图1 1 所示。 幽1 j 研究方案流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to f t h es t u d yp r o j e c t 6 第2 章超声波无损检测系统 超声检测是一种常规的无损检测技术，它利用超声波在材利中传播时，遇到 界面( 如裂纹、气孔缺陷) 反射回来声讯号的特征，或声能在不同介质中衰减特 征不同等性能，通过电子显示仪器显示出反射波( 或透射波) 信号或图形，对被 检对象进行检测【2 7 】。超声检测的基本原理如图2 1 所示。 产生h j 丁与介质( 包括超声信号检山介质 检测的超介质中缺陷)的接收、处 特性和缺 卢信号相互作_ l i j 理平| 】显示陷 发射 传 番 接受判别 幽2 1 超声检测过程的基本原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo f u l t r a s o n i ct e s tp r o c e s s 2 1 超声检测方法及原理 按声波类型区分，超声检测可以分为连续波法和脉冲波法，连续波法中又分 为透射法和谐振法；在脉冲波法中可以分为脉冲反射法和脉冲透射法两种。下面 简单介绍三种较常用的检测方法。 2 1 1 脉冲反射法 2 1 1 1 工作原理脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上 发生反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧 光屏上。基本原理和波形如图2 2 所示。 当工件中无缺陷时，接收波形如图2 - 2 a ) 所示，荧光屏上只有始波t 和底波b ； 当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波f 出现，f 波在时基轴上的位置取决于缺 陷声程b 可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反 射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射， 从而使底波高度下降，如图2 - 2 b ) 所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声 能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。 一 乙 1 l - - 一 a )b ) 幽2 - 2 无缺陷试样和由缺 5 j 试样中的超卢回波 a ) 完蚶试样b ) 缺陷试样 f i g 2 - 2e c h o sf r o mp e r f e c ts a m p l ea n ds a m p l ew i t hf l a w a ) p e r f e c ts a m p l eb ) f l a ws a m p l e 2 1 1 2 脉冲反射法的特点与透射法相比，脉冲反射法有以下优点： 1 灵敏度高，当反射声压达到晶片起始声压的l 时即能检侧，因此，可发 现较小的缺陷： 2 缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即 调节时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷定位 就准确； 3 适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测； 4 操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下 的检测作业带来了极大的方便和灵活性。 但脉冲反射法也有一定的不足之处： 1 存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用； 2 对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不 到缺陷回波信号，容易造成漏检； 3 因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不适用。 2 1 2 脉冲透射法 2 1 2 1 工作原理脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧， 并使两个探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦 合，这样就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当 试件中无缺陷时，荧光屏上显示始波t 和具有一定幅度的回波脉冲b ：当有小缺 陷时，声波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成 的声影大于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲t ，无回波信号，如图2 3 所 第2 章超声波光损榆测系统 不。 笈射探头接收探头 旦 蔓 a )b ) 图2 3 超声穿透法示意幽 a ) 无缺陷试样b ) 有缺陷试样 f i g 2 - 3s c h e m m i co f u l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o nm e t h o d a ) p e r f e c ts a m p l eb ) f l a ws a m p l e 2 1 2 2 脉冲透射法的优缺点脉冲透射法的主要优点： 1 工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件； 2 与缺陷取向无关，不管缺陷取向如何，只要它遮挡声束传播路径，接收 探头就能发现； 3 在透射法中，声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。 脉冲透射法的缺点： 1 探测灵敏度低，仅当入射声压变化大于2 0 以上时，才能被接收探头检 出； 2 不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小； 3 对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，因而 操作不方便。 2 1 3 共振法 依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法。 若声波( 频率可调的连续波) 在被检工件内传播，当试样的厚度为超声波的半波 长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振，一起显示出共振 频率，用楣邻的两个共振频率之差，出以下公式算出试件厚度： 。 n c c 批一2瓦丽(2-12 2f 02 ) t ，一 ，、 。 式中 五一工件的固有频率 工，z 一。一相邻两共振频率 c 一被检试样的声速 工 一波长 j 一试件厚度 n 一共振次数 当试样内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。当测得 共振频率，和共振次数h 后，即可求出厚度。由于共振法设备简单，测量精确， 常用于壁厚测量。此外，若工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共 振现象消失或共振点偏移，可利用此现象检测复合材料的胶合质量、板材点焊质 量、均匀腐蚀量和板材内部央层等缺陷。 由于超声脉冲反射检测法灵敏度高、缺陷定位精度高、适应范围广等优点， 因此本课题中采用超声脉冲反射法来对试样进行检测和研究。 2 2 超声检测系统 本课题采用的超声检测系统为美国物理声学公司( p h y s i c a la c o u s t i c s c o r p o r a t i o n ) 生产的u l t r a p a ci i 超声检测仪，图2 - 4 为该系统的实物照片。 该系统是一个可以进行a 扫描、b 扫描、c 扫描以及a b c 扫描的超声无损 检测自动机，由计算机、a d - i p r 一1 2 1 0 超声脉冲发生接收卡、步进电机控制卡、 三坐标扫描架及信号采集与处理软件等几部分组成。a d i p r 一1 2 1 0 是集超声脉冲 产生和高频数据采集于体的集成板卡，它的最高采样频率为1 0 0 m h z 。 整个仪器由超声检测仪器和超声处理分析仪器两部分组成。检测部分是通过 电振荡( 方波脉冲) 加于换能器探头，激励探头发射超声波，同时将探头送 回的电信号进行放大，通过计算机的软件显示出来，从而得到检测信息。通常机 电换能器是一种可以将电能转化为机械能，反之亦可的装置，对于频率超过 2 0 0 k h z 的超声检测，常用压电换能器。检测杆装有聚焦探头，计算机的数据采 集软件，可以调节检测参数、移动的速度及采集范围的确定、检测参数的设定、 以及采集信号存储。a d i p r 1 2 1 0 超声脉冲产生接收卡、电机控制卡以及超声 脉冲发生接收卡在工控机内，由工控机内的超声发射接收卡产生脉冲，经过探 头及超声发射接收线发射并接收( 本试验采用单探头发射接收) ，采集的模拟信 号通过工控机内的a d i p r 1 2 1 0 超声脉冲产生，接收卡，可以实现超声波信号的 数字化，检测的图形显示在计算机显示器上，图形及信号可分别存为图形文件和 二进制数据文件。 图2 - 4p a c i i 超声检测系统 f i g 2 - 4p a cu l t r a s o n i cc - s c a nt e s t i n gs y s t e m 1 支架2 水箱3 聚焦水浸探头4 电源箱5 电动机 6 超声发射接收线 7r 控机8 显示器 本课题采用的检测探头( 换能器) 为点聚焦探头和平探头两种，分别针对铜 一钢摩擦焊接头和汽车车身用镀锌钢板点焊接头的检测过程。在铜一钢异种材料摩 擦焊接头超声检测时，使用点聚焦探头来进行水浸超声检测，检测过程原理图如 图2 - 5 所示。点聚焦探头型号i u l 0 g 2 ，频率是1 0 m h z ，晶片直径为d = 1 2 7 m m ， 水中焦长f = 3 8 1 m m ，焦点直径为0 5 4 m m ，焦柱长为0 9 r a m 。 幽2 5 超卢水浸扫描检测原理图 f i g 2 - 5p r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ci m m e r s i o nm e t h o d 汽车车身用镀锌钢板点焊接头的检测过程使用平探头进行直接接触检测，检 测过程原理如图2 - 6 所示。平探头型号1 0 c 6 n ，频率是1 0 m h z ，直径6 r a m 窄脉 冲探头，对应宽频带。 北京丁业人学t 学顾i ：学位论土 耦台剂 2 3 本章小结 剧2 - 6 超声直接接触法检测原理图 f i g 2 - 6p r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cc o n t a c t i n gm e t h o d ( 1 ) 介绍了超声波无损检测的常用方法及其原理； ( 2 ) 介绍了本课题研究过程中所使用的超声检测设备的构成以及所使用的 检测方法。 第3 常数字信i j 处理技术肇础 第3 章数字信号处理技术基础 信号可定义为一个承载信息的函数，通常表示为时间，的函数。对于幅度和 时间都取连续值的信号称为模拟信号或时域连续信号；对于幅度值耿连续值，而 时间取离散值的信号成为时域离散信号；而对于幅度和时间均为离散值的信号称 为数字信号。我们所研究的超声回波信号就属于幅度和时i 日j 均为离散值的信号， 亦称为超声回波的数字信号。 数字信号处理是一个新的学科领域，它是把数字或符号表示的序列，通过计 算机或专用处理设备，用数字方式去处理这些序列，以达到更符合人们要求的信 号形式。例如对信号的滤波、信号有用分量的提取和增强、无用分量的削弱以及 对信号某些特征参数的估计。总之，儿是用数字方式对信号进行滤波、变换、增 强、压缩、估计、识别等都是数字信号处理的研究对象。 时域信号到频域信号的转换是进行超声波频谱分析的基础。频谱分析是对信 号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的相关物理量的谱线或曲 线。 3 1 傅立叶变换 频谱分析的主要理论基础是傅立叶变换。从信号分析的理论可知，任何信号 只要满足傅立叶变换条件，总可以分解为不同的谐波分量，而每一个谐波分量可 由其振幅和相位来表征。各次谐波可以按其频率高低依次排列起来成为谱状，按 照这样排列的各次谐波的总体称为频谱。信号中所宙的各次谐波幅度( 振幅) 值 的全体成为幅度( 振幅) 谱，它表征信号的幅值随频率的分布情况；各次谐波相 位值的全体成为相位谱，它表征信号的相位移随频率的分布情况：而表达各次谐 波能量( 或功率) 的全体成为能量谱( 功率谱) 。利用频谱分析方法，找出该信 号的频谱或功率谱，并且可以根据测量得到的信号谱来分析检测信号的特征。 自从快速傅立叶变换f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 出现以后谱分析技术 从模拟转向数字，从非实时转向实时处理，进入一个新的阶段并得到很快的发展。 所谓数字谱分析，即利用数字的方法求信号序列的离散近似谱。 基于f f t 的谱分析方法的简洁性与实用性，现代频谱分析主要是基于离散 傅立叶变换的谱分析。众所周知，任何形状的信号都可以视作无限个不同频率的 f 弦交变信号的叠加，在数学上它用傅立叶序列来表述。假设有一周期信号x ( 0 ， 其周期为丁，那么它的傅立叶序列为： n1 x ( r ) = 詈+ 吾( 巩c o s 2 n f t + “s i n 2 r c f , t ) ( 3 _ 1 ) 北京工业人学 1 2 学硕t _ - q z 位论文 式中c 2 0 、c n 、b o 一傅立时系数，z 一各次谐波的频率。 常规的超声检测信号一般可认为是有限时间的瞬态信号，而对于某一瞬态信 号x ( r ) ，可设定其周期了趋向无穷大，这时序列可以化为： x ( f ) = ix ( f ) e j 2 n ：t a t( 3 - 2 ) 这里傅立叶系数变为连续的频率函数： 巴 。 x ( f ) = lx ( t ) e 一2 。“d t( 3 3 ) 式( 3 - 3 ) b 1 1 是著名的傅立叶变换，式( 3 2 ) 是傅立叶反变换，其中厂代表频率， 砌为一复函数，其幅频和相频关系为： i x ( 厂) i = r e 【x ( i 厂) 】2 + i m 【x ( ，) 2 ( 3 4 ) 町m r c t a n ( 意譬潞 睁s ， 它们分别表示超声回波信号声压随频率变换的关系，以及被检材料对不同频 率超声波的滞后效应。将信号x ( f ) 经a d 采样后变成数字信号序列x ( n ) ，则对照 式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 可得出相应离散傅立叶变换对，在微机上数字实现信号频域转换方 法通常为离散傅立叶变换法。 离散傅立叶变换法是将离散的时间序列转化为离散的频率序列，设在超声检 测中接收的离散信号为x ( h ) ，则离散傅立叶变换可表达成： 彳( k ) = x ( n ) e 1 2 “ ( 拓o l ，1 ”，_ 1 )( 3 - 6 ) x ( h ) = ( 女) p 正“( n = o ，1 ，n - 1 ) ( 3 7 ) 式中n ，k 为序列号，v 为数字信号序列的点数，x ( h ) 为点离散时间序列， 议妁为z ( h ) 的傅立叶变换。 实现式( 3 6 ) 须舻次复数乘法运算运用f f t 快速算法，可使乘法运算量由 n 2 降为芸l 0 9 2 n 。 f f t 算法有很多种，但基本上可以分成两大类：即时间抽取法和频率抽取法， 原则上，只要是复数，即可得到快速算法，我们在超声波频谱分析进程实现 时，采用的是频率抽取基2 f f t 算法。 频率抽取法是将频率坦的序号k 按奇、偶分开。对式( 3 6 ) 的离散傅立叶变 换( d f t ) ，先将硝胛) 按疗的顺序分成前后两半，得： ( 七) = j ( 肝) w + f ( 疗) w 。= 工( ) 蝶“+ x ( 1 l + n 1 2 ) w , v 睇“2 = x ( ”) + 蝶+ x ( n + 2 ) ，蝶。( k = o ，j ，1 - ，n 一1 ) ( 3 8 ) 式中畔”= ( 一1 ) 。，分别令k = 2 r ，k = 2 r l ，= 醴，” , n 2 一，得： x ( 2 r ) = x ( 行) + x ( + 、r 2 ) 崂： ”2 0 (39)n ，2 一i x ( 2 r + 1 ) = x ( n ) - x ( n + 2 ) 】暇：睇7 令： 嬲三黧+ 一x ( n + n 2 ) x ( nn 删 ( 3 1 0 ) h ( n ) = 【x ( n ) 一+ 2 ) 暇 、 x ( 2 r ) = g ( n ) 蝶： 则： ”0 m l ( 3 一1 1 ) x ( 2 r + 1 ) = 自( n ) 蝶： 这样将一个n 点的d f t 分成两个n 2 点的d f t 。分的方法是将x ( 曲按序号 k 的奇、偶分开。式( 3 1 1 ) 运算关系可用图3 - 1 所示的蝶形运算来表示。由于n 2 仍是一个偶数，因此仍可以按照上述分解法继续分下去，直到最后剩下全部是两 点的d f t 。这个过程即是傅立叶变换的过程。 x ( ) x ( n + n 1 2 ) 【m ) 一x ( n + n 1 2 ) 】阡z 图3 1 频率抽取法的蝶形运算 f i g 3 - lf r e q u e n c ya b s t r a c tm e t h o dw i t hb u t t e r f l ya l g o r i t h m 北京丁业人学丁学坝 j 学位论文 i i i i 图3 - 2 给出了一个8 点的完整频率抽取f f t 结构。 豳3 - 2 n = 8 的频率抽取f f t 幽 f i g3 - 2f r e q u e n c ya b s t r a c tf f td i a g r a m ( n = 8 ) 3 2 小波变换及去噪理论 小波理论是从上个世纪8 0 年代后期逐步发展起来的一种用于信号处理的数 学工具，经过十几年的探索研究，它已经成为个独立的数学理论体系。小波变 换是小波理论的重要内容，是一种能同时完成时域、频域局部化的时频域分析 方法，它具有f 交性、方向选择性、可变的时频域分辨率及分析数据量小等优 良特性，被认为是傅立叶分析发展的新阶段。 离散小波变换将信号逐层精细化为逼近信号和细节信号，用较少的系数表征 原始信号。在进行离散小波变换时有多个系列的小波基可供选择，这大大丰富了 离散小波变换的内容。小波包变换是在离敞小波变换的基础上发展而来的，它在 逐层分解信号时不仅对逼近信号进行再分解，而且还对细节信号进行再分解，所 以小波包分解信号具有更精细的特点。提升框架属于第二代小波，它在框架基的 构建和选择上具有更大的灵活性，也易于编程实现。这三种变换都是小波变换的 基本形式。 研究表明，第，在用小波变换分解信号时，随着分解层数的加深，噪声渐 渐的集中到高频系数上，从而实现了信号与噪声的分离：第二，小波变换不但能 对信号进行分解，还能实现信号的精确重构。基于这两个结论，对信号进行分解， 去除或压缩由噪声控制的小波系数，再由重构算法得到去噪信号，这个过程叫做 删 州 删 删 珊 羽 炯 姗 0 ， 2 3 4 5 6 7 x x z j x x x 小波去噪【2 8 1 。 3 2 1 小波函数 定塞2 ：! 设妒( r ) 是一个平方可积函数，即少( t ) e 上2 ( r ) ，若傅立叶变换( 0 2 ) 满足条件： c ：f ! 竺! 竺! ! d o ，b e r ，其中a 为尺度因子，b 为平移因子，根据这一思想人们构造了多种 小波函数，如正交小波、紧支集小波等。最简单的小波函数是h a a r 小波其它 常用的小波函数有d a u b e e h i e s 小波、c o i f l e t s 小波、s y m l e t s 小波等。 3 2 2 小波变换 小波变换实质上是将任意一个信号j ，( ，) 以小波函数为基底进行展开，或者说 将信号，) 表示为小波函数的线性组合。 定塞2 ：2 设( ，) r ( r ) 是母小波，对任意函数j ，( f ) ，则称 驰湖= ( 舶抛( 删2 去p 少( 等) 魂 ( 3 _ 1 3 ) 为苁，) 的连续小波变换，式中a 为尺度因子，b 为平移因子。 连续小波变换中存在冗余信息，为了减少小波变换系数的冗余度和便于计算 机实现，需要对小波函数中忆。( t ) 中的口、b 进行离散化。 定竖2 ：3 设( ，) 芒l 2 ( r ) 是母小波，对任意函数a t ) ，则称： p 7 一( 日，b ) = a