脈沖反轉(zhuǎn)和小波變換在非線性超聲檢測中的應(yīng)用

江 念,王召巴，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 山西太原 030051)

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脈沖反轉(zhuǎn)和小波變換在非線性超聲檢測中的應(yīng)用

江 念,王召巴，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 山西太原 030051)

為提高非線性超聲檢測技術(shù)的準確性和魯棒性，文中將脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)和信號小波系數(shù)相關(guān)性濾波算法結(jié)合用于處理非線性超聲檢測信號。利用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)抑制實驗儀器產(chǎn)生的奇數(shù)次諧波信號，再根據(jù)信號小波系數(shù)相關(guān)性算法濾除噪聲。實驗結(jié)果表明：上述信號處理方法能有效提取頻率純凈的二次諧波，提高了超聲非線性系數(shù)表征試件粘接強度的能力。

非線性超聲；無損檢測；脈沖反轉(zhuǎn)法；小波變換；粘接強度

0 引言

非線性超聲檢測技術(shù)對線性超聲無法檢測的材料疲勞、應(yīng)力集中、弱粘接等缺陷敏感[1-2]，在材料無損檢測領(lǐng)域已經(jīng)對其開展了多年的研究。通常把有限幅度超聲波通過界面和介質(zhì)之間的接觸、裂紋時表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變非線性，稱為聲接觸非線性[3]。因為攜帶傳播介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變信息，聲接觸非線性常用于評價材料的局部特征。在實際檢測中，非線性超聲信號很微弱，要區(qū)分儀器引入的非線性聲學(xué)效應(yīng)、克服環(huán)境噪聲對信號的影響，這就限制了該技術(shù)在工程中的應(yīng)用[4]。因此，開展相應(yīng)的信號處理方法研究，增強非線性超聲檢測結(jié)果的魯棒性是未來研究的主要方向之一。

本文將脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)和小波系數(shù)相關(guān)性濾波結(jié)合起來應(yīng)用于非線性超聲檢測，以達到增強二次諧波信號，抑制由儀器引入的非線性聲學(xué)效應(yīng)，濾除環(huán)境噪聲的目的，通過對鋁板粘接強度的檢測實驗進行驗證。

1 超聲非線性系數(shù)及脈沖反轉(zhuǎn)

1.1 超聲非線性系數(shù)

在一維大幅度單頻超聲縱波作用下，衰減各向同性材料中的非線性方程為[5]

(1)

式中：ρ是密度；u(x,t)是x軸上的質(zhì)點位移；K2=ρc2是二階彈性常數(shù)；c是材料中的聲速；K3是三階彈性常數(shù);β=-(3K2+K3)/K2，為材料的非線性參數(shù)；δ是聲衰減系數(shù)；Fext(x,t)是單位體積上受到的外力。

應(yīng)用微擾理論[6]得到非線性方程(1)的近似解

(2)

式中:k=2πf/c是波數(shù)；f是正弦波頻率;x是傳播距離;A1是基頻信號幅度。

那么材料的非線性系數(shù)為

(3)

材料的相對非線性系數(shù)為

(4)

由于相對非線性系數(shù)β′與β只是相差一個比例系數(shù)，因此常用相對非線性系數(shù)β′代替β。

實驗中只需要測量基波和二次諧波的幅值，借助β′就可了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化情況。

1.2 脈沖反轉(zhuǎn)法

脈沖反轉(zhuǎn)法最初主要用于超聲二次諧波造影成像[7]，對于非線性波動方程(1)，當初始相位φ=0°時，方程的解為式(2)；當初始相位φ=180°時，方程的解為

u(x,t)=-A1sin(ωt-kx)+A2cos2(ωt-kx)

(5)

將式(2)、式(5)疊加求和，奇數(shù)倍頻信號被抵消，抑制主要由儀器產(chǎn)生的奇數(shù)次諧波分量[8]， 同時二次諧波有效信號得到增強。

2 小波系數(shù)相關(guān)性濾波

環(huán)境噪聲是一種頻帶范圍較寬的隨機信號，在不同小波分解尺度上的頻帶范圍不同，那么不同尺度上的小波系數(shù)之間的互相關(guān)性會很小[9]。而理論上講，二次諧波信號分解的子波中的缺陷分量之間具有很好的互相關(guān)性。

在時域中，原始信號由有用信號和噪聲疊加而成。因此，在小波域中有：

y=w+n

式中：y是原始信號的小波系數(shù)；w是有用信號的小波系數(shù)；n是噪聲的小波系數(shù)[10-11]。

將不同小波尺度i和j的系數(shù)相乘，得到

rij=yi·yj=(wi+ni)·(wj+nj)

=wi·wj+wi·nj+wj·ni+ni·nj

(6)

由上述分析可知，wi和wj具有很好的互相關(guān)性，其乘積保留了信號特征，而其余三項相關(guān)性微弱，乘積運算會削減甚至消除乘積項。

3 實驗裝置及檢測方法

實驗采用縱波透射法，檢測系統(tǒng)如圖1所示。RAM-SNAP系統(tǒng)主機產(chǎn)生9個周期、5 MHz頻率的單頻高能正弦脈沖串信號，經(jīng)過匹配阻抗和低通濾波器后，驅(qū)動耦合固定在鋼板上的中心頻率為5 MHz的窄帶鈮酸鋰晶片，向試件中輸入有限幅度超聲波。在試件另一端包含高頻分量的透射波由寬帶接收換能器接收，并被送入計算機進行快速傅立葉變換(FFT) ，獲得基頻和二次諧波的幅值，進而得到材料的相對非線性系數(shù)。

圖1 實驗裝置示意圖

為了避免普通耦合劑揮發(fā)影響測量結(jié)果，采用低熔點的水楊酸苯酯作為耦合劑將發(fā)射晶片和試件進行粘接耦合。參照GB/T7124-2008膠粘劑拉伸剪切強度測定標準[12]，選用環(huán)氧樹脂粘接厚度為0.5 mm的兩鋁板，制作了固化劑含量不同的3組粘接試件，每組包含4個不同固化劑含量的粘接試件，在超聲非線性檢測完畢后，用萬能材料試驗機測量試件的剪切強度。表1是粘接試件的尺寸及其剪切強度。

圖2所示為激勵信號相位為0°和180°時穿過試件的超聲時域波形，圖3為圖2中兩時域信號疊加后得到的二次諧波信號。

表1 粘接試件的尺寸及其剪切強度

粘接試件粘接寬/mm粘接長/mm剪切強度均值/MPa12%固化劑20180.5425%固化劑20181.1237%固化劑20181.6750%固化劑20182.04

圖2 透射超聲時域信號

圖3 時域疊加后的信號

從圖3可以看出，利用脈沖反轉(zhuǎn)法得到的二次諧波信號的信噪比不高，有用信號混疊在噪聲中，這一點可以從它的時頻圖(如圖4所示)清楚觀察到。

圖4 二次諧波信號的小波時頻圖

為得到反映粘接界面非線性應(yīng)力-應(yīng)變特征的有用信號，利用小波系數(shù)相關(guān)法對二次諧波信號濾波，得到的時域波形如圖5所示。從圖中可以明顯看出二次諧波信號，相關(guān)算法的濾波效果明顯。圖6是相關(guān)算法濾波后時域信號的小波時頻圖，相比于圖4，不難發(fā)現(xiàn)濾波后信號的頻率成份更加純凈。

圖5 相關(guān)算法濾波后的時域信號

圖6 相關(guān)算法濾波后信號的小波時頻圖

4 結(jié)果分析

經(jīng)過脈沖反轉(zhuǎn)和小波系數(shù)相關(guān)性濾波后得到有限幅度超聲在試件中產(chǎn)生的二次諧波信號，對該信號及原始信號分別進行FFT計算A2和A1(見圖7)，利用歸一化相對非線性系數(shù)β′來反映不同粘接強度試件的力學(xué)情況。

圖8所示為4組試件歸一化非線性系數(shù)與粘接強度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著粘接強度的增加，歸一化相對非線性系數(shù)呈單調(diào)減小趨勢，特別是在固化劑含量從25%變化到50%時雖然剪切強度變化不大，但非線性系數(shù)變化明顯，說明超聲非線性系數(shù)可以很好地反映粘接試件剪切強度的變化，對粘接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化情況進行早期無損檢測具有潛在的應(yīng)用價值。

圖7 基頻幅值和二次諧波幅值

圖8 非線性系數(shù)與剪切強度的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文針對非線性超聲檢測時有效信號混雜儀器非線性及噪聲污染問題，提出了脈沖反轉(zhuǎn)法和小波系數(shù)相關(guān)性濾波算法相結(jié)合的信號處理方法。用該方法對超聲透射信號進行處理成功提取出有用二次諧波信號，提高了檢測結(jié)果的準確性和魯棒性。最后對不同粘接強度試件的非線性超聲檢測實驗表明脈沖反轉(zhuǎn)和小波變換方法提高了檢測信號的缺陷表征能力，對工業(yè)生產(chǎn)中粘接結(jié)構(gòu)強度的無損檢測和評價提供了指導(dǎo)意義。

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Application of Pulse-Inversion Technique and Wavelet Transformfor Nonlinear Ultrasonic Nondestructive Testing

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,CHEN You-xing

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on correlation of the multi-level wavelet coefficients, a new algorithm combined with pulse-inversion technique was proposed to improve the accuracy and robustness of defects for nonlinear ultrasonic nondestructive testing. The pulse-inversion technique was used to inhibit the odd harmonics due to nonlinearity of the input instrumentation. By employing the wavelet transform method, adhesive joints tested ultrasonic signal were de-noising processed. The experimental results show that proposed method can efficiently extract the pure second harmonic and enhance ability to characterize the adhesive strength by ultrasonic nonlinear coefficient.

nonlinear ultrasonic; nondestructive testing; pulse-inversion technique; wavelet transform; adhesive strength

國家自然科學(xué)基金項目(61201412)；山西省青年科技研究基金項目(2012021011-5)

2015-02-05 收修改稿日期：2015-03-03

O422.7;TB551

A

1002-1841(2015)12-0097-03

江念(1988— )，博士研究生，主要研究無損檢測及信號與信息處理。E-mail:jaing_nian@yeah.net