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用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 摘要 在五大常规无损检测方法中( 超声、射线、磁粉、渗透、涡流) ，超声波 检测因其具有方向性好、穿透能力强、能量高以及对人体无害等独特的优点， 而得到了广泛的应用。 超声回波数字化信号是一串随时间变化的量，它由确定性信号和随机性信 号组成，确定性信号的时间函数能用明确的数学关系式表示，随机性信号可采 用统计方法分析特征值和选择最佳特征子集。信号中代表被检物质的相关信息 均溶入到随时间变化的因变量中，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，微观组织结构的形态、力学性能( 强度、韧性、硬度) 以及应力状态等。 数字信号处理是一个新的学科领域，它通过计算机或专用处理设备，用数 字方式去处理数字或符号所表示的序列( 例如，信号的滤波、信号有用分量的 提取和无用分量的削弱以及信号某些特征参数的估计等) ，以得到更符合人们 要求的信号形式。 传统的超声波检测用手工进行，操作人员凭借经验对探伤仪上显示的波形 进行评定，有一定的主观性，缺乏对信号本身的解剖，无法从根本上求证信号 与被测对象之间的必然联系。为了能准确地提取出蕴涵于超声波信号中的信 息，我们可以利用数字信号处理技术，从时域方面建立超声波信号的有限参数 模型，从而将含在大量数据中的信息浓缩在有限个参数上。模型不仅可用于对 信号的内在变化规律性与统计特性的描述，还可用于对过程的预测、控制，或 对设备的工况监测、故障诊断等等，它比一个具体的时间序列或按数据所估计 的特征量，更具有代表性。 本研究课题对3 8 c r m o a l 试样分别进行正火、淬火、淬火+ 低温回火、淬 火+ 高温回火处理；然后，利用超声检测装置，获得四种热处理状态下的超声 回波数字化信号；最后，利用数字信号处理技术，分别对信号的确定性部分建 立指数、周期趋势模型，随机性部分建立自回归滑动平均( a r m a ) 时序模型。 研究结果表明：四种热处理状态下的叠合模型均能很好地再现原始采样信号， 而且其状态的识别效果显著。 关键词：超声回波热处理状态数字信号处理a r m a ( p ，q ) 模型 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 a b s tr a c t a m o n gt h e f i v ek i n d so fn d tw a y s ( u t ，r t ，m t ，p t ，e t ) ，u l t r a s o n i c t e s t i n gt e c h n o l o g y i s b e i n ga p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha s g o o do r i e n t a t i o n ，s t r o n gp e n e t r a t i n ga b i l i t y ，h i g h e re n e r g ya n dh a r m l e s s n e s s d i g i t a ls i g n a lo f u l t r a s o n i ce c h oi sak i n do fs i g n a ld e p e n d i n go nt i m e ，w h i c h i n c l u d e sd e t e r m i n i s t i cs i g n a la n ds t o c h a s t i cs i g n a l ag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o ni s i n c l u d e di n s i g n a l s ，s u c ha so r g a n i z a t i o n a ls t a t u s o fm a t e r i a l s ，t h e d i s t r i b u t i o n ， d i m e n s i o na n dt y p eo ft h ed e f e c t i o n ，t h em o r p h o l o g y ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n d s t r e s ss t a t eo ft h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n ds oo n t h ei n f o r m a t i o ni sr e f l e c t e db y d e p e n d e n tv a r i a b l e sc h a n g i n gw i t ht i m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi s ad e v e l o p i n gd i s c i p l i n e b yu s eo fc o m p u t e r so r s p e c i a lp r o c e s s i n gd e v i c e s ，s e r i e sa r ep r o c e s s e dt h r o u g hd i g i t a lp a t t e r nt og e tm o r e c o n t e n t e ds i g n a lf o r m a t s t r a d i t i o n a lu tw a sc o n d u c t e db yh a n dt h eo p e r a t o rc a nn o ta n a l y s es i g n a l s a c q u i r e dc o r r e c t l y ，b e c a u s et h e yj u d g ew a v e f o r m ss h o w n o nt h ed e t e c t o ro fd e f e c t s b y t h e i ro w ne x p e r i e n c e s ，w h i c hr e s u l t st h a tt h e p o s i t i v e c o n n e c t i o nb e t w e e n s i g n a l s a n d o b j e c t s c a nn o tb ec e r t i f i e d t oo v e r c o m et h ea b o v e m e n t i o n e d s h o r t c o m i n g s ，w ec o n s t r u c tm a t h m o d e l so fu l t r a s o n i cs i g n a l si nt i m ed o m a i na n d c o n c e n t r a t ei n f o r m a t i o no nl i m i t e d p a r a m e t e r s t oe x t r a c ti n f o r m a t i o n e a s i l y ， t h r o u g hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h em o d e lc a nb eu s e dn o to n l yt o d e s c r i b ei n h e r e n t c h a n g i n gl a w s a n ds t a t i s t i c a l p r o p e r t i e s ，b u t a l s ot of o r e c a s t p r o c e s s e s ，m o n i t o rd e v i c e sa n dd i a g n o s ef a u l t s m o d e l sa r em o r er e p r e s e n t a t i v e t h a nt i m es e r i e so rc h a r a c t e r i s t i cv a l u e s i nt h er e s e a r c h ，a tf i r s t ，38 c r m o a ls a m p l e sw i t ht h es a m es i z eh a v eb e e n h e a t t r e a t e ds e p a r a t e l y ，t h e s eh e a tt r e a t m e n t sa r en o r m a l i z a t i o n ，q u e n c h ，q u e n c h & l o w t e m p e r ，a n dq u e n c h & h i g ht e m p e rs e p a r a t e l y ；s u b s e q u e n t l y ，d i g i t a ls i g n a l so f u l t r a s o n i ce c h oi nd i f f e r e n th e a t t r e a t e ds t a t e sa r ea c q u i r e db yu l t r a s o n i ct e s t i n g i n s t a l l a t i o n ；f i n a l l y ，t h em o d e l so ft h ee x p o n e n t i a l p e r i o d i c i t yf u n c t i o na n dt h e a r m a ( p ，q ) t i m es e r i e s a r ec o n s t r u c t e db yd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a to r i g i n a ls i g n a l si nd i f f e r e n th e a t - t r e a t e ds t a t e sc a n b es i m u l a t e d b yc o r r e s p o n d i n g m o d e l s p e r f e c t l y ， a n dt h ee f f e c to fs t a t e d i s c e r n m e n ti s s t r i k i n g k e y w o r d s ： u l t r a s o n i ce c h oh e a t - t r e a t e ds t a t e s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m o d e lo fa r m a ( p ，q ) i i 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 1 1 无损检测概述 第一章绪论 1 1 1 无损检测的定义 无损检测以不破坏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。包括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。 1 1 2 无损检测的目的 无损检测的目的主要从以下三个方面予以阐述： 质量管理 每种产品的使用性能、质量水平通常在技术文件中都有明确的规定，如技术条件、 规范、验收标准等，均以一定的技术质量指标予以表征。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，例如控制材料的冶金质量、加工工艺质量、组织状态、涂镀层 的厚度以及缺陷的大小、方位与分布等等。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。当然，利用无 损检测技术也可以根据验收标准，把原材料或产品的质量水平控制在设计要求的范围之 内，勿需无限度地提高质量要求，甚至在不影响设计性能的前提下，使用某些有缺陷的 材料，从而提高社会资源利用率，亦使经济效益得以提高。 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。这对于重要的 大型设备，如核反应堆、桥梁建筑、铁路车辆、压力容器、输送管道、飞机、火箭等等， 能防患于未然，具有不可忽视的重要意义。 在役检测的目的不仅仅是及时发现和确认危害装置安全运行的隐患并予以消除，更 重要的是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，还要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，应进行最终检验， 此即为质量鉴定。其目的是确定被检对象是否达到设计性能，能否安全使用，亦即判断 其是否合格。这既是对前面加工工序的验收，又可以避免给以后的使用造成隐患。应用 用数字信号处理技术初探超声同波信号模型 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。 该项工作一般叫作质量检查，实质上也属于质量鉴定的范畴。产品使用前的质量验收鉴 定是非常必要的，特别是那些将在复杂恶劣条件( 如高温、高压、高应力、高循环载荷 等) 下使用的产品，在这方面，无损检测技术表现了能进行百分之百的检验的无比优越 性。 1 1 3 无损检测技术的发展 从上个世纪70 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己开始应用。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、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。 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 ) 。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。它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、加工和在役检查，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。已形成了一个包括中等专业教育、大学 专科、大学本科和无损检测硕士生、博士生培养方向等门类齐全的教育体系。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 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。 2 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 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。从某种意义上讲，无损检测技术的发展水平是一 个国家_ 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进者当属美国，而德国、曰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“1 。 表卜1无损检测的发展阶段及其基本工作内容简介 b r i e fi n t r o d u c t i o n s y n o p s i s i nt h ed e v e l o p i n gp e r i o d a n db a s i cc o n t e n to fr l o n d e s t r u c t i r et e s t i n g 1 2 超声检测概述 1 2 i 超声检测的定义 在工业生产领域，目前应用最广泛的无损检测技术主要是所谓的“五大常规”技术， 即：超声检测( u 1 t r a s o n i ct e s t i n g u t ) 、射线照相检测( r a d i o g r a p h yt e s t i n g r t ) 、 磁粉检测( m a g n e t i ct e s t i n g - - m r ) 、渗透检测( p e n e t r a n c et e s t i n g p t ) 、涡流检测 ( e d d y c u r r e n tt e s t i n g - - e t ) 。此外，在工业领域中，现在也越来越多地应用到诸如 声发射检测、中子射线照相检测以及许多其它新的无损检测技术“1 。 超声检测是无损检测的主要方法之一，它利用材料( 或工件) 内部缺陷对超声波传 播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面缺陷的大小、形状和分布状况及测定材料性 质“1 。在常规无损检测方法中，超声检测因其具有独特的优点而得到了迅速地发展。 用数字信号处理技术初探超声同波信号模型 1 2 2 超声检测的优点 超声波的方向性好：超声波具有像光波一样良好的方向性，经过专门的设计可 以定向发射，犹如手电筒的灯光可以在黑暗中帮助人的眼睛探寻物体一样，利用超声波 可在被检对象中进行有效的探测。 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。例如在 一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 超声波的能量高：超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大 于声波的能量。 遇有界面时，超声波将产生反射、折射和波型转换：人们利用超声波在介质中 传播时的这些物理现象，经过精心设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得到了大幅 度的提高。 对人体无害。 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。如用声速法评价灰铸铁的强度和球墨化程 度，超声衰减法和阻抗法测定材料的性能，超声衍射和临界角反射法检测材料的力学性 能和表层深度，超声显像法和超声频谱分析法的进展与应用，激光等新型声源的研究， 以及新型超声检测仪器的研究等，都是比较典型和集中的研究方向。 1 2 3 1 典型构件的超声检测技术 大型锻件超声检测 锻件是一种常见的构件，在使用中承受的载荷很高，制造成本也较高，因此对其内 在质量和缺陷的检测要求一般都比较严格。通常，大型锻件的超声检测采用2 5 m h z 的 超声波频率，检测方法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 虽然铸件种类繁多，但其超声检测方法与锻件有许多相似之处。锻件内部组织粗大、 致密性差。与锻件相比，对超声波的衰减大，穿透性亦较差。在对铸铁件检测时，般 选用较低的超声波频率，如o 5 2 m h z ，检测灵敏度较低，只能检出面积较大的缺陷。 鉴于铸钢件的穿透性比铸铁件要好，可选用2 5 m h z 的检测频率。 经过表面加工的铸件，可用机油作耦合剂，采用直接接触检测法进行超声检测。表 面粗糙的铸件可采用水浸法，也可使用粘度大的耦合剂( 如润滑油或浆糊等) 并敷设塑 料薄膜后，采用直接接触法进行检测。对不同类型和材质的铸件进行超声检测时，除内 部质量较好的铸件可采用反射法外，大都采用底波衰减法，根据底波的衰减程度来评价 铸件质量。 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锻造成型的，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。对于 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 壁厚在3 m 以下的薄壁壳体可只用表面法检测。通常使用易于磨制的塑料外壳环氧树脂 小型k 值探头，k 值选1 5 2 ，频率选2 5 5 m i z 。探伤时采用接触法，用机油耦合。 复合材料检测 某些结构件是由两种材料粘合在一起形成的复合材料所制成的。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。 当复合材料是由两层材料复合而成时，粘合层中的分层多与板材表面平行，常选用 脉冲反射法进行检测。 采用脉冲穿透法，两个探头分放在复合材料的两侧，面对面一发一收，当粘合良好 时，接收的超声能量大，否则声能减小。此法特别适用于检测声阻抗不同的多层复合材 料。 共振法适用于检测声阻抗相近的复合材料，粘合良好时，测得的厚度为两层之和； 粘合不好时，只能测得第一层的厚度。可以使用共振式超声测厚仪进行检测。 各类构件焊缝的超声检测 焊缝的超声检测用得较多，主要是气孔、夹渣、未熔合、未焊透和焊接裂纹等缺陷 的超声检测。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( 塑料、有机玻璃、陶瓷、橡胶、混凝土等) 中的衰减，一般都 比金属大。为减少声能衰减，多采用低频率检测，一般为2 0 2 0 0 k h z ，也有的用2 s m h z 。 为了获得较窄的声束，一般采用尺寸较大的探头。 塑料零件的检测一般采用纵波法，探测频率为0 5 i m h z ，使用脉冲反射法。陶瓷 材料可用o 5 2 m h z 的纵波和横波探测。橡胶检测频率更低，可用穿透法检测。 炸药饼块和药柱也可用超声波检测，但声能衰减较大，一般采用低频，如2 5 0 k h z 进行探测。检测方法可以采用脉冲反射法( 在这种情况下，用多次底波进行判别) ，但 最好采用水浸穿透法。 1 2 3 2 超声波测量技术 超声波测量技术的基本原理是利用介质的声学特性( 如c 、a 、z ) 与某些待测的工 业非声学量( 如强度、弹性、硬度、密度、温度、粘度、浓度、流量、流速和厚度等) 之间存在的函数关系或相关性，并探索这些关系的规律，通过测量声学量测定工业非声 学量 1 1 。 1 2 4 超声检测技术简史 利用超声波检测物体内部的缺陷和结构最早是前苏联的萨卡洛夫( s o k o l o v ) 于1 9 2 9 年提出的。1 9 3 1 年德国人在专利中提出了工业应用方案，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。1 9 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，1 9 4 6 年英国d 0 s p r o u l e 制成a 型脉冲反射式超声波探伤仪，并应用到钢材的探伤。到了本世纪5 0 年代，a 型脉冲反射 式超声波探伤仪已广泛应用到世界先进工业国家的钢铁、机械制造和造船工业领域。 i 9 6 4 年前联邦德国k r a u t k r a 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 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 突破性的进展，标志着跨入了近代超声探伤技术阶段。而后，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使得超声检测技术广泛地用于材料 性能的评价和寿命评估。随着材料科学的发展，断裂力学在材料学科中的作用越来越引 起人们的重视，而用断裂力学对材料的损伤进行判断时，又往往以超声检测技术对裂纹 的检测结果为依据“1 。 另外，超声波无损检测工序在有些材料和产品的静态或动态检测以及质量管理中， 已成为一个不可缺少的重要环节，而且它与k a c h a n o v “1 ，r a b o t n o v “1 ，l e c k i e “，h u l t 等创立起来的损伤理论结合起来可以更好地研究材料或构件的应力状态。目前在若干 领域，超声检测开始向超声无损评价发展，为超声检测技术赋予了新的内涵。 近年来，微机技术、信息技术及微电子技术的飞速发展使得超声检测的发展趋势体 现在自动化方面，比如在第1 5 届世界无损检测会议上展出的英国s o n a t e s t 公司的超声 波管道机器人就是超声波在自动化方面发展的例子。电信技术的发展也使得超声波信 号的数字化和常规处理变得越来越方便，这将有利于超声无损检测的信号处理与模式识 别技术的发展。超声检测信号处理技术可提高缺陷的检测与分类能力，并可表征材料的 性能。一方面，国内外一些学术机构的前沿性科研工作及博士、硕士学位论文涉及到该 技术，为该领域不断注入新的活力；另一方面，技术开发性机构及生产商及时将学术研 究的创新性成果应用于工业现场检测与智能化、数字化仪器的开发，直接推动了国民经 济的技术进步“。 1 3 数字信号处理概述 1 3 1 数字信号处理的定义 信号可定义为一个承载信息的函数，通常表示为时间t 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：对于幅度取连续值，而时间取离散值的 信号称为时域离散信号；而对于幅度和时间均为离散值的信号称为数字信号 t l l 0 我们所 研究的超声回波信号就属于幅度和时问均为离散值的信号，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，凡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。 1 3 2 数字信号处理系统的基本组成” 以模拟信号的数字化处理系统为例，此系统先把模拟信号变换为数字信号，然后用 数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。这一系统的方框图见图卜1 所示。图卜2 表示了框图中的各有关信号波形，输入模拟信号x 。( t ) ( 见图卜2 ( a ) ) 先经过前置预 滤波器，作用是将输入信号x 。( t ) 中高于某一频率( 称折叠频率，等于抽样频率的一半) 的分量加以滤除，然后在模拟一数字变换器( a d 变换器) 中每隔t 秒( 抽样周期) 取出一 次x 。( t ) 的幅度，抽样后的信号称为离散时间信号，它只表示一些离散时间点0 ，t ， 6 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 2 t ，n t ，上的信号值x 。( 0 ) ，x 。( t ) ，x 。( n t ) ，如图1 2 ( b ) 所示，抽 样过程即是对模拟信号的时间量化的过程。随之在a d 变换器的保持电路中将抽样信 号进一步变换成数字信号，一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有 一定限制的，经a d 变换器后，不但时间量化了，而且幅度也量化了，这种信号就是 数字信号。它是数的序列，每个数则用有限个二进制数码来表示( 如图卜2 ( c ) 所示) ， 用x ( n ) 来代表输入数字化后的序列，n 表示这个数在序列中的次序，用一个垂直线段来 表示其数值大小，如图卜2 ( d ) 所示。随后，数字信号序列通过数字信号处理系统的核 心部分即数字信号处理器，按照预定的要求，在处理器中将信号序列x ( n ) 进行加工处理， 得到输出数字信号y ( n ) ( 如图卜2 ( e ) 所示) 。然后，y ( n ) 通过数字一模拟( d a ) 变换 器，将数字序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0 ，t ，2 t ，n t ，上的幅 度应等于序列y ( n ) 中相应数码所代表的数值大小。最后还要通过一个模拟滤波器，以滤 除掉不需要的高频分量，平滑成所需的模拟输出信号y 。( t ) ，如图1 2 ( f ) 所示。 划篡霎u 热叫鬻刨器 图1 1 数字信号处理系统的简单方框图 f i g 1 1 s c h e m eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 。洳蛾一 。( 。) 阳聃 山u i 一 鹾蠢嚣y ：牡3 一 ：；譬芹i 品 1 。￥气游憎扛= 二x ：= 可 抖盲翎乍f 晰1 一 图l 一2 数字信号处理过程波形图 f i g 1 - 2 w a v e f o r m so ft h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( a ) 输入模拟信号波形 f c ) 数字码 ( e ) 输出信峙序列 ( b ) 抽样信号 ( d ) 量化后的输入信号序列 ( 0 输出模拟信号 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 图卜1 是模拟信号数字处理系统，实际的系统并不一定要包括它的所有框图，例如 有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，那么就不需要d a 变换器。 另一些系统，其输入就是数字量，因而就不需要atd 变换器。对于纯数字系统，则只 需要数字信号处理器这一核心部分就行了。 1 3 3 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： 灵活性 数字信号处理系统( 简称数字系统) 的性能取决于系统参数，这些参数存储在存贮器 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。 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。 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。 对数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能指标 这一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等。 正是由于以上的优点，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门新学科的开端，仅仅3 0 多年，这门学科就基本上形成了自己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。而且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，目前已广泛地应用在语音、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。 尤其可以浇，数字信号处理的理论和技术是目前高新理论和技术的强有力的基础。 1 4 课题的引入 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 处理与分析技术在超声检测过程中也起到了更加重要的作用。信号处理与分析技术现在 用于超声检测，它不仅作为一种辅助技术，而且还作为现有检测工艺的基本和有用的延 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 伸，使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人工智能技术以 达到对材料与部件的在线智能评估。信号处理与分析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“。 起初的超声波检测用手工进行，操作人员凭借经验对探伤仪上显示的波形进行评 定，带有一定的局限性、主观性。诚然这些经验是可贵的，但无法对超声波信号进行各 种处理和变换1 。缺乏对信号本身的解剖，就无法从根本上求证信号与被测对象之间的 必然联系。后来研究模拟信号处理的理论和实现，但是模拟信号处理受环境因素的影响 较大，可靠性较差，且不灵活，无法达到高精度。随着大规模集成电路以及数字计算机 的迅速发展，加之数字信号处理理论和技术的成熟与完善，用数字方法来处理信号，即 数字信号处理，又逐渐取代模拟信号处理。超声回波数字化信号是一串随时间变化的量， 而且各个不同时刻的运动状态都是相互关联的，其代表被检物质材料的组织状态，缺陷 的分布、大小、类型，微观组织结构的形态、力学性能( 强度、韧性、硬度) 以及应力 状态等有关信息均溶入到随时间变化的因变量中。传统的数字信号分析法是在时域上估 计观测数据( x 。) 的自相关函数，或在频域上估计它的自谱函数( 或称功率谱) ，以此来 定量地描述数据的相关性。但是，当把这种分析方法用于实际现象中时，只能得到有限 数据或样本值长度是有限的数字序列，不可能得到一个无穷长度的完整的样本值序列。 因此，实际上不可能通过观察数据计算出自协方差函数与自谱函数的真值，故传统的数 字信号分析法存在着固有的缺陷。第一，按这种方法算出的自协方差函数和自谱函数偏 离真值较远，即样本自协方差函数是对理论自协方差函数的一种很差的估计。第二，按 这种方法算出的自谱函数会发生谱线泄漏，即观测数据中所包含的谐波成分与幅值受到 歪曲。例如，不该有的频率成分却有了，应该具备的幅值改变了。第三，按这种方法所 能达到的频率分辨力低。这一缺点在分析处理长度较短的观测数据时尤为突出。虽然目 前已提出了不少克服以上缺点的方法，但其效果只能是减少而不能消除“”。 由此，引入我们研究的课题，即通过另外一种途径一一模型法来实现。虽然，这种 时间序列的数字信号难以用一个完全确定的函数或函数组表达出来，但它们大都具有统 计性。可以通过概率分布函数或函数组对它们取值的规律性作统计描述，并依据测量数 据推断测试过程的统计特性，建立过程或系统的数学模型，为系统设计、机制的形成和 控制提供特性数据。而且，利用观测数据反映的测试系统特性的差异对未知系统的类型 识别或对已知系统特性的变化与可能出现的故障进行诊断，按照观测数据建立的数学模 型在一定条件下再现某些随机现象，还可以对这种现象或有关的系统进行仿真实验“” j9 l 1 5 研究的内容及意义 本课题基于统计模式的定量识别方法，对以图形、图象形式显示的有用信息采用数 字信号处理技术对信号本身进行解剖，去除干扰信号，并通过对超声回波特征值的提取 分析，动态数据统计处理，建立含特征量参数的数学模型，拟合出相应的时域信号的特 征量参数方程，从超声波的特征量参数与材料性能的相关性角度出发，获得信号与被检 测对象之间本质的联系，从而提高检测的精度、重复性和可靠性，为正确评价材料提供 科学的依据。 该研究课题有利于建立声信号与显微组织、缺陷相关性的现象学模型，更好地发挥 9 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 超声检测法在无损检测、无损探伤中的作用：有利于引发新的研究方向，开拓新的研究 领域。例如，推断信号形成的机制，描述信号产生的物理系统，判断未知信号的属性， 预测信号的变化规律；有利于促进无损检测向自动化方向发展。让建立模型的整套数学 推导方法溶入检测过程做成系统软件，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，大大提高超声检测的速度和精确度。 回顾历史、还看现在、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，有必然的研究趋势。 1 6 国内外研究概况及发展趋势 本世纪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方面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”。 在无损检测领域信号分析与处理技术中，除采用一般的数字滤波、频谱分析等近代 技术，还包括模式集群分析、时间渡越衍射技术( t o f d ) 、合成孔径聚焦技术、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 领域中信号分析与处理方面的研究成果愈来愈多，较为突出的是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 2 2 o 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的手段，已 引起国内外学者的广泛关注。利用信号分析与处理的手段可以优化超声检测的驱动信 号，产生选用信号处理手段所需的特定波形，抑制背景噪声，提取有用信息，定性定量 地分析有关缺陷。虽然信号分析与处理技术进一步发挥了超声检测在工业、国防应用中 的巨大作用，但是信号分析与处理的方法还要依赖于缺陷散射理论的指导，部分方法也 有待于从实验室中走出来应用到实际中去。 利用信号分析与处理的共性和超声无损检测与评价的特殊性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，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识别“”。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。本研究课题利用数字信号处理技术，从建立超声回波数学模型的角度，能 达到提取特征值、确定其规律的目的，并能对不同的被检对象进行识别。该课题是一个 新颖的课题，值得我们去探索。 一 t 【 j 数字信号处理技术初探超声回波信号模型 第二章基本原理 2 1 超声检测方法及其原理 超声波的检测方法按原理分类，可分为脉冲反射法、穿透法和共振法。 脉冲反射法 超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检试样中，根据反射波的情况来检测试样缺 陷的方法，称为脉冲反射法。 基本方法是根据仪器示波屏上显示的缺陷探伤图形来判断，其原理如图2 1 所示： 目琶 ( a ) 完好试样( b ) 缺陷试样 图2 一l无缺陷和有缺陷试样中的回波 当试样完好时，超声波可顺利传播到达底面，在底面光滑且与探测面平行的条件下， 探伤图形中只有表示发射脉冲t 及底面回波b 两个信号，如图2 一l a 所示。若试样中存 在缺陷，在探伤图形中，底面回波前有表示缺陷的回波f ，如图2 一l b 所示。 穿透法 穿透法是依据脉冲波或连续波穿透试样之后的能量变化，来判断缺陷情况的一种方 法，如图2 2 所示。 穿透法常采用两个探头，一个作发射用，一个作接收用，分别放在试样的两侧进行 探测，图2 2 a 为无缺陷时的波形，图2 2 b 为有缺陷时的波形。 用数字信号处理技术初探超声回波信号模型 发射探头接收探头 ( a ) 无缺陷试样 至三萤- - - - - - - - - - “ ( b ) 有缺陷试样 图2 2穿透法示意图 f i g 2 - 2 s c h e m eo fp e n e t r a t i n gm e t h o d 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