陳振華，趙二虎，胡懷輝

(無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌330063)

0 引言

鎂合金以其密度小、比強(qiáng)度高、減振性和機(jī)械加工性好等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國內(nèi)外積極開發(fā)的新型結(jié)構(gòu)材料，在汽車、航空、通信、電子、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［1］。鎂合金在成形加工或服役過程中出現(xiàn)的缺陷將影響產(chǎn)品的使用壽命，并引發(fā)安全事故［2-3］，超聲檢測(cè)技術(shù)是保證鎂合金產(chǎn)品安全可靠性的重要手段。AZ91鑄造鎂合金晶粒較為粗大，超聲檢測(cè)信號(hào)中易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，檢測(cè)信號(hào)的噪聲污染導(dǎo)致對(duì)小缺陷辨識(shí)困難。如何有效地增強(qiáng)缺陷特征信號(hào)、去除晶粒噪聲是鎂合金超聲檢測(cè)的關(guān)鍵。由于晶粒噪聲與時(shí)間隨機(jī)相關(guān)，采用普通的平均算法濾波已不適用。傳統(tǒng)方法是通過不同類型的濾波器消噪的，無法消除遍布于整個(gè)頻域范圍內(nèi)的噪聲。小波變換能依據(jù)噪聲信號(hào)的時(shí)域和頻域的不同特性改變時(shí)頻窗口尺寸，精確地分析信號(hào)，以較高的精度分析處理整個(gè)頻率范圍［4］。本研究依據(jù)同類信號(hào)具有較高相關(guān)性的原理，采用相關(guān)性算法增強(qiáng)缺陷信號(hào)，對(duì)增強(qiáng)后的相關(guān)性信號(hào)進(jìn)行小波軟閾值處理，以獲得較好的去噪效果，使其更有效地檢測(cè)鎂合金缺陷。

1 信號(hào)處理方法

互相關(guān)測(cè)量的是某一時(shí)刻的信號(hào)同另一信號(hào)的相互關(guān)系［5］。設(shè)2數(shù)字信號(hào)為 x(n)，y(n)則其互相關(guān)系數(shù)Rxy(m)為:

其中，x(n)=s(n)+n(n)，即假設(shè)檢測(cè)信號(hào)x(n)包含有用信號(hào)s(n)與噪聲n(n)。如果有用信號(hào)與噪聲無關(guān)，且事先已知先驗(yàn)信號(hào)y(n)=s(n)，則先驗(yàn)信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)x(n)的互相關(guān)為:

這樣檢測(cè)信號(hào)與先驗(yàn)信號(hào)的互相關(guān)就變成了有用信號(hào)的自相關(guān)，噪聲信號(hào)被抑制，缺陷信號(hào)被增強(qiáng)。實(shí)際超聲檢測(cè)中，晶粒產(chǎn)生的散射波噪聲屬于相干噪聲，與先驗(yàn)的缺陷噪聲具有一定相關(guān)性，但是只要先驗(yàn)缺陷信號(hào)與缺陷信號(hào)的相關(guān)性大于晶粒散射信號(hào)，則相關(guān)算法在一定程度上是可以起到抑制噪聲增強(qiáng)缺陷信號(hào)的作用的。所采集的先驗(yàn)信號(hào)在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算前必須首先歸一化，為小波閾值去噪作好準(zhǔn)備。

小波變換能夠?qū)⑿盘?hào)按頻帶位置分解到不同尺度上，缺陷信號(hào)的小波變換系數(shù)分布較寬且在一定尺度較突出;而噪聲主要處于較高和較低頻域范圍內(nèi)，其水平隨著尺度變化迅速減小，因此，可以通過對(duì)特定尺度小波系數(shù)設(shè)置閾值，濾除無用噪聲。具體算法如下:

1)選定合適的小波函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層小波分解。

2)各尺度細(xì)節(jié)小波系數(shù)的閾值處理，算法為:

3)采用經(jīng)軟閾值處理后的小波系數(shù)重構(gòu)檢測(cè)信號(hào)，此時(shí)即能得到去噪后的信號(hào)。

2 檢測(cè)設(shè)備與試件制備

實(shí)驗(yàn)采用中心頻率為5 MHz的接觸式斜探頭提取模擬缺陷的超聲信號(hào)，采樣頻率為50 MHz。試件是AZ91鎂合金鑄件，人工缺陷設(shè)計(jì)如圖1所示。在距試塊頂部34 mm處制一直徑為2 mm的橫通孔作為人工缺陷，并在同一豎直高度，加工一直徑為4 mm的橫通孔，用于提取先驗(yàn)信號(hào)。對(duì)AZ91進(jìn)行金相檢查，金相組織如圖2所示，測(cè)量其晶粒尺寸約為150 μm。

圖1 試樣示意圖及探頭布置Fig.1 Tested sample and transducer location

圖2 AZ91鎂合金金相組織Fig.2 Microstructure of magnesium alloy AZ91

3 檢測(cè)結(jié)果與討論

首先提取直徑4 mm橫通孔的超聲反射波信號(hào)。此時(shí)要求超聲波回波信號(hào)盡量大。截取缺陷反射波信號(hào)部分并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，此時(shí)截取的信號(hào)被看作完全由缺陷產(chǎn)生且不受噪聲干擾，把它作為缺陷先驗(yàn)信號(hào)用于自相關(guān)運(yùn)算，先驗(yàn)信號(hào)如圖3所示。

圖3 先驗(yàn)信號(hào)Fig.3 Prior signal

移動(dòng)探頭采集直徑為2 mm橫通孔的超聲波信號(hào)，將探頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度使得橫通孔反射波幅度降低，提高增益獲得了一系列充滿噪聲的信號(hào)，此時(shí)橫通孔反射信號(hào)淹沒于噪聲中，繼續(xù)調(diào)節(jié)探頭位置得到一系列這樣的超聲反射波，如圖4a、c所示。將所得的先驗(yàn)信號(hào)與檢測(cè)信號(hào)自相關(guān)，而后采用小波閾值去噪法進(jìn)行處理。在小波閾值去噪中，本實(shí)驗(yàn)采用db3小波函數(shù)進(jìn)行五層小波分解，小波去噪中閾值定義為，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)選定Ri為［15 13 28 20 20］。經(jīng)相關(guān)增強(qiáng)小波去噪法處理后的檢測(cè)信號(hào)與原始檢測(cè)信號(hào)列于圖4中。由處理后的效果可以看到，通過增強(qiáng)小波閾值去噪法處后在時(shí)間軸30 μs附近的缺陷信號(hào)凸顯出來。由以上分析實(shí)驗(yàn)可知該方法對(duì)于提高超聲波在粗晶鎂合金中的信噪比是非常有效的。分析結(jié)果一致，均證明表面粗糙度對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕行為有著重要影響，與粗糙的不銹鋼表面相比，在光滑的不銹鋼表面上亞穩(wěn)態(tài)蝕點(diǎn)的產(chǎn)生與生長更加難以進(jìn)行。

圖4 去噪效果圖Fig.4 Denoising results

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