內(nèi)梅花彈體的超聲信號(hào)分析與處理方法

靳朋飛，張艷花，楊 錄

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051)

0 引言

內(nèi)梅花彈體，如圖1所示，它左端是內(nèi)壁有六個(gè)圓弧槽的小徑薄壁管，中間為一段小徑棒，右端是壁厚稍大的一截小徑薄壁管。這種結(jié)構(gòu)區(qū)別于單一的筒形，棒形結(jié)構(gòu)，屬于小徑薄壁異形構(gòu)件。針對(duì)此類構(gòu)件，一般采取復(fù)合超聲無損檢測(cè)技術(shù)［1］，采取多探頭組合每一探頭只針對(duì)單一類型或特定區(qū)域缺陷檢測(cè)，最后依據(jù)實(shí)際情況將多組數(shù)據(jù)融合形成聯(lián)合判據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的識(shí)別和類型判定。

圖1 內(nèi)梅花彈體結(jié)構(gòu)圖

由于工件內(nèi)壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，針對(duì)外表面缺陷(如圖1，缺陷A)檢測(cè)的軸向探頭［2］會(huì)受到工件內(nèi)部臺(tái)階的影響，形成一組高回波脈沖信號(hào)—臺(tái)階波，同理，周向探頭若要檢測(cè)工件內(nèi)弧頂處的傷信號(hào)，必然會(huì)接受到工件內(nèi)棱角反射的超聲波—棱波。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)過程中，由于這兩種干擾信號(hào)的存在，使得回波信號(hào)變得復(fù)雜，極大地增加了缺陷的判定難度。由于使用單一帶寬的濾波方法很難將這兩種干擾消除，因此本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取的方法來實(shí)現(xiàn)在這種復(fù)雜背景噪聲的情況下缺陷信號(hào)的識(shí)別。

1 掃描信號(hào)特征分析及數(shù)據(jù)處理過程

1.1 信號(hào)頻域特征分析

超聲信號(hào)的處理過程可以認(rèn)為根據(jù)不同類型信號(hào)頻域特征設(shè)計(jì)不同帶寬的濾波器將信號(hào)分離提取的過程。

對(duì)筒形，棒形等單一結(jié)構(gòu)工件，其掃描數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被認(rèn)為式(1)所示:

其中，F(xiàn)(i)為探頭獲取的掃描數(shù)據(jù)，F(xiàn)(i)可以被認(rèn)為是由S(i)—傷信號(hào)，B(i)—背景噪聲，Q(i)—趨勢(shì)項(xiàng)疊加而成，σ1，σ2為背景噪聲與趨勢(shì)項(xiàng)的系數(shù)，其初始值為1。這三種類型數(shù)據(jù)一般在頻率上區(qū)分性很大，可以通過設(shè)定合適帶寬的濾波器提取S(i)。

內(nèi)梅花彈體結(jié)構(gòu)的工件，對(duì)其掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行A型顯示，如圖2曲線tjhs所示，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為:

或

T(i)為臺(tái)階信號(hào)，L(i)為棱波信號(hào)，這兩種信號(hào)是由于工件內(nèi)表面結(jié)構(gòu)特殊所產(chǎn)生的，在這些區(qū)域若存在傷，則它們的回波信號(hào)會(huì)相互“疊加”，而且T，Q在頻率上區(qū)分性很小，給傷信號(hào)的提取判定增加了難度。

1.2 基于滑動(dòng)平均的包絡(luò)提取方法

設(shè)信號(hào)樣本長(zhǎng)度為N，相鄰點(diǎn)的時(shí)間間隔為τ，函數(shù)值為f(iτ)，(0≤i≤N)。第 i點(diǎn)的滑動(dòng)平均值為其所在區(qū)間［im，i+m］的平均值，即:

其方差

針對(duì)當(dāng) i處于區(qū)間［0，m－1］，［N－m+1，N］時(shí)的端點(diǎn)效應(yīng)，采取端點(diǎn)延拓的方法，延拓長(zhǎng)度取決于滑動(dòng)平均的點(diǎn)數(shù)m，即左右端點(diǎn)各延拓m點(diǎn)。延拓后的信號(hào)樣本長(zhǎng)度為N+2m，原信號(hào)所處區(qū)間為［m，N－m］，且

然后根據(jù)公式(4)，對(duì)區(qū)間［m，N－m］的信號(hào)樣本求滑動(dòng)平均值。

滑動(dòng)平均其本質(zhì)相當(dāng)于低通濾波器［3，4］，隨著滑動(dòng)點(diǎn)數(shù)m增大其低通截止頻率fc會(huì)減小，實(shí)際應(yīng)用中滑動(dòng)平均用來抑制高頻噪聲，而不是用來分頻?；瑒?dòng)點(diǎn)數(shù)m往往需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取，本文中針對(duì)臺(tái)階波和棱波的數(shù)據(jù)處理過程就是基于滑動(dòng)平均算法，它利用了滑動(dòng)平均的低通濾波特性，同時(shí)也針對(duì)滑動(dòng)平均的平滑效果所產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了補(bǔ)償。

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.3 針對(duì)臺(tái)階波的數(shù)據(jù)處理過程

如圖3所示:

(1)數(shù)據(jù)對(duì)齊:臺(tái)階波產(chǎn)生都是由其內(nèi)壁結(jié)構(gòu)引起，會(huì)出現(xiàn)在每一通道數(shù)據(jù)的固定位置，因此只需將包含臺(tái)階波部分的數(shù)據(jù)提取后單獨(dú)處理。

(2)去除背景噪聲:數(shù)據(jù)的預(yù)處理如圖2，曲線xsu2，過程完成對(duì)背景噪聲的濾除，此過程對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行十點(diǎn)滑動(dòng)平均處理，相當(dāng)于將背景噪聲等高頻干擾濾除。

(3)大包絡(luò)提取及損耗補(bǔ)償:臺(tái)階波所處數(shù)據(jù)區(qū)域是固定的，這里將臺(tái)階波區(qū)域的大包絡(luò)看作“趨勢(shì)項(xiàng)”，利用滑動(dòng)平均的低通特性通過選取合適的滑動(dòng)點(diǎn)數(shù)m(這里選取m=100)可以將趨勢(shì)項(xiàng)提取，但是這一過程會(huì)產(chǎn)生損耗，如圖3，曲線xsu3，需要通過滑動(dòng)平均前后臺(tái)階波區(qū)域數(shù)據(jù)均值計(jì)算損耗比，將其作為系數(shù)對(duì)有損耗的曲線進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫奖徽J(rèn)為沒有損耗的趨勢(shì)項(xiàng)xsu4。

(4)傷信號(hào)提取:這里依據(jù)誤差理論，傷信號(hào)看作“粗大誤差”，這里通過設(shè)定閾值g，對(duì)偏離“趨勢(shì)項(xiàng)”超過閾值部分判定為“粗大誤差”，只不過這里采取的不是剔除而是提取，相當(dāng)于將包含兩個(gè)頻率特征的信號(hào)去除了其中的低頻部分，這一過程相當(dāng)于對(duì)信號(hào)的高通濾波，但是提取的傷信號(hào)已經(jīng)去除了低頻的趨勢(shì)項(xiàng)和高頻部分的背景噪聲，因此提取后的信號(hào)只包含了傷信號(hào)。

(5)信號(hào)的還原:針對(duì)提取后的傷信號(hào)設(shè)定合適的閾值，根據(jù)滿足要求的傷信號(hào)的分布，計(jì)算原信號(hào)的系數(shù)分布σi，i∈(0，N)，其中有傷部分 σi，i∈(0，N)(或大于 1)，無傷部分σi=0，將這一系數(shù)分布數(shù)組乘入T(i)處理后的信號(hào)xsu2可以得到濾除背景噪聲B(i)及臺(tái)階波T(i)的傷信號(hào)S(i)，即圖3，曲線ysu。最后將消除臺(tái)階波后信號(hào)還原到原來數(shù)組，通過選取合適帶寬的濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體處理。

圖3 包絡(luò)提取與信號(hào)還原過程

1.4 針對(duì)棱波的數(shù)據(jù)處理過程

由圖4可以看出，包含棱波的數(shù)據(jù)其可讀性很差，無法直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傷判定?？梢苑治龀觯獠ㄖ辉趦?nèi)棱角處產(chǎn)生，其幅值雖然高，但是其連續(xù)時(shí)間短，可以認(rèn)為其具有高頻特性，因此采取這種基于低通濾波器的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，會(huì)達(dá)到很理想的效果。

圖4 棱波處理結(jié)果

1.5 超聲數(shù)據(jù)的B型成像

若只通過A型數(shù)據(jù)顯示(時(shí)間幅度顯示)，很難判定顯示在工件表面的分布位置及缺陷類型，而實(shí)際應(yīng)用中往往需要直觀的將缺陷的分布和缺陷類型進(jìn)行顯示，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為灰度值并對(duì)其進(jìn)行二維成像是一種快捷有效的方法。

圖5 棱波去除前

圖6 棱波去除后

由A型顯示到B型顯示的轉(zhuǎn)換規(guī)則由工件形狀和探頭掃描路徑及掃描精度決定。本文的數(shù)據(jù)，探頭周向掃描為400點(diǎn)，軸向?yàn)?0點(diǎn)，而由工件參數(shù)可以看出，其長(zhǎng)寬比應(yīng)為110∶100，因此這里的掃描圖是經(jīng)過拉伸處理的，由圖5，圖6可以看出，其X方向上分辨率較低。

2 結(jié)論

通過超聲B型成像結(jié)果，如圖5，圖6所示，可以直觀地看出這種基于動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取的方法能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)階波和棱波等干擾信號(hào)的分離去除，極大減輕了缺陷識(shí)別和提取的難度，實(shí)現(xiàn)了算法設(shè)計(jì)的最初目的。

對(duì)傷信號(hào)的提取本質(zhì)上仍是通過濾波方法實(shí)現(xiàn)的，文章針對(duì)臺(tái)階波及棱波具有的固定特征，通過對(duì)其大包絡(luò)線提取并通過計(jì)算損耗進(jìn)行包絡(luò)補(bǔ)償?shù)倪^程可以被認(rèn)為是信號(hào)的低頻部分趨勢(shì)項(xiàng)代替信號(hào)本身，利用其能量上的差異，通過包絡(luò)實(shí)現(xiàn)傷信號(hào)的提取。

這種基于滑動(dòng)平均的動(dòng)態(tài)包絡(luò)提取方法的設(shè)計(jì)針對(duì)快速工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)過程，具有穩(wěn)定性與快速特點(diǎn)，且易于在Matlab和VC++等上位機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，在針對(duì)此類小徑薄壁異型構(gòu)件的超聲數(shù)據(jù)處理方面具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉松平，郭恩明，陳積懋，等.金屬薄壁管件復(fù)合超聲檢測(cè)技術(shù)［J］.無損探傷，2005，5(10):6－10.

［2］曹海軍.異型構(gòu)件超聲檢測(cè)技術(shù)［J］.硬質(zhì)合金，2010，3(6):168－170.

［3］裴益軒，郭民.滑動(dòng)平均法的基本原理及應(yīng)用［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2001，1:21－23.

［4］張艷花，楊錄.在連續(xù)噪聲背景下分離脈沖信號(hào)的一種方法［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，2:134－138.