材料超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)

郭立偉 李佳恒 周昊 趙書逸

摘要：在如今的超聲無損檢測中，數(shù)字信號處理技術(shù)是其中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，該技術(shù)不僅可以更加精確地對材料進(jìn)行檢測，而且運(yùn)用這種技術(shù)，可以提高超聲信號分析的可靠性。所以，超聲無損評價(jià)最核心的部分就是超聲信號的處理與分析。本文在MATLAB的基礎(chǔ)上搭建了一個材料超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有信號采集、信號分析處理以及信號圖譜繪制等功能，可以在不同的分析域中對超聲信號進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：超聲無損評價(jià);信號處理;分析域

1 超聲信號處理與分析系統(tǒng)

為了將超聲無損檢測和評價(jià)結(jié)合起來，使之容易被實(shí)現(xiàn)，本文基于MATLAB搭建一個材料超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有信號采集、處理、分析等功能，可以實(shí)現(xiàn)對材料的缺陷識別和材料的性能評價(jià)。MATLAB意為矩陣實(shí)驗(yàn)室，是一種建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級計(jì)算機(jī)語言

1.1 信號處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的，在開發(fā)此系統(tǒng)時(shí)，首先要建立一個原型，即要先建立一個系統(tǒng)的框架，用來說明該系統(tǒng)的主要功能。該系統(tǒng)的整體框架主要可以分為兩個部分：一為人機(jī)交互層，二為超聲信號處理與分析層。

1.2 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

（1） 硬件環(huán)境：本系統(tǒng)是基于MATLAB進(jìn)行開發(fā)，所以只需要選擇可以運(yùn)行MATLAB的計(jì)算機(jī)即可。根據(jù)超聲檢測的對象的不同以及檢測的要求，要對選擇的計(jì)算機(jī)設(shè)備做出相應(yīng)的調(diào)整。

CPU：Intel Core i5-5200u

內(nèi)存：4GB

系統(tǒng)類型：64位操作系統(tǒng)，基于x64的處理器

硬盤容量：128G

（2）軟件環(huán)境：文件分配系統(tǒng)采用了如今主流的NTFS，以MATLAB 作為開發(fā)工具對該信號處理分析系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)的最重要的功能就是對超聲回波信號進(jìn)行分析。

2 高鉻鑄鐵回波信號頻域分析原理

在對高鉻鑄鐵試樣回波信號進(jìn)行分析時(shí)，主要采用的分析方法是頻域分析法。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了幅度譜、相位譜以及功率譜對高鉻鑄鐵試樣的回波信號進(jìn)行分析。

（1）幅度譜

序列x（n）的點(diǎn)長記為N，對該序列進(jìn)行離散傅里葉變換并且將其數(shù)值變成復(fù)數(shù)，幅度譜中常采用對數(shù)坐標(biāo)201g|X（k）|對幅度值進(jìn)行表示，其縱坐標(biāo)的單位為分貝，模1相當(dāng)于0分貝，20分貝代表十倍的增益，-20分貝對應(yīng)衰減0.1。由于幅度譜是偶對稱的圖形，所以在使用時(shí)只需要一半即可。

（2）相位譜

相位譜用來表示不同材料對不同超聲波的滯后效應(yīng)。相位譜在含有大量地有關(guān)材料的信息。

（3）功率譜

功率譜反映了超聲信號的能量的頻率分布。實(shí)驗(yàn)中采用的功率譜參量主要為峰值頻率和中心頻率。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程與分析

實(shí)驗(yàn)采用5MHz的縱波探頭發(fā)射脈沖超聲波對經(jīng)過不同的熱處理的試樣進(jìn)行超聲無損檢測。采集超聲波脈沖回波信號并且使用超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)在頻域中對其進(jìn)行分析。

通過對高鉻鑄鐵試樣進(jìn)行不同的熱處理得到不同的時(shí)域波形圖，并且對試樣超聲檢測的一次回波、二次回波以及其中A段的時(shí)域波形進(jìn)行了頻譜分析，得出了這幾段波形的中心頻率和峰值頻率。

頻譜圖反映了超聲能量的分布。根據(jù)不同的試樣所得到的不同的頻譜圖，可以得到超聲波在不同的組織中的聲衰減不同。從表2-1中可以得到：在試樣A、B、C中，試樣空冷處理時(shí)，回波信號的峰值頻率最高，試樣爐冷處理時(shí)，回波信號的峰值頻率最低。試樣F與試樣G相比較，淬火溫度為1000℃時(shí)超聲回波的峰值頻率最高，試樣進(jìn)行回火后，峰值頻率有所下降。

高鉻鑄鐵經(jīng)過淬火處理之后，根據(jù)淬火溫度的不同，對比試樣，可以得到高鉻鑄鐵的組織的峰值頻率和聲速的變化規(guī)律相反，并且由于各個試樣的淬火溫度有區(qū)別，導(dǎo)致馬氏體的含量也有所區(qū)別，原來組織中的晶粒會被這些形成的馬氏體打碎，使原來的晶粒尺寸變小，這會導(dǎo)致功率譜的峰值頻率增大。并且由于馬氏體自身的性質(zhì)就是硬度高，所以不同的熱處理方式對高鉻鑄鐵的硬度有影響。

4 結(jié)論

基于MATLAB搭建一個材料超聲無損評價(jià)信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)把信號處理、圖譜繪制等功能集成在一起。通過這些經(jīng)典的分析方法可以實(shí)現(xiàn)對材料的超聲無損評價(jià)信號的處理與分析。利用該系統(tǒng)對高鉻鑄鐵進(jìn)行超聲無損評價(jià)。高鉻鑄鐵熱處理的方式不同，影響高鉻鑄鐵中馬氏體的析出，而馬氏體的析出會破壞高鉻鑄鐵原本的晶粒，導(dǎo)致其散射體的晶粒尺寸也發(fā)生了變化，致使其頻譜有所區(qū)別。

參考文獻(xiàn)：

[1]張家駿.超聲檢測技術(shù)的某些進(jìn)展[J].無損檢測，1993，15（11）：324-327.

[2]李孟喜，林莉.超聲波頻譜分析技術(shù)[J].大連：大連理工大學(xué)材料工程系NDT教研室.

作者簡介：郭立偉，女，1971年3月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，博士研究生學(xué)位，單位：哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院，職稱：教授，單位郵編：150000。研究方向：材料科學(xué)與工程超聲無損檢測

作者簡介：李佳恒，男，1999年5月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，本科學(xué)歷，在讀：哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院。研究方向：材料科學(xué)與工程超聲無損檢測

作者簡介：周昊，男，20000年2月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，本科學(xué)歷，在讀：哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院。研究方向：材料科學(xué)與工程超聲無損檢測

作者簡介：趙書逸，男，1999年6月.出生，籍貫黑龍江省黑河市，本科學(xué)歷，在讀：哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院。研究方向：材料科學(xué)與工程超聲無損檢測

哈爾濱理工大學(xué)材料學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150080