劉卉芳，王召巴，陳友興

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在一些生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)備、工藝以及生產(chǎn)環(huán)境等因素，可能會(huì)使合金彈頭表面及內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、夾雜、氣泡等不同類(lèi)型的缺陷，例如，在溫?cái)D壓過(guò)程中，表面溫度升高產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，從而造成模腔表壁出現(xiàn)麻點(diǎn)、局部堆塌或凹陷等現(xiàn)象；若溫?cái)D壓潤(rùn)滑不良所產(chǎn)生的磨損則使模具表面出現(xiàn)劃傷、粘結(jié)、壓坑、尺寸超差等；工作時(shí)加載速度過(guò)低或過(guò)高將致使模具軟化或塑性變形乃至開(kāi)裂失效[1]。這些缺陷會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品的使用性能降低，更為嚴(yán)重的可能會(huì)引起安全故障[2]。因而,有必要對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),一方面確保產(chǎn)品質(zhì)量和使用過(guò)程中安全無(wú)隱患,另一方面還可以將檢測(cè)結(jié)果反饋回生產(chǎn)，完善產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和工藝的改進(jìn)，提高生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效率。

本文研究合金彈頭超聲檢測(cè)缺陷特征提取方法，進(jìn)行超聲回波信號(hào)特征提取，能夠有效地判斷出合金彈頭內(nèi)部及表面缺陷所存在的位置，有利于進(jìn)行合金彈頭缺陷識(shí)別，從而可以確保這類(lèi)產(chǎn)品質(zhì)量，減少使用中的安全隱患。因此，本文的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 檢測(cè)原理和方法

一般合金彈頭由管狀結(jié)構(gòu)和棒狀結(jié)構(gòu)組成，實(shí)驗(yàn)采用的合金彈頭試件管壁外徑為39.40mm，管壁內(nèi)徑為24.60mm，壁厚為7.4mm，合金彈頭試件實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 合金彈頭試件實(shí)物圖

由于水浸式的超聲檢測(cè)方法有利于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化,通過(guò)水介質(zhì)時(shí)容易收斂聲束,超聲回波信號(hào)的信噪比高，而且適合于試件坯料檢測(cè)，所以采用水浸式聚焦探頭對(duì)合金彈頭內(nèi)部和表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)[5-6]。

合金彈頭近表面以及內(nèi)部缺陷的檢測(cè)原理如圖2所示。檢測(cè)時(shí)，將探頭偏置，超聲波探頭發(fā)出縱波，以水作為耦合介質(zhì)傳播到合金彈頭身管下表面，在入射點(diǎn)處發(fā)生超聲波的反射、折射及波形轉(zhuǎn)換。通過(guò)調(diào)整聲波的入射角，使得聲波在管狀試件的近表面和內(nèi)部形成近表面橫波和內(nèi)部橫波。如果試件近表面和內(nèi)部存在缺陷，折射聲波將在缺陷處發(fā)生反射或散射，而反射的聲波沿原路返回被探頭接收，形成缺陷回波。根據(jù)缺陷回波的有無(wú)判斷試件內(nèi)部和近表面有無(wú)缺陷，并根據(jù)回波信號(hào)接收時(shí)刻來(lái)確定缺陷在合金彈頭中的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合金彈頭的缺陷識(shí)別[7]。

圖2 合金彈頭缺陷超聲檢測(cè)原理

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)合金彈頭試件進(jìn)行超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用采樣頻率為100MHz的超聲采集卡連接探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集到的回波信號(hào)如圖3所示。

圖3 采集的回波信號(hào)

從采集的回波信號(hào)中很難準(zhǔn)確識(shí)別或提取缺陷回波信號(hào)的特征，進(jìn)而判斷合金彈頭缺陷所在的位置。因此，需要將回波信號(hào)進(jìn)行處理。首先對(duì)采集的回波信號(hào)做傅里葉變換，其結(jié)果如圖4所示，可以看出，傅里葉變換將信號(hào)分解為一系列正弦波的疊加，沒(méi)有時(shí)間信息，無(wú)法判斷出回波信號(hào)的接受時(shí)刻。然而小波理論突破了Fourier分析在時(shí)頻域內(nèi)分辨率差的缺陷，它具有良好的時(shí)頻局部化特性[8]，能夠把任何平穩(wěn)或非平穩(wěn)測(cè)量信號(hào)映射到一個(gè)由小波伸縮而成的一組基函數(shù)上，在通頻帶范圍內(nèi)得到分布在各個(gè)不同頻帶內(nèi)的分解序列。

圖4 回波信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果

小波分解層數(shù)越高，回波信號(hào)的低頻信息和高頻信息越清晰，且低頻信息越接近原始信號(hào)。高頻分量可以反映出超聲信號(hào)在試件內(nèi)部及近表面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中所攜帶的信息，因此對(duì)高頻細(xì)節(jié)進(jìn)行分析就能夠得出是否有缺陷以及缺陷所在的位置。通過(guò)對(duì)小波基的比較，本文選用dB6小波對(duì)被檢信號(hào)進(jìn)行小波分析。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行3層小波分解，所得回波信號(hào)的各層細(xì)節(jié)信息圖如圖5-7所示。

圖5 第一層低頻細(xì)節(jié)分量

圖6 第二層低頻細(xì)節(jié)分量以及高頻細(xì)節(jié)分量

圖7 第三層低頻細(xì)節(jié)分量以及高頻細(xì)節(jié)分量

從圖7中的第三層的高頻細(xì)節(jié)分量中，可以清楚觀察到突變信號(hào)，因此可以判斷超聲信號(hào)中發(fā)生突變信號(hào)的時(shí)刻，從而判斷試件中缺陷所在的位置。由于可以觀察到回波信號(hào)的高頻信息里有突變信號(hào)，說(shuō)明了試件中存在缺陷，且突變信號(hào)出現(xiàn)在180×0.01微秒處附近，同樣地可以看到下表面回波出現(xiàn)在80×0.01μs處附近，則根據(jù)超聲波在合金彈頭中的橫波傳播速度約為3080m/s，可以計(jì)算出缺陷的位置在距離下表面3.08mm處。按此規(guī)律，讓被檢合金彈頭旋轉(zhuǎn)360°，則可以判斷出其它缺陷的位置，再讓探頭沿試件橫向檢測(cè)一遍，那么整個(gè)缺陷就可以被確定下來(lái)了。

3 結(jié)論

由以上分析可知，采用小波時(shí)頻分析方法對(duì)合金彈頭超聲檢測(cè)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行處理，可以較準(zhǔn)確地判斷出合金彈頭中缺陷所存在的位置，為后續(xù)缺陷的識(shí)別以及缺陷的重構(gòu)工作提供了有利的重要依據(jù)。進(jìn)而確保這類(lèi)產(chǎn)品質(zhì)量，減少使用中的安全隱患，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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