鈦合金超聲檢測(cè)的信號(hào)特征與處理方法

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所, 洛陽(yáng) 471000)

鈦合金材料具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等特性，但材料成本高、焊接與加工難度大，過(guò)去只用于制作精密結(jié)構(gòu)件或特殊結(jié)構(gòu)件。近些年材料成型與加工技術(shù)的飛速發(fā)展,為鈦合金的大范圍應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，目前鈦合金已成為船舶、航空領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。大規(guī)格、復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接成為當(dāng)前鈦合金產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)，由此帶來(lái)的鈦合金材料的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題也亟待解決。

在兼顧適用性、經(jīng)濟(jì)性和直觀性的條件下，超聲檢測(cè)是多類鈦合金構(gòu)件檢測(cè)的優(yōu)先選擇，但其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多建立在參照鋼制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在大厚度構(gòu)件檢測(cè)、微小缺陷檢測(cè)時(shí)遇到了挑戰(zhàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鈦合金超聲檢測(cè)時(shí)會(huì)存在雜波干擾，且在大厚度檢測(cè)或高靈敏度檢測(cè)時(shí)干擾信號(hào)尤為強(qiáng)烈，甚至?xí)耆螞](méi)缺陷信號(hào)。材料微觀組織、被檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)等均是引起雜波的重要因素，對(duì)此，通常采用優(yōu)化物理結(jié)構(gòu)或信號(hào)處理技術(shù)來(lái)減少干擾，如采用聚焦探頭、對(duì)信號(hào)降噪濾波等，但僅在特定條件下的應(yīng)用效果較好[1]。為解決上述問(wèn)題，筆者重點(diǎn)探討了超聲檢測(cè)信號(hào)的特征與缺陷識(shí)別方法，在結(jié)合鈦合金微觀組織特點(diǎn)探討其聲學(xué)性能的基礎(chǔ)上，分析了其信號(hào)特征并提取特征參數(shù)，建立了非線性分類模型，通過(guò)樣本訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)了雜波與缺陷信號(hào)的分類，為大規(guī)格、高靈敏度超聲檢測(cè)提供了一種新思路。

1 信號(hào)特征分析

1.1 鈦合金聲學(xué)性能

鈦合金組織一般分為等軸、雙態(tài)、網(wǎng)籃與魏氏等4類，其組織由α相、β相構(gòu)成，α相和β相的比例與形態(tài)不僅決定了材料的性能，且對(duì)超聲波的聲學(xué)性能有直接影響。超聲波聲速與衰減系數(shù)是超聲檢測(cè)中必須關(guān)注的材料聲學(xué)特性參數(shù)，亦是保證缺陷定位與定量精度的基礎(chǔ)。選擇TC4鈦合金為研究對(duì)象，制備等軸、雙態(tài)、網(wǎng)籃與魏氏組織試塊各1塊，采用水浸超聲C掃描進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試各試塊的超聲波信號(hào)并計(jì)算聲速與衰減系數(shù)，圖1為水浸超聲設(shè)備外觀及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖1 水浸超聲設(shè)備外觀與試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

試塊規(guī)格(長(zhǎng)×寬×厚)為300 mm×90 mm×40 mm，加工精度為±0.02 mm，3個(gè)尺方寸向分別定義為x,y和z，分別對(duì)這3個(gè)尺寸方向進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用頻率為5 MHz的平面探頭，水層厚度大于近場(chǎng)區(qū)，采樣率為200 MHz，采用柵格掃查分別獲取3個(gè)尺寸方向的超聲信號(hào)，每個(gè)方向50個(gè)采樣點(diǎn)。利用固定厚度下的絕對(duì)時(shí)間差、幅值衰減量，分別計(jì)算縱波聲速與衰減系數(shù)，為減小誤差，以50個(gè)采樣點(diǎn)的計(jì)算平均值為最終結(jié)果，表1和圖2為最終測(cè)試結(jié)果。

圖2 不同組織的試塊在各方向的聲速與衰減系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)，鈦合金縱波聲速與微觀組織并不存在絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，聲速范圍為6 098～6 226 m·s-1，

表1 聲速與衰減系數(shù)

變化區(qū)間相對(duì)較小且呈現(xiàn)微弱的各向異性，材料組織不均勻引起的聲速變化對(duì)缺陷定位的影響很小。不同組織間的超聲縱波衰減系數(shù)則差別較大，網(wǎng)籃與魏氏組織的衰減系數(shù)明顯大于等軸與雙態(tài)組織的，且均呈現(xiàn)明顯的各向異性，實(shí)際檢測(cè)時(shí)能量衰減、缺陷定量應(yīng)關(guān)注這一因素。

1.2 超聲信號(hào)特征

鈦合金超聲檢測(cè)中的干擾雜波主要源于材料內(nèi)的晶粒散射，尤其在采用高頻率、高靈敏度檢測(cè)時(shí)尤為顯著。除受被檢材料本身組織的影響外，雜波信號(hào)亦與檢測(cè)頻率、檢測(cè)厚度等其他參數(shù)存在一定關(guān)系，圖3(a)為等徑平底孔信號(hào)在不同深度下的信噪比變化，圖3(b)為同深度，不同脈沖電壓下的信噪比變化。由圖3可見(jiàn)：檢測(cè)深度增大時(shí)，平底孔信號(hào)信噪比總體呈下降趨勢(shì)，平面探頭的信噪比在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)會(huì)有波動(dòng)，聚焦探頭的信噪比在焦點(diǎn)附近最高，且隨深度增大迅速減??；脈沖電壓幅值增大時(shí)，雖然超聲波能量增強(qiáng)，但散射雜波隨之增強(qiáng)，信噪比并無(wú)明顯變化。

圖3 平底孔深度、脈沖電壓幅值變化時(shí)，信噪比的變化

圖4 極限檢測(cè)厚度下，φ0.8 mm平底孔的時(shí)域信號(hào) 與頻域信號(hào)

實(shí)際檢測(cè)中，通常采用降低頻率、分區(qū)掃查、選擇聚焦探頭等方式來(lái)提高信噪比，但卻同時(shí)存在絕對(duì)靈敏度降低、聚焦深度范圍過(guò)小等弊端，很難從根本上解決信噪比低的問(wèn)題。信號(hào)的信噪比越高越有利于缺陷的識(shí)別與分析，信噪比低于12 dB時(shí)，散射雜波信號(hào)將與缺陷信號(hào)發(fā)生疊加，而可能掩蓋小缺陷信號(hào)并增大缺陷定量的不準(zhǔn)確性。以鈦合金鍛件為例，將基準(zhǔn)靈敏度設(shè)置為φ0.8 mm平底孔時(shí)極限檢測(cè)厚度約100 mm，此時(shí)平底孔對(duì)應(yīng)的時(shí)域與頻域信號(hào)見(jiàn)圖4，雜波信號(hào)與平底孔信號(hào)的頻譜均集中在探頭中心頻率(5 MHz)附近，常用的帶通、帶阻等數(shù)字濾波法對(duì)提高信噪比基本無(wú)明顯效果。

鈦合金超聲檢測(cè)信號(hào)中含有較高的散射雜波成分，雜波水平高低與被檢對(duì)象、檢測(cè)參數(shù)密切相關(guān)，由此造成的信噪比偏低是制約大厚度產(chǎn)品檢測(cè)的關(guān)鍵因素。雖然由組織晶粒造成的超聲波復(fù)雜反射、衍射等信號(hào)經(jīng)過(guò)多次疊加才傳輸?shù)匠晸Q能器，但其本質(zhì)上與缺陷反射波均屬于聲波的線性彈性響應(yīng)信號(hào)，故在時(shí)域上無(wú)明顯區(qū)別，在簡(jiǎn)單的頻域變換中也很難識(shí)別。

2 缺陷信號(hào)處理

2.1 特征參數(shù)提取

特征參數(shù)是信號(hào)評(píng)定的依據(jù)，在復(fù)雜信號(hào)識(shí)別中,特征參數(shù)的選擇尤為重要。而在雜波干擾嚴(yán)重的鈦合金超聲檢測(cè)信號(hào)中，時(shí)域中的幅值、波寬等參數(shù)已不適用于表征缺陷信息，故文章采用小波分析與能量熵結(jié)合的方式提取數(shù)據(jù)段的特征參數(shù)。小波分析的窗函數(shù)可變化，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，特別適合于弱突變信號(hào)的處理，利用該特點(diǎn)對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行分解能獲得豐富的缺陷信號(hào)細(xì)節(jié)特征。小波能量熵是在信息熵的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，在非平穩(wěn)信號(hào)處理中具有良好的應(yīng)用效果，常用于描述系統(tǒng)復(fù)雜程度或表征突變信號(hào)[3]。信號(hào)小波分解后分布于N個(gè)頻帶，將各個(gè)頻帶的能量定義為E1，E2，…，EN，且E為各頻帶能量之和，則小波能量熵的計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

(1)

在超聲檢測(cè)完整信號(hào)段中，很可能存在因缺陷深度較小而產(chǎn)生的多次缺陷反射波，若將整段信號(hào)一次性分解，則會(huì)增加信號(hào)識(shí)別的不確定性。缺陷響應(yīng)的信號(hào)長(zhǎng)度基本與激勵(lì)脈沖寬度接近，信號(hào)周期數(shù)一般為3～5個(gè)，探頭頻率越高,缺陷響應(yīng)信號(hào)長(zhǎng)度越短。在上述特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以響應(yīng)信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度為參考，設(shè)定深度定尺區(qū)間，采用窗口滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)完整信號(hào)的處理，區(qū)間長(zhǎng)度即為缺陷深度分辨力。選擇正交小波基db4對(duì)區(qū)間信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，并計(jì)算第3層8個(gè)頻帶的能量熵，圖5所示為雜波信號(hào)與缺陷信號(hào)的各頻帶能量熵。

圖5 雜波與缺陷信號(hào)的各頻帶能量熵值

雖然圖5中的雜波信號(hào)與缺陷信號(hào)的能量熵值主要體現(xiàn)在前4個(gè)頻帶中，但雜波信號(hào)的后4個(gè)頻帶中依然有明顯的幅度，缺陷信號(hào)與雜波信號(hào)的各頻帶能量熵值呈現(xiàn)很大的差異性，不能以某一頻段的熵值差異區(qū)分雜波信號(hào)與缺陷信號(hào)。故應(yīng)選擇8個(gè)頻帶的能量熵值a={WE1，WE2，WE3，WE4，WE5，WE6，WE7，WE8}作為信號(hào)特征向量，同時(shí)結(jié)合分類算法輸入特征向量識(shí)別缺陷信號(hào)。

2.2 缺陷識(shí)別

在將分段信號(hào)分解為8個(gè)特征參數(shù)的基礎(chǔ)上，缺陷的評(píng)判已轉(zhuǎn)換為多參數(shù)模式識(shí)別問(wèn)題，目前常用的方法主要有支持向量機(jī)(SVM)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。支持向量機(jī)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，通過(guò)建立一個(gè)分類超平面,作為決策平面近似實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化;而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用模擬大腦神經(jīng)元的方式組成非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)。SVM本質(zhì)上為一個(gè)二分類器，利用核函數(shù)代替高維空間映射解決非線性問(wèn)題，理論完善且通用性好，但在多分類和大規(guī)模樣本訓(xùn)練時(shí)存在困難[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元之間通過(guò)權(quán)系數(shù)相連接，信息分布式存儲(chǔ)于權(quán)系數(shù)中，具有容錯(cuò)性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。為達(dá)到滿意的信號(hào)處理效果，分別采用SVM、LVQ與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別信號(hào)，對(duì)比缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率。

(1) 建立模型

SVM的分類性能與核函數(shù)的選擇密切相關(guān)，常用的核函數(shù)包括線性核函數(shù)、d階多項(xiàng)式內(nèi)積核函數(shù)、徑向基核函數(shù)等，目前尚無(wú)系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，參考其他SVM分類應(yīng)用研究，選擇徑向基函數(shù)作為核函數(shù)。經(jīng)小波包分解后的頻帶能量熵值即為樣本輸入向量，由于能量熵值均分布于0～1區(qū)間內(nèi)，故不再對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化預(yù)處理。LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層和輸出層組成，輸入層與隱含層完全連接，隱含層與輸出層則部分連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)計(jì)算輸入向量與競(jìng)爭(zhēng)層間距離實(shí)現(xiàn)分類。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有信號(hào)前向傳遞、誤差反向傳播的特點(diǎn)，創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)為3層，結(jié)構(gòu)為8-25-2。上述3種模型均在MATLAB軟件環(huán)境下建立。

(2) 訓(xùn)練模型

訓(xùn)練數(shù)據(jù)源于鈦合金棒材、鍛件與板材的水浸超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)，既包括人工缺陷又含有夾雜、開(kāi)裂等缺陷。為模擬大厚度檢測(cè)信噪比低的狀態(tài)，部分試件試驗(yàn)時(shí)采用了較高的頻率，信噪比均在6 dB以下。按2 mm深度區(qū)間截取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)共120組，缺陷數(shù)據(jù)與雜波數(shù)據(jù)各60組，圖6所示為各組數(shù)據(jù)小波包3層分解后的能量熵值。圖6中前60組為缺陷樣本、后60組為雜波樣本，各頻段的雜波與缺陷能量熵值都存在交叉重復(fù)情況，無(wú)法根據(jù)單頻段熵值進(jìn)行直接區(qū)分。將缺陷與雜波數(shù)據(jù)等分為兩部分，一部分用于訓(xùn)練模型，另一部分用于測(cè)試分類效果。

(3) 測(cè)試模型

對(duì)LVQ和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別訓(xùn)練1 000步，其中LVQ網(wǎng)絡(luò)誤差收斂速度很快，訓(xùn)練步數(shù)達(dá)到27步后均方誤差基本在0.1附近波動(dòng)，而B(niǎo)P網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練步數(shù)越多均方誤差越小，訓(xùn)練步數(shù)達(dá)到62步時(shí)均方誤差已達(dá)到0.000 1。表2為模型訓(xùn)練后的分類測(cè)試結(jié)果，各個(gè)模型的總體識(shí)別準(zhǔn)確率均達(dá)到了80%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型優(yōu)于SVM模型，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類準(zhǔn)確率最高。

表2 實(shí)測(cè)模型分類準(zhǔn)確率

3種非線性分類模型均表現(xiàn)出良好的分類效果，對(duì)于鈦合金超聲檢測(cè)低信噪比的缺陷信號(hào)的最高識(shí)別率達(dá)到90%以上。受限于訓(xùn)練樣本數(shù)量，各個(gè)模型并未達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果，在增大樣本數(shù)量的基礎(chǔ)上，分類模型的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高。雖然能通過(guò)優(yōu)化SVM核函數(shù)的方式提高其分類準(zhǔn)確性，但文章試驗(yàn)僅限于缺陷識(shí)別的層次，若考慮缺陷定量的多分類模式，則SVM可能不具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型。

圖6 樣本數(shù)據(jù)小波包3層分解后的能量熵值

3 結(jié)語(yǔ)

鈦合金材料的聲學(xué)性能受微觀組織變化的影響，聲速變化區(qū)間較小，但衰減系數(shù)最大差異達(dá)到70%以上且呈現(xiàn)出各向異性，實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)關(guān)注這一特征。超聲檢測(cè)信號(hào)雜波主要源于晶粒散射，大厚度或高靈敏度檢測(cè)時(shí)，信噪比會(huì)嚴(yán)重下降而導(dǎo)致缺陷信號(hào)難以識(shí)別，雜波信號(hào)與缺陷信號(hào)的頻域分布較為接近，常用的濾波方法效果并不明顯。采用小波能量熵表征信號(hào)特征，結(jié)合SVM、LVQ與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)分雜波與缺陷信號(hào)，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，為解決雜波干擾問(wèn)題提供了一種方法，但在缺陷定量的方向上有待進(jìn)一步研究。