（材料学专业论文）ut信号频谱分析技术基础研究.pdf

! ! 堡曼翅堡坌堑垫查董塑堕塞 摘要 在五大常规无损检测方法中( 射线、超声、涡流、渗透、磁粉) ，超声波无 擐检测匮其方岛性好、穿透能力强、能量离阱及对人体无密等优点两簿到了迅 速发震。 超声波频谱分析怒把频谱分析的理论和分柝方法应用子超声检测的技术。 一般来说，简单的超声波原始信号能够提供的信息是有限的，远不能满足声波 分析与特挺识别的嚣餐，颈对其进行定蛉热工与处理。邋过对域函数图谱鲍 谖翻与分揆，方能获德燹多静有蠲信息，以便蓬好熬指导磷究工捧与工疆实戥。 由于频域特征受耦合状态等的影“向较小，且经过系统修正后，能够做到频域特 征仅与缺陷有关，因此超声波频谱分析技术是超声波定量检测或自动检测不可 少数工具。 本文嘏据超声波频谱努聿厅静特点，综合考虑了梭溺泡潞确应、耩合状况、 探头位置褥因素的影响，制定出了一套合理的超声波频谱分析方法，并用此方 法对几种线性谱( 如相位幅度谱、相位功率谱蹲) 进行了研究和探讨。 在磺究过程中，袋嗣零均擅化、优化采样频率与探头频率的匹配等霹超声 信号颓谱分帮亍系统送行了标定。搽讨了超声波捡i l | 信号秘一亿梵理的方法，阻 及时域信号归化和频域信号归一化的优缺点。研究了几种窗函数 王旁孛，捡灏群瓣或郫 牛是否蛰合要求； 以避免对不台捂产蘸继续避行徒劳蠢薤翳懿工。该疆工佟一般磷骰震爨检查， 实质上也属予质量鉴定的范畴。产晶使用前的臌盥验收鉴定是非常必鬻的，特 别是那些将在复杂恶劣祭件( 如高温、高压、辩疵力、高德环载荷等) 下使用 敬产磊，在这方囊，秃竣检测按零亵现了能避孬酉分之委豹捡验熬无魄拢怒缝； 综上繇述，无损检测技术在生产设诗、毒l 逡工艺、囊量蕊定班及经济效益、 工作效率的提高等方面都显示了极熊重要的作用。所以无搬检测技术_ 融越来越 被有远见的企业领导人枷工程技术人员认识和接受。 1 1 2 无损梭溺技术酶发展 u t 信号频谱分析技术基础研究 从上世纪7o 年代至今是国际无损检测技术发展的兴旺时期，其突出特点 是计算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，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，以便存储和处理的微 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像处理、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、胶接结构、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，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。 表1 1无损检测的发展阶段及其基本工作内容简介 figl 一1b r i e fi n t r o d u c t i o n s y n o p s i si nd e v e l o p m e n tp e r i o da n d 主要用于产品的最不但要进行产品的最不但要进行产品的最终检验以及 终检验，在不破坏终检验，还要测量过过程工艺参数的测量= ，当认为材 产品的前提f ，发程工艺参数，特别是料中不存在致命的裂纹或人的 现零部件中的缺陷测量在加工过程中所缺陷时： 基本工作( 含人眼观察、耳需要的各种工艺参数 1 从整体上评价材料中缺陷的分 听诊断等) ，以满。诸如温度、压力、 散程度。 足 ：程设计中对零密度、粘度、浓度、2 在n d e 的信息与材料的结构 | = |容部件强度设计的成分、液位、流量、性能( 如强度、韧性) 之间建立 需要。压力水平、残余廊力联系。 、组织结构、晶粒大3 对决定材料的性质、动态响 小等应和服役性能指标的实测值( 如 断裂韧性、高温持久强度) 等冈 索进行分析和评价。 、 3 u t 信号频谱分析技术基础研究 长期以来，无损检测有3 种简称，既n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s d 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 ) 。二十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( 详见表卜1 ) ，便可清楚地了解其发展 过程。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 向n d e 过 渡，即用无损评价来代替无损探伤和无损检测。在无损检测技术日益发展的无 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 人为) 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 在役检褒，而后者多见诸于关键零部件的检测。 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伍：一个包括大学、大专、 中等专业教育和无损检测硕士生、博士生培养方向等门类齐全的教育体系。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1 5 2 0 年，但一些专门仪器设备( 如x 一射线探伤仪、多频涡流 仪、超声探伤仪等) 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，有效地缩短了中国无损检测技术水平与发达国 家的差距。 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 础科学的发展，得益于世界工业化水平的提高。同时，也由于该技术广泛采用 在产品设计、加2 1 2 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和有效的经济投入。从某意义上讲，无损检测 的技术发展水平，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。目前世界上无损检测技术最先遴者当 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的最为有效的 国家。 1 1 3 无损检测方法的选用及其对产品和质量的影响 按照不同的原理和不同的探测方法及信息处理方式，详细地统计了各种无 损检测方法，总共达7 0 余种。其中最常用的，仍然是射线检测，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。在其它无损检测方法中， 用的比较多的有声发射检测、红外线检测和声振检测等。合理地选择无损检测 方法十分重要。一般而言，选择不同的检测方法，主要基于经济和技术两方面 的考虑。 ( 一) 经济方面的考虑 目前，在加工制造业利用无损检测技术对成品进行最终检测，其主要目的 是使用户满意。当然将无损检测指定用作工艺质量控制时，作为第一步便是根 4 u t 信号频谱分析技术基础研究 据产品( 或工程) 的要求制订实用的验收拒收标准。 但无损检测技术在质量和成本竞争中的地位又如何呢? 这罩应评估的有 两个成本因子，即制造成本和使用期成本。成本的高低，主要驳决于对产品的 内在质量，及对关键零部件及组装件的检测效能。例如：e t 本小汽车中3 0 的 零件，采用无损检测后，质量迅速超过美国；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，运行公里数增加了一倍，大大提高了在国际市场 上的竞争能力。 当然无损检测技术的应用，必须有全局观念，对其局部的有限的使用，经 济收益未必能表现得那么明显。例如：若能检测出钢中的夹层，就可减少焊缝 中产生的缺陷，而要防止钢中存在夹层，在轧钢时就应检测钢坯，当然要保证 钢坯的质量，在连续铸造时就应对工艺过程进行有效的控制。而这一切控制和 检测工作，投入资本方面的计算，往往是某些企业领导人最为关注的地方。据 资料统计，世界上先进的大型企业，其在检测方面的投资有的高达整个企业投 资的1 0 。也就是说无损检测方法的采用，首先应考虑必要的资本投入，并详 细评估资金的回收( 见图卜1 ) 。 浇 金 的 回 收 好企业较好企业较差企业倒闭企业 lil| 、j o 资金在可靠性和检测方面的投入 图 卜1 在检测方法和可靠性方面增加费用所引发 f i g 1 1t h ee f f e c tc a u s e db yt h ei n c r e a s e de x p e n d i t u r e0 n t h et e s t i n gm e t h o d sa n dt h er e l i a b i l i t y ( 二)技术方面的考虑 。 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，而所有的装置、设备又都是选用不同材料 来制作零部件，然后安装而成的。 2 不产生缺陷的( 缺陷的多少轻重不一) 加工方法是没有的，而所有的零部 件都是经过多种加工工序制造的。 在对材料或构件进行无损检测时，不论在什么情况下，首先检测对象要明 确，才能确定应该采用怎样的检测方法和检测规范来达到预定的目的。为此， 必须预先分析被检工件的材质、成型方法、加工过程和使用经历，必须预先分 5 u t 信号颧谱分斩技术萋础研究 析缺陷的可能类型、方位、和性质，以便有针对性地选择恰当的检测方法进抒 检测。为了达到各种不同的检测目的，发展并应用了各种不同的检测方法。在 所有这些无损检测方法中，可以说都是很重要的，且往往又是互不相干的也 就是浇在诸多斡无攒检测方法中，没有哪一种方法楚万能的。不葡的方浇各有 特点，也各鸯一定豹是限憋，因数缎雉互耀代替。 根握检测曩的或被检对象的重要性，需簧用来攒述燃料积梅铎唾 缺陷状态 的数据相应地有多有少，且任何一种检测方法都不可能绘出所纛要的全部接 息。豳此，从发展来看，有必要使用两种成多种无损检测方法，并使之形成一 个检溯系统，才能比较满意地达到检测目的。对大型复杂设备的检测就更是如 魏。 就无揍湃徐 2 五) 雾雪，采样爱离散偿号麓颓撩嚣勿) 羲不会发生浸叠，鹚) 可 完全由采梯值确定。此称为时域采样定理。 回样，羲时蠛信号x ( o ，其程凝域中的频谱x 晒) 被频率间隔为锨蛉冲激序 裂采群，刘等效予霹域皆懿瓣壤信霹癣竣震裁斑霉= 2 x 2 蔓。在实际分攒中，一般袋襻频率取为傣号中最慧频率的3 倍，若只 对信号中某些频率成分感兴趣，分析时的戢黼频率可取所感兴趣的最高频率。 不过，糟采样点数为固定值，提高了上，就使分析频率带宽度v 增加，从而频 率分辨率变差。例如，采样煮数为1 0 2 4 ，频带数最多为5 1 2 ，麴果z 取t 0 0 0 h z ，鲈 近似为1 h z ，如果z 取1 0 k h z ，则，为i o h z ，显然频率分辨率变麓。因此若 对频率分辩率要求较高，瑟对谱篷精度要求不高对，采样频率可鬈掰戆蘧低： 如果主嚣研究信号的能量大小，对谱值要求精确，而对频率分辨率骚求不高， 则采样频率可选择高一些。对于选择性能好的滤波器。采样频率可依滤波器截 止频率豹2 3 倍柬考虑。 ( 2 ) 采样点数 进行时域分析时，采样点数越多，越接近原始信号。进行频域分析时，为 了计算f f t 的方便，采样点一般取2 兹幂数，鲤3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 1 2 ，1 0 2 4 等。有许多信号分橱设各取为t 0 2 4 点t ( 3 ) 信号重现 若毅互s = 1 工，粼采撵售号( f ) 窘育嚣傣号x ，弱全都售惑，程凝域上耀慕 样后的惰号频谱置 ) 乘以带宽为2 0 ) 的矩形频率函数便可得到原信号频谱 鼍。) ，这就是蘧，游t 3 ) 逶遗疆戆羝逶滤波器霹锹笺臻号x o ( t ) t 酣信号频谱分析技术熬础研究 2 截断与留函数 瓣有限长数据进行处壤，必然蠢藏峨，馥麟豢寒数髓爨澧瀑是影响信号努 攒耩度的整蘩透素。 ( ) 如聚用宽度为t 的窗涵数套截取一蔺斓函数，在宽度t 内，且有n 个 完整瘸麓波搿( n 为整数) ，这样俸傅立时变换时可以避免能量淹漏。 ( 2 ) 般憧凝下，泄漏总楚窖瀵存在鲍。城少酸方法怒熟寮。除了藏嚣蠢 撬爱戆楚影獬努，人l 想方谩诗了一整骛臻翡密蘧数。遮藏窝通数筑叛港蕾颦 能满足两个甏求： 第一、主瓣尽可能帮，且包围的颟积尽量太，这意味稽能量尽量蕊中，接 泼6 函数，以提高努瓣力； 第二、旁瓣耀对于主瓣尽可蘸夺，诿受交磐接遥相等，以藏少澄漏或受谗 凝聚。 实际上，这躅点不会均达最佳，常黑斡嚣瓣数楚在邀潮者之潮攒中。实际 建耀黪塞滋数，分必敷下主要类墼： 移捡溅介屡於p ( ) 愆戍。 s 蠡) = e 毒；t 氧( t ) + p 搴； ( 2 一a t ) 虽然梭测得到的撮是s ( t ) ，但有用信息都包含在p ( t ) 内。求成游积的目 的是要从对随后的被梭件评价宥用的信号中除去没有意义的系统特性。为达到 鲢髫懿，签矮记录在没煮霰捡释状态下懿筏系统斡输波接号s 。f t 。逮群翡 信号穆乏灸基准信号，建立墓撩傣弩辩谈爱戴类系统嚣豹蒺奉要求。 ( 2 - 3 8 ) 稷瓣卷积积懿结会定律： s ( t ) ；s 。( t ) m p ( t ) ( 2 3 9 ) 根攒s 。( t ) 和s ( t ) 求p ( t ) 的数学运算称之为反卷秘。求反卷糨运算在频 装遂拿亍是簧 | 二在霹域进行容晏熟多，霹巍在频域进行对可将式2 3 9 ) 改譬或摇 应的薅氐凝谱筑蓠蕈运算： s ( f ) = s o ( f ) p ( f ) ( 2 4 0 ) 壤简攀陲运算镬可求餐反卷积： p ( f ) = 器 ( 2 - 4 1 ) 最常见的做法越将检测信号频谱按对数刻度计算，用从s ( f ) 炽蜮去s 。( f ) 骜方式慕宠或颧域遘抒戆复卷积运篓。这秘运算方式是越声羲谱分褥中蘑囊爨 除换能器和有关毫路晌应的通常做法。 l t 信号频谱分析技术基础研究 参考文献 1 】蒋危平，方京编著超声检测学武汉测绘科技大学出版社，19 9 1 6 2 】北京市技术交流站超声波搽伤原理及其应用机械：业出版社，1 9 8 2 3 f 3 】j 尧骨特克洛默、h 。克劳特克洛默著，率靖簿译超声检测技术广东科技出版式 社，1 9 8 8 1 第一敝 【4 】j s z i l a r d 。u l t r a s o n i ct e s t i n g 。n e wy o r k ， 9 8 2 【5 】同济大学声学研究室。超声 二业测量技术，上海人民i 是舨鞋，1 9 7 7 。9 第一舨 6 】张志永水漫聚焦超声波探伤原理，机械工业出舨社，1 9 8 9 1 2 f 7 1 中围无损检测学会编译超声波探伤。机械工业出版社，1 9 8 7 1 8 】k r a u t j r a m e rj e t c u l t r a s o n i ct e s t i n go fm a t e r i a l s b e r l i n ，s p r i n g e r v e r l a g 。19 8 3 【9 】李喜需，林莉超声波频谱分析技术大连壤工大学材料系n d t 教研室，1 9 9 9 0 蒋滋葫，张庆主编动态测试理论与应j 千i 东南天学出版社，t 9 9 8 8 f l j l 千宝祥主编信号与系统。暗尔滨一盈天学密敝辛_ ：， 9 9 6 5p 4 i 【1 2 ”一菱美，褰秘全缡著，数字信号处理疆安壤子籽按犬攀密敝社，1 9 9 4 6p 9 7 f 1 3 1 e o 毒赖姆，樱群译。牧迷傅立叶交换上海。上海科学技术出舨社t 1 9 7 9 f 14 1 美嘲无损检测手册超声卷( 上j l | ) ，世界图书出版公司1 9 9 6 u t 倍弩频谱分辑技术基磕研究 3 1 实验装置 3 。1 。l 实稳装置示意翳 园环聪 直搽头 样品 第三章实验方法 图3 - 1超声波频谱分析系统拳意 f i g 3 1t h es y s t e mo f u l t r a s o n i cs i g n a ls p e c t r u ma n a l y s i s 3 1 ，2 实验设备 1 探头旷“ 图3 2 是一个纵波直探头，利用石英材料的压电效成制成，主要妇：( 1 ) 保护貘( 2 ) 压电翕嚣( 3 ) 隧忍块( 4 ) 壳体缀袁，还蠢与仪器连接蕊露轴甍 频电缆稻缓俘等。 实验中使用的直探头为2 5 p 2 0 d ，即频率为2 5 m h z ，赢径为2 0 m m 。 图3 - 2 直探头示意 壳体 瞪尼块 压奄滠片 保护膜 f i g 3 2 i l l u s t r a t i o n o ft h e r e c t a n g u l a r 图3 - 3 网环压块示意 f i g 3 3 i l l u s t r a t i o no f c i r c l e w e i g h t u t 信号频谱分拆技术基础研究 2 困环压块 图3 - 3 因环压块是为了使直探头在检测过程与被检测件耦合状况保持一 致脚把园环压块套在直探头上，重为2 k g 。 3 。罩s 一2 i 鍪搽痿仪 c t s 一2 l 型探伤仪怒一种a 型脉冲反射式趣声波探伤仪。 4 s r - 1 6 溅示波器 在实验中用于观察髂号的原始波形。 3 2 实验参数选择 3 2 ，l 检测频率 按琵器竣溺频率一毅藤崔0 。1 - - i o m h z 懿范困，零实验采瘸叛率2 。5 m h z 。 3 2 2 探头直镪 探头直径的选择本应睦； 扩散角冠悫。现在已知探头直径为2 0 m m ，则可以用 武条件诗算臻两角。 3 2 3 采集板聚集频率 采集频率设定为2 0 m h z ，符合采样定理的要求。即采集频率f ，= 2 0 m h z ，测 频率f 。= 2 5 m h z ，满是f ；2 曩。 3 2 43 8 c r m o a l 样品制备“3 棰品的尺寸受嚣个方瓣因素约束：淬透牲昶零寒在样品中的扩教。 袭3 13 8 c r m o a l 钢的淬火临界赢径 像证实验祭 串的稳定。 3 8 c r m o a l 锶懿淬透毪冤袭 3 一l ： 由于3 8 c r m o a l 钢的淬遴 瞧较好，教只须水淬裁可潢 是条件，祥晶黪淬火有效纛 径应小于6 9 m m 。 ( 2 ) 声柬在样品中的扩 教：计算声压 减小戮辆线上声压一半 名 2 0 卜一 图3 - 4 样品指向角示意图 f i g ，3 4i l l u s t r a t i o np o i n t a ta n g l eo f s a m p l e 以 坚燕曼塑鲞坌翌鍪垄鳘璧竖窒 时的指向角e ( 此时捺向系数d 。= 0 5 ) 。 已知：d = 4 0 m m ，r = 2 0 m m ，f = 2 5 m h z ， 设榉晶孛声遮为c = 5 9 0 0 m s ， 由公式 丸= 嘭( 3 l 得k = 2 + 3 6 m m 工 天一榉燕孛声波长 f 一撩头菝霉 r 一样品截顽举径 搬d 。- - 0 。5 时，查轰德 k x 昙x s i ng = 2 。2 5 ( 3 2 强dn 一0 时，x 寸成半扩散角0 。一8 44 ，即裔 i x 昙s 刚产3 。8 3 ( 3 - 3 ) 联立( 3 - 2 ) 、3 - 3 ) 奋 s i n 2 2 5 s i n o o 3 8 3 ( 3 - 4 ) 忙凼泣2 5 x 警) 砘9 6 ( 3 - 5 ) 餐么t ge 一0 。0 8 5 6 故h m 之一2 3 3 m m( 3 - 6 ) | 9 8 静群晶貌糕器长凄魏为2 3 3 m m 。 实验中熬群菇尺寸魏：零4 0 0 。5 r a m ) ( 3 5 0 。5 m m ) 究金渍麓上述嚣方 丽的要求。 实验中氍照故袭蕊壤糙发炎3 ，2 。 3 2 ，5 糕台裁静选择 在用艇声窟接接触法进行检测时，在换能器( 探头) 和被检材料之间须加 入合适熬褥会剡，零次实验联用的耨烩刘炎搬渡。 3 。2 。6 燕照瓒工艺静滤释 为了保_ i 磁本次实验璎求的越始奥氏体晶糍度一致，需蒙j c 尊样品进行会适的 熬处理。黯予3 8 c r m o a l 钢，冀羧爨悫澧度帮纯攀成努以及摭准热处理鼹范详 见表3 2 、袭3 - 3 、袭3 - 4 。 表3 - 23 8 c r m o a i 临群溢震 t a b i e 3 - 2c r i t i c a lt e m p e r a t u r eo f3 8 c r m o a is t e e l u t 信号频谱分辑技术基础研究 表3 33 8 c r m o a l 化学成分 t a b l e 3 - 3c h e m i cc o m p o n e n to f3 8 c r m o a l s a m p l e 袭3 - 4 t a b l e3 4 3 8 c r m o a l 试梯熬热处理王艺及缠织结构 h e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sa n d 嫩i e r o s t u e t u f e so f3 8 c r m o a i s a m p l e s 3 ，3 实验过程 3 3 1 热处理工艺制定 为了消除藤材科组级不均匀对阻爝的热簸璐精绞带_ 柬的彩晌，在滋干予正式 熬楚褒之蔫，先对4 个棒菇避褥预瘫煞跫淫。致先热楚疆王雹为蟊兰炎熟鲶瑾工 芑，实验中豁蒸楚莲芏葱辫是莲3 一； 赞3 53 8 c r m o a l 榉鑫熟楚壤互蕊嚣 f i g 3 - 5 i l l u s t r a t i o no fh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s o f3 8 c r m o a i 其中， 涵淬+ 1 9 04 c 懿滠灏必佞瀣2 小蜡一滓火+ 羲漫强火 涵淬+ 6 6 0 萄温醚火保滚2 ，l 、孵一淬火+ 高温霞火 3 3 2 超声枪测前样龋处理 藏撵熬雳2 8 0 芎s i c 承砂纸在于黪氛上蘩乎，去捧蕊楚溪道毽孛产生载氧 ! ! 堡芝塑堂坌蔓鳖查茔型堑塞 化皮，以便进行超声榆测。 3 3 3 越声检测及数掇采集 为了褥弱缓诗糕律，每个群瀑取5 令点 ( 见图3 6 ) ，每个点采集3 组数据，每个 样品1 j 级数据。根攒这些数据进行频谱分 析。 表3 - 5参数选择 t a b l e 3 5c h o i c eo f p a r a m e t e r 3 。3 4 对采集数据的分橱押。” 1 将采集来的数据进行数据预处理： 即改变信号的数据形式，数攒校准，剔点处理和预验数据( 预骏数据是在 对数据避行分褥之瓣谈走检验一次，娃发残琴珏处理数撼中可能存程粒蚤耪阉 题；预黢数据包括零均僖纯积滔除趋势项两个方面) 2 对预处理过的数据进行信号分析： 对数据进行截断和加窗；归一化；进行f f t 变换；作出3 8 c r m o a l 不同热 处理获态下实部、蕊部、模、稳键、功率等豹潜图势送行疆究分辑；对实部秘 虚部避行进一步的分析研究。 3 3 5 惫相样品制备m 1 终稻燕先螽爱2 8 0 、4 0 0 、6 0 0 、8 0 0 、1 0 0 0 号s i c 寒移纸进行磨铡，然后 抛光，阁4 硝酸酒精溶液腐饿，在4 0 0 倍金秘显微镜下躐察并照相。 3 3 6 将滋图和金相照片进彳于比较研究 u t 信号频谱分祈掖术基础研究 参考文献 1 1 蒋危平，方索编著超芦梭测学，武汉测绘科技大学出版社，1 9 9 t 6p 9 5 【2 】牵壤，马霹舞等译棱。趣声掇褒法，+ 客毒毒技出羧社， 9 8 1 6p 6 9 ( 3 】爱国华等编溉代热处理察粥技术数据手册菌防王姚出版社，1 9 9 9 【4 】熬懿瑾手册缡萱会编热怒邂手麓( 第酾卷) ，机械工、救出版社，1 9 9 2 鞭缓建建，张蒜璐绫著。超声捻溺嚣建秘方法。中鞭辩学技术太学爨鞭秘，t 9 9 3 【6 】孙珍宝，皋谱藩，辞慧辫，翕鼗鬻会金锈手蓊主臻潦金l 业爨舨巷， 9 8 4 。 7 】李喜盂，拣莉超声波频谱分析技术大连壤工大学材料暴n d t 教磷塑，1 9 9 9 【8 】蒋洪明，张威盘编动态测试瑚论与廊用求南大学出麟 叶= ，19 9 8 8 1 9 乏宝律主编倍号与系统艚a i 滨。上业人学i 出暇社，1 9 9 6 5p 4 f 稍j + 互美，藤嚣全踽萋数字赣号处壤，鳇索奄予辩援丈攀爨簸疑，】9 9 4 ，6p 9 7 【1 1 j 俺搬殛数字僖母处理盼穗论与实现c m 第1 2 版，魏京：入融蹄电出版社，1 9 8 3 【1 2 】国家投械z 数委员衾绞编。袅摆检验技术基糍耩城工泣斑簸柱，1 9 8 8 。9 u 信号频漤分褥技求基础磺突 第四章实验与结果 4 1 u t 信号的零均值化处理n 1 1 零均值化，也日q 中心他。即把被分车厅数据转换为零均馕靛数握，遗榉霹 以篱纯以惹分辑中所使霜浆公式帮诗冀。 设对连续样本记录“( ，) 采样后得离散数据序列缸。 ，n = 1 ，2 ，n ，其均值为 铲嘉塾 ；， 中心化就是定义一个新的时间历程 x ( f ) = “o ) 肌 ( 4 2 ) 对x ( f ) 采祥后得离散数据痔弼 b 。 = 缸。一心 n = l ，2 ，n ( 4 3 ) 薪兹数据滓褒藏 羲均篷段= 0 ，渡嚣熬分疆裁以扛。 数撵为窭发点。 按理论上来说，本燕验应取触教脉冲后至二次回波之间对连续样本记录 “f ) 采样后得到的离散数据序列，n = 2 5 6 。 其均蓬为： 以2 专著2 去军( 4 - 4 ) 实际实验时并没有取这么多的点，只取了1 2 8 个点。这就要求对其均值进 行掺聂( 跑较时取衰城毽必2 0 d b 和2 4 d b ) ，著对惨燕嚣的效慕送行毙较。 胁= ，：匹= 击2 - - z ( 4 5 ) 胁2 ，l 甜一2 糯甜” 。4 一。 t 衰减为2 0 d b 时： 表4 - 1 参数的选择， t a b l e 4 1c h o i c eo f p a r a m e t e r ! ! 耍曼塑堡坌堑垫查篷! ! 堑壅 ：j 习 3 0 0 2 0 0 ，0 n d 1 0 0 2 0 n ”乏爹”。：一一f 一”善焉、”：”一一，i e2t$ 释 l 2 # 8 ：辛i 8 - - 1( 。o 0 5 u 塞) 图4 - 1理论修正波形与示波器显示波形的比较 f i g ，4 1c o m p a r eo fw a v es h a p eb e t w e e nt h e o r ya n dt h e c o n t r a i n d i c a e do nt h eo s c i l l o g r a p h _ 一凄际悔正波形 2 正 ( 4 6 ) 瑚。瑚 枷 勰4 | 疆信号频谱分辑技拳蓥i i 磺竞 1 若工过小，即采样间隔r 很大( 如图4 - 6 ) ，此时很可能发生将高频信号 误试隽 i 晰a tk a 矗a 一vvvi f 腿v ，。 隧4 - 6 频率混淆 f i g 。4 - 6f r e q u e n c y d i s t o r t i o n 2 ，粟撵频率z 并不是越高越姆，这不仪圆为工太大时，对一定时闻长度的 记录素诞箕数字枣捌太长磊葫大计雾工箨鬣，贫赣毪越粪。更交予嚣静采撑额 率会使信号的频谱黛得租糙，谱瀚的频率分辨率变低，即相邻两谱线洲的距离 变大e 3 为了瀵除频率潺淆理象，霹爨按采榉窆瑾选取其赣较毫采榉频率菸a d 扳”3 ，般取z = ( 3 一一4 ) 五。 经过对各种不同形状脉冲分析研究詹认为，在一个脉冲内能采得5 7 个点， 瑟点昙喜薅，港鞠摄蓬窝掇馥蘸误差裁露睡控餐褥很小。袭奁进行辣薄激 励实验中采样频率工虑同时满足两个条件： 羹2 蠡彝z 4 - ? ( 1 ) 采样频率取得越高，则程一个脉冲信号中采样点数越多。缀采样离散 后的脉冲波形畸变稔艘越小。 2 ) 莱榉频率，暴榉长度，频率分辨率，数摆块容量，采样瓣舞溺醛之闯鲮关 系可以用下面公式装遮： 三= a w = i f n即酽= 圭；务 ( 4 8 ) 式中：z 一采样频率蟛一隳率分辫率 l 一莱祥长度盘采样露潮闼满 n 一数据块容量 v j 信号额谱分辑鼓末基戳辑究 d 。2 2 实验结论： 1 由上耐讨论和分榭知，采样频率上与频率分辩率之间是相互制约的。 2 ，当采样频率工增大露，数据浃容量n 走定俊，剃采捂长发l 蘸会缩短， 遮就会引起部分信号的莠必，同时频帮分辨率，也会变粗。 3 。蟊暴黉捷毒颓率分辨率琴，程一定翁l 之下虽蕈缮降低装榉赣率f ，有 可艟使频谱的误差增大。 4 出采样频率z 与探头频率上聪配示意图4 - 5 可知：2 5 m h z 的探头用 5 m h z 翡采择鞭率舔2 嵇关系露墨形失真严重；2 。5 m h z 懿搽头鼷i o m h z 黪采样 频率即4 倍关系时图形蒸本不失真i2 。5 m h z 的探头用2 0 m h z 的采样频率即8 倦关系时，图形接近于原始图形，能较完整地复原信号，此时波形与显波器显 示波黟雾誊数接近。 5 由实验可知：耍保证采集静嚣号不失真刚需傈 正f 8 z 较为含邋；在 本实验室现谢条件下( 采寨板最高采粲频率为2 0 m h z ) ，实验时可以考虑将采样 频率溺至最蠢缓2 0 m h z ，攥头频牵可选择在2 5 m h z 以下秘可满足要求。 4 。3 不同窗涵数对频谱分析的影响 在嚣育鬻长数据透行楚莲霹，必然餐截甄鬣裂发生，截断繁寒翁戆鼙澄灞 怒彩响信号分析精度的薰蛋因素。毽怒，如果鼹宽液为t 韵寤涎数去截敬震 期函数，在宽度t 内，腿有n 个完憋周期波形( n 为整数) ，这样作傅：就叶变 换聪可以避氮泄漏。 本实验以3 8 c r m o a l 镪为试榉，选择了蓬耱肖代表注魏霪鼹鼗( 筇缀影霪、 汉宁窗、海明窗、和稚菜克曼窗) 来比较信号缀加密处理的效果，频谱黼式分 别采用相位幅度谱和相位功率谱。 u t 信号频谱分析技术基础研究 萎：薹r 叫。一八 二o u2 4oe 1o 。 ：7 。：“2 。 ，。 r 、 一、少厂， r 、0 1 一、气r - 。 l 八鲫籼i n g 埔蝴觥 ! u 卜八一一，7 i 。z j。4 。一；：“。： ， 罢， ，p 霎：蓦r ：金，) 。1 图4 7 不同窗函数相位功率谱的比较 度谱 f i g 4 7p h a s ep o w e rs p e c t r u mo f d i f f e r e n tw i n d o wf u n c t i o n 荸暮 l p 寰 雪a i 最 4 羞主 u t 倍芍频谱分析按术基础研究 ? ，7 。：。“2 e ，。 r 、一八a ，懈，一 r 墨。z 孓：7 ：j 。? i 卜。再焉。 r o 。八二：i ：= 广o ” 卜_ 、k 夏_ 。= 。 - i 。j ? 曼。? ” 曼j 。 纩弋气，八，一；，、。，r 广飞一 匿4 - 8 不丽密函数相像功率谱静魄较 f i g 4 - 8p h a s ep o w e rs p e c t r u mo f d i f f e r e n tw i n d o wf u n c t i o n l一差*差 鲁嚣一普 露童营 詈9 j 8 | 6 最 旃喜一毽迁 u 信号虢谱分辑技术藁磴疆究 4 3 1 实验结果： l + 较四种不同塞鼹数的相位幅度谱见图4 7 。 簸穗位凛发谱上帮攘位部分可以看警：当频率小予4 m h z 时，缒影密、汉 宁窗、海明窗、布莱亮曼窗的相位谱几乎没有什么变化。而频率大于4 m h z 时， 这四种窗函数的相位谱就变化比较大，具体体现在汉宁窗、海明窗、布莱克曼 窗的相位谶峰值的宽度比矩形霞的宽，其中以稚莱克曼密的相位谱表现最为明 显；其次鬻耱窑函数戆峰篷点对藏频率不一致，盈图形穗线变纯邀比较大。 从相位幅度谱下部幅度部分来看：四种窗的幅频特性曲线极为相似，只不 过汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗的幅频特性曲线比矩形衡的幅频特性曲线更为 平滑。 2 较溺释不丽密戮数豹稳位秘率谱霓鹜4 8 。 从相位功率谱可以看出，其相位功率谱柏频特性曲线和幅频特性曲线特点 与相位幅度谱的相频特性曲线和幅频特性曲线基本相同。 4 3 2 实黢分析与结论： 1 、总体来看四种窗函数对频谱图影响不大。其中对相频特性曲线影响稍 大些，丽对幅频特性曲线影响就不是很明显。分析其原因：其一是出于窗函数 羲竟度善跑较窒：箕二是毫予本蜜验数据采榉点程对较少。这撵一寒裁鼗对奉 实验带来的能量泄漏几乎可以不予考虑，实验时o r e n g e 软件处于默认加矩形 窗的状念( 即不特别加窗也就是加了矩形窗) ，故从实验数据处理的简洁性考 虑选择了矩形窗。这种寓的优点怒能量比较燕中，缺点是旁瓣较高，井有负旁 瓣，导致嶷换孛豢迸了离频手挠籁灌瀑，甚燮出臻受谱臻象。 2 、考虑被分析信号的性质与对处理结聚的要求。如架说要求精确读出主 瓣频率，丽不考虑幅慎精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗， 例如测量物体的自振频率等。 3 、勇一方面看，主瓣宽_ f 搿平坦也有好缝e 函为在鞭蠛肉静采襻点五与酹 要求的频率之间有最大为a f = 环( 频率分辨带宽) 的误麓，导致在浚频率分 1j 量上幅 蠹豹不确定缝误差。若主瓣宽磊乎，该误差裁夺。秘鲡溪宁窑琵矩形窑 主瓣宽平，这种幅值误差就大为减小。为了谶步减小幅值测量误麓和泄漏， 还可采用多次加窗的办法，例如可以三次四次的加汉宁衡，效果会越来越好。 不过，多次搬窟会使频率分辨力降低，且要进行相应的对方差减少的修正处理。 4 、麴豢分聿厅密零信号辩带肖较强静予魏噪声，戴巍途瘸旁瓣穗发小数密 函数，如汉宁窗、三角窗等；对予随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来 提高信噪比。 一! ! 堕三塑堂坌塑垫查茔型婴圣 4 4 u t 信号归一化处理的探讨”， 归一化实验选用的材料为3 8 c r m o a l 钢：热处理状态为淬火态：超声波检测 信号归一化参照介质选用水。实验时重点要求比较不作归一化、时域信号归一 化、频域信号归一化的效果。需要比较的内容主要有相位幅度谱、相位功率谱、 功率 波2 0 0 高 。 波 20 0 问0 _ ”w 一”一一一 抄 图4 - 93 8 c r m o a l 钢淬火超声信号 f i g 4