基于無(wú)損檢測(cè)的激光超聲信號(hào)分析

劉鵬 鄭賓

【摘要】本文采用了移動(dòng)線光源掃描技術(shù)建立了檢測(cè)激光超聲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中探頭與金屬邊界距離不同的超聲表面波提取出幅度、頻譜等信息;通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，得到金屬邊界反射對(duì)這些參數(shù)的影響。該文的研究成果為金屬表面缺陷無(wú)損檢測(cè)時(shí)邊界反射對(duì)檢測(cè)的影響提供有效的說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】表面波;缺陷檢測(cè);掃描激光線源技術(shù);激光超聲;邊界反射

1.引言

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種有色金屬結(jié)構(gòu)材料。在飛機(jī)制造、造船、汽車制造等重工業(yè)領(lǐng)域，用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝上的鋼或者鑄鐵，能有效減輕構(gòu)件重量，提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱性能[1]。在家用電器、建筑材料等輕工業(yè)領(lǐng)域，鋁合金的用途也非常廣泛。但是，在將鋁合金材料生產(chǎn)成各種零配件的制造過(guò)程中，有可能因?yàn)椴牧媳旧碛腥毕?，或者生產(chǎn)工藝和環(huán)境影響等因素使得零件產(chǎn)生缺陷，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，將引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，甚至給人員和財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失[2]。為了不破壞材料構(gòu)件原來(lái)的形狀，不改變其使用性能，采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)鋁合金材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)是很重要的。

采用激光超聲技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，具有很多優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)非接觸的激發(fā)和測(cè)量;頻帶寬;適用材料的范圍很廣;當(dāng)工作于熱彈機(jī)制下能實(shí)現(xiàn)非破壞性無(wú)損檢測(cè);受表面狀況影響小，測(cè)量準(zhǔn)確度和分辨能力都很高[3];激光激發(fā)的聲表面波尤其是沿表面?zhèn)鞑サ娜鹄ǎ≧yaelihgWave）具有激發(fā)效率高，衰減小和易于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，便于用來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)和定位，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

2.理論體系

2.1 小波基的選擇

直接針對(duì)幾種特定的小波基，對(duì)這些小波基在工程應(yīng)用中的效果進(jìn)行評(píng)估，以此選出最優(yōu)者。該方法理論聯(lián)系實(shí)際，可操作性較高。本文通過(guò)以下幾方面來(lái)比較各種小波性質(zhì)以及它們?cè)趯?shí)際信號(hào)處理方面的效果差異，以此判斷小波的實(shí)用性，并作為選擇小波基的理論依據(jù)。

（1）支撐長(zhǎng)度：與時(shí)頻局部化能力有關(guān);

（2）對(duì)稱性：能避免或減少相位失真;

（3）正則性：有利于重構(gòu)的信號(hào)和圖像獲得較好的平滑效果;

（4）消失矩：對(duì)小波在信號(hào)壓縮、信號(hào)降噪、信號(hào)奇異性檢測(cè)等方面的應(yīng)用極為重要;

（5）是否存在尺度函數(shù);

（6）是否具有正交性。

對(duì)幾種常見(jiàn)小波函數(shù)的比較如表1所示：

表1 幾種常見(jiàn)小波函數(shù)的比較

小波函數(shù) 緊支正交 任意階數(shù)失矩 尺度函數(shù)存在 正交分析 準(zhǔn)確重構(gòu) 對(duì)稱性 快速算法

haar 是 是 是 是 有

mexh 是

morl 是

DBN 是 是 是 是 是 有

symN 是 是 是 是 是 有

由表1可知，mexh小波和morl小波雖然具有對(duì)稱性，但不具備緊支性和正交性，也沒(méi)有快速算法;Haar小波在緊支正交、尺度函數(shù)和快速算法等方面雖然都符合要求，但它時(shí)域非連續(xù)，只適用于理論研究;DB小波和sym小波雖不具備對(duì)稱性，但其在緊支性、正交性等方面都優(yōu)于前三種小波，同時(shí)具備快速算法，可以用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的小波快速分解和快速重構(gòu)。sym小波是對(duì)DB小波的改進(jìn)，在對(duì)稱性方面優(yōu)于DB小波，采用sym系小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速分解后重構(gòu)信號(hào)與原始信號(hào)的誤差小于采用DB系小波所得的結(jié)果，因此在超聲波信號(hào)處理方面sym小波效果更好。本文對(duì)含噪超聲檢測(cè)回波信號(hào)，分別采用sym系小波中的不同小波函數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)多次比較，發(fā)現(xiàn)sym8小波在保留信號(hào)高頻細(xì)節(jié)成分上優(yōu)于其它sym小波，這一優(yōu)點(diǎn)在提高缺陷檢出率方面將大有作為，因此本文確定以sym8小波作為小波基。

2.2 尺度的確定

小波分析理論表明，小波分解過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種迭代過(guò)程，理論上可以無(wú)限進(jìn)行。小波分解的層次越多，信號(hào)的高低頻部分就分解得越徹底，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量加大[4]。在小波的每次分解過(guò)程中都會(huì)對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行二次采樣，使得系數(shù)的長(zhǎng)度變?yōu)樯弦粚酉禂?shù)長(zhǎng)度的二分之一，當(dāng)分解到第七層之后，系數(shù)的長(zhǎng)度值已變?yōu)?，再分解下去將失去實(shí)際意義。為了確定具體的分解尺度，本文采用sym8小波對(duì)圖所示的超聲檢測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)尺度取6時(shí)，既能有效的去除信號(hào)中的無(wú)用成分，相對(duì)其它尺度又最完整的保留了有用成分，對(duì)于鋁合金板材超聲檢測(cè)缺陷回波信號(hào)的處理，顯然該尺度是最為合適的。因此本文最終確定的分解尺度為 6。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 激光超聲表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

激光超聲表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，本文研究中，在滿足表面缺陷檢測(cè)機(jī)理研究的前提下，考慮實(shí)現(xiàn)的難易程度、是否連續(xù)可調(diào)及裝置成本等綜合因素，納秒級(jí)激光器選用了德國(guó)INNOLAS公司的Spitlight Compact 200激光器，激光空間調(diào)制裝置采用了易調(diào)節(jié)的聚焦透鏡，完全滿足本文的研究需求。其中，激光器的波長(zhǎng)1064nm，激光脈沖能量70mJ-220mJ，脈沖寬度為8ns，激光聚焦透鏡的中心波長(zhǎng)為1064nm，衍射極限為0.5mm。

圖2 激光超聲表面缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激勵(lì)源和探頭距離差保持不變且同處于裂紋的右側(cè)，激勵(lì)源光斑直徑為0.9mm，缺陷規(guī)格0.1*0.9mm，采樣率200MHz，采樣時(shí)間100us，參考位置0%，裂紋在探頭的左側(cè)，探頭距離激勵(lì)源恒為15.5mm;探頭距離右側(cè)鋁板邊界分別為70mm、80mm、90mm的位置，采用中心頻率為2 MHz、帶寬為2MHz的表面波探頭進(jìn)行表面波信號(hào)的檢測(cè)，也就是“掃描法”，探頭方向背離缺陷，指向鋁板右邊界。圖4為探頭距鋁板右邊界即檢測(cè)距離為90mm時(shí)的結(jié)果圖。圖4中上圖為時(shí)域波形，可以看到時(shí)域波形中主要有①、②、③三個(gè)波峰，下圖為頻域圖，可以看到主要有兩個(gè)主要頻率峰值Ⅰ、Ⅱ。實(shí)驗(yàn)中為減少實(shí)驗(yàn)誤差，保證后續(xù)分析的可靠性，在每一個(gè)檢測(cè)距離下，均記錄了3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波降噪并進(jìn)行頻譜分析后得到圖4經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)：圖4時(shí)域圖中的①、②、③三個(gè)波峰所到達(dá)的時(shí)間、幅值，隨著檢測(cè)距離的改變，均發(fā)生規(guī)律性的變化;頻域圖中兩個(gè)主要頻率峰值Ⅰ、Ⅱ之比也隨檢測(cè)距離的改變發(fā)生規(guī)律性的變化。為定量的分析這些變化所表征的試件參數(shù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理后統(tǒng)計(jì)了如下數(shù)據(jù)：（1）不同檢測(cè)距離下①、②、③三個(gè)波峰所到達(dá)的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)由檢測(cè)距離改變引起的相同類型波峰（①/②/③）之間的時(shí)間差，及相同檢測(cè)距離下不同類項(xiàng)波峰之間的時(shí)間差，結(jié)果如表1所示;（2）不同檢測(cè)距離下，波峰②幅值的變化，結(jié)果如圖3所示;（3）不同檢測(cè)距離下，頻域峰值Ⅰ、Ⅱ的變化，結(jié)果如圖3所示。

不同檢測(cè)距離下①、②、③三個(gè)波峰所到達(dá)的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)由檢測(cè)距離改變引起的相同類型波峰（①/②/③）之間的時(shí)間差，結(jié)果如表2所示。

結(jié)果分析：由表2統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)距離為90mm、80mm、70mm時(shí)，波峰①的到達(dá)時(shí)間分別為13.55us、13.54us、14.46us，基本不變，這是由于探頭到激勵(lì)源的距離為一定值，所以波峰①到達(dá)時(shí)間應(yīng)為一穩(wěn)定值，波峰①應(yīng)該是激勵(lì)源激勵(lì)出的表面波首先傳到接收探頭所得到的波形，第三組數(shù)據(jù)與前兩組相差較大是因?yàn)橐苿?dòng)探頭時(shí)的細(xì)微誤差引起的。

波峰②、③的到達(dá)時(shí)間隨著探頭距離鋁板右邊沿的距離的減少而均出現(xiàn)一致的減少，波峰②到達(dá)的平均時(shí)間分別為64.14us、58.04us、50.61us，隨著探頭距離鋁板邊界的距離減小而減小，波峰③到達(dá)時(shí)間也相應(yīng)的減小兩者均符合預(yù)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)距離變化了90-80=10mm時(shí)，波峰②到達(dá)的時(shí)間差為64.14-58.04=6.1us，計(jì)算波峰②傳播的速度為3305.7m/s;當(dāng)檢測(cè)距離變化了80-70=10mm時(shí)，波峰②到達(dá)的時(shí)間差為58.04-50.61=7.43us，計(jì)算波峰②傳播速度為2691.7m/s，當(dāng)檢測(cè)距離變化90-70=20mm時(shí)，波峰②到達(dá)的時(shí)間差為64.14-50.61=13.53us，計(jì)算波峰②傳播的速度為2956.4m/s。前兩組速度的計(jì)算值與第三組的計(jì)算值差距很大的原因是人為誤差引起的。根據(jù)查閱文獻(xiàn)得到的資料，鋁板中表面波傳播的速度為2970m/s，考慮試驗(yàn)中的測(cè)量誤差，波峰②的傳播速度非常接近于表面波傳播速度，說(shuō)明波峰②是由鋁板上表面反射的表面波引起的。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)距離為70mm、90mm時(shí)，波峰③與波峰②的時(shí)間差非常接近，平均值為5.58us，可能與鋁板厚度8mm有關(guān)，這里做如下假設(shè)：如圖5所示，激光致聲后，產(chǎn)生表面波傳遞到鋁板右邊沿后又傳到了鋁板底面后發(fā)生反射有一部分傳遞到上表面，沿著上表面再次傳遞到探頭，此時(shí)波峰③與②之間的時(shí)間差應(yīng)該是鋁板厚度8mm的2倍16mm，以此來(lái)計(jì)算速度：16mm/5.58us=2867.4m/s與表面波速度大小相近，但較表面波速度要小一些，這與猜想基本相符。

圖4

聲表面波的振幅強(qiáng)度隨距離表面的深度增加而迅速衰減。在彈性體材料中，縱波和橫波相互獨(dú)立分別以不同的速度傳播，而表面Rayleihg波是縱波與橫波模式在材料表面相互藕合的結(jié)果，Ryaelihg波的傳播速度比橫波的速度約慢5到13%。由于表面波的能量主要集中在表面附近傳播，且具有無(wú)色散、不易衰減等特征，特別適用于材料表面缺陷的檢測(cè)。

5.結(jié)論

本文采用Ryaleihg波探測(cè)表面缺陷主要基于其在表面缺陷區(qū)域發(fā)生的熱彈機(jī)理，通過(guò)分析表面波位移信號(hào)的振幅與相位信息及頻譜成分的變化等特征信息，驗(yàn)證了信號(hào)沿邊界反射。通過(guò)小波降噪后能很好的對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

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作者簡(jiǎn)介：

劉鵬（1989—），男，遼寧調(diào)兵山人，中北大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

鄭賓，中北大學(xué)教授。