江 念,王召巴，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 山西太原 030051)

?

脈沖反轉(zhuǎn)和小波變換在非線性超聲檢測中的應(yīng)用

江 念,王召巴，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 山西太原 030051)

為提高非線性超聲檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和魯棒性，文中將脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)和信號(hào)小波系數(shù)相關(guān)性濾波算法結(jié)合用于處理非線性超聲檢測信號(hào)。利用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)抑制實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生的奇數(shù)次諧波信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)小波系數(shù)相關(guān)性算法濾除噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：上述信號(hào)處理方法能有效提取頻率純凈的二次諧波，提高了超聲非線性系數(shù)表征試件粘接強(qiáng)度的能力。

非線性超聲；無損檢測；脈沖反轉(zhuǎn)法；小波變換；粘接強(qiáng)度

0 引言

非線性超聲檢測技術(shù)對(duì)線性超聲無法檢測的材料疲勞、應(yīng)力集中、弱粘接等缺陷敏感[1-2]，在材料無損檢測領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)其開展了多年的研究。通常把有限幅度超聲波通過界面和介質(zhì)之間的接觸、裂紋時(shí)表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變非線性，稱為聲接觸非線性[3]。因?yàn)閿y帶傳播介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變信息，聲接觸非線性常用于評(píng)價(jià)材料的局部特征。在實(shí)際檢測中，非線性超聲信號(hào)很微弱，要區(qū)分儀器引入的非線性聲學(xué)效應(yīng)、克服環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)的影響，這就限制了該技術(shù)在工程中的應(yīng)用[4]。因此，開展相應(yīng)的信號(hào)處理方法研究，增強(qiáng)非線性超聲檢測結(jié)果的魯棒性是未來研究的主要方向之一。

本文將脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)和小波系數(shù)相關(guān)性濾波結(jié)合起來應(yīng)用于非線性超聲檢測，以達(dá)到增強(qiáng)二次諧波信號(hào)，抑制由儀器引入的非線性聲學(xué)效應(yīng)，濾除環(huán)境噪聲的目的，通過對(duì)鋁板粘接強(qiáng)度的檢測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 超聲非線性系數(shù)及脈沖反轉(zhuǎn)

1.1 超聲非線性系數(shù)

在一維大幅度單頻超聲縱波作用下，衰減各向同性材料中的非線性方程為[5]

(1)

式中：ρ是密度；u(x,t)是x軸上的質(zhì)點(diǎn)位移；K2=ρc2是二階彈性常數(shù)；c是材料中的聲速；K3是三階彈性常數(shù);β=-(3K2+K3)/K2，為材料的非線性參數(shù)；δ是聲衰減系數(shù)；Fext(x,t)是單位體積上受到的外力。

應(yīng)用微擾理論[6]得到非線性方程(1)的近似解

(2)

式中:k=2πf/c是波數(shù)；f是正弦波頻率;x是傳播距離;A1是基頻信號(hào)幅度。

那么材料的非線性系數(shù)為

(3)

材料的相對(duì)非線性系數(shù)為

(4)

由于相對(duì)非線性系數(shù)β′與β只是相差一個(gè)比例系數(shù)，因此常用相對(duì)非線性系數(shù)β′代替β。

實(shí)驗(yàn)中只需要測量基波和二次諧波的幅值，借助β′就可了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化情況。

1.2 脈沖反轉(zhuǎn)法

脈沖反轉(zhuǎn)法最初主要用于超聲二次諧波造影成像[7]，對(duì)于非線性波動(dòng)方程(1)，當(dāng)初始相位φ=0°時(shí)，方程的解為式(2)；當(dāng)初始相位φ=180°時(shí)，方程的解為

u(x,t)=-A1sin(ωt-kx)+A2cos2(ωt-kx)

(5)

將式(2)、式(5)疊加求和，奇數(shù)倍頻信號(hào)被抵消，抑制主要由儀器產(chǎn)生的奇數(shù)次諧波分量[8]， 同時(shí)二次諧波有效信號(hào)得到增強(qiáng)。

2 小波系數(shù)相關(guān)性濾波

環(huán)境噪聲是一種頻帶范圍較寬的隨機(jī)信號(hào)，在不同小波分解尺度上的頻帶范圍不同，那么不同尺度上的小波系數(shù)之間的互相關(guān)性會(huì)很小[9]。而理論上講，二次諧波信號(hào)分解的子波中的缺陷分量之間具有很好的互相關(guān)性。

在時(shí)域中，原始信號(hào)由有用信號(hào)和噪聲疊加而成。因此，在小波域中有：

y=w+n

式中：y是原始信號(hào)的小波系數(shù)；w是有用信號(hào)的小波系數(shù)；n是噪聲的小波系數(shù)[10-11]。

將不同小波尺度i和j的系數(shù)相乘，得到

rij=yi·yj=(wi+ni)·(wj+nj)

=wi·wj+wi·nj+wj·ni+ni·nj

(6)

由上述分析可知，wi和wj具有很好的互相關(guān)性，其乘積保留了信號(hào)特征，而其余三項(xiàng)相關(guān)性微弱，乘積運(yùn)算會(huì)削減甚至消除乘積項(xiàng)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及檢測方法

實(shí)驗(yàn)采用縱波透射法，檢測系統(tǒng)如圖1所示。RAM-SNAP系統(tǒng)主機(jī)產(chǎn)生9個(gè)周期、5 MHz頻率的單頻高能正弦脈沖串信號(hào)，經(jīng)過匹配阻抗和低通濾波器后，驅(qū)動(dòng)耦合固定在鋼板上的中心頻率為5 MHz的窄帶鈮酸鋰晶片，向試件中輸入有限幅度超聲波。在試件另一端包含高頻分量的透射波由寬帶接收換能器接收，并被送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT) ，獲得基頻和二次諧波的幅值，進(jìn)而得到材料的相對(duì)非線性系數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了避免普通耦合劑揮發(fā)影響測量結(jié)果，采用低熔點(diǎn)的水楊酸苯酯作為耦合劑將發(fā)射晶片和試件進(jìn)行粘接耦合。參照GB/T7124-2008膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定標(biāo)準(zhǔn)[12]，選用環(huán)氧樹脂粘接厚度為0.5 mm的兩鋁板，制作了固化劑含量不同的3組粘接試件，每組包含4個(gè)不同固化劑含量的粘接試件，在超聲非線性檢測完畢后，用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量試件的剪切強(qiáng)度。表1是粘接試件的尺寸及其剪切強(qiáng)度。

圖2所示為激勵(lì)信號(hào)相位為0°和180°時(shí)穿過試件的超聲時(shí)域波形，圖3為圖2中兩時(shí)域信號(hào)疊加后得到的二次諧波信號(hào)。

表1 粘接試件的尺寸及其剪切強(qiáng)度

粘接試件粘接寬/mm粘接長/mm剪切強(qiáng)度均值/MPa12%固化劑20180.5425%固化劑20181.1237%固化劑20181.6750%固化劑20182.04

圖2 透射超聲時(shí)域信號(hào)

圖3 時(shí)域疊加后的信號(hào)

從圖3可以看出，利用脈沖反轉(zhuǎn)法得到的二次諧波信號(hào)的信噪比不高，有用信號(hào)混疊在噪聲中，這一點(diǎn)可以從它的時(shí)頻圖(如圖4所示)清楚觀察到。

圖4 二次諧波信號(hào)的小波時(shí)頻圖

為得到反映粘接界面非線性應(yīng)力-應(yīng)變特征的有用信號(hào)，利用小波系數(shù)相關(guān)法對(duì)二次諧波信號(hào)濾波，得到的時(shí)域波形如圖5所示。從圖中可以明顯看出二次諧波信號(hào)，相關(guān)算法的濾波效果明顯。圖6是相關(guān)算法濾波后時(shí)域信號(hào)的小波時(shí)頻圖，相比于圖4，不難發(fā)現(xiàn)濾波后信號(hào)的頻率成份更加純凈。

圖5 相關(guān)算法濾波后的時(shí)域信號(hào)

圖6 相關(guān)算法濾波后信號(hào)的小波時(shí)頻圖

4 結(jié)果分析

經(jīng)過脈沖反轉(zhuǎn)和小波系數(shù)相關(guān)性濾波后得到有限幅度超聲在試件中產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)，對(duì)該信號(hào)及原始信號(hào)分別進(jìn)行FFT計(jì)算A2和A1(見圖7)，利用歸一化相對(duì)非線性系數(shù)β′來反映不同粘接強(qiáng)度試件的力學(xué)情況。

圖8所示為4組試件歸一化非線性系數(shù)與粘接強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著粘接強(qiáng)度的增加，歸一化相對(duì)非線性系數(shù)呈單調(diào)減小趨勢，特別是在固化劑含量從25%變化到50%時(shí)雖然剪切強(qiáng)度變化不大，但非線性系數(shù)變化明顯，說明超聲非線性系數(shù)可以很好地反映粘接試件剪切強(qiáng)度的變化，對(duì)粘接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化情況進(jìn)行早期無損檢測具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖7 基頻幅值和二次諧波幅值

圖8 非線性系數(shù)與剪切強(qiáng)度的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文針對(duì)非線性超聲檢測時(shí)有效信號(hào)混雜儀器非線性及噪聲污染問題，提出了脈沖反轉(zhuǎn)法和小波系數(shù)相關(guān)性濾波算法相結(jié)合的信號(hào)處理方法。用該方法對(duì)超聲透射信號(hào)進(jìn)行處理成功提取出有用二次諧波信號(hào)，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和魯棒性。最后對(duì)不同粘接強(qiáng)度試件的非線性超聲檢測實(shí)驗(yàn)表明脈沖反轉(zhuǎn)和小波變換方法提高了檢測信號(hào)的缺陷表征能力，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的無損檢測和評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)意義。

[1] 周正干,劉斯明.非線性無損檢測技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(8):2-11.

[2] 稅國雙,汪越勝.金屬材料表面涂層損傷的非線性超聲評(píng)價(jià).固體火箭技術(shù),2012,35(5):703-706.

[3] WU B,YAN B S,HE C F. Nonlinear ultrasonic characterizing online fatigue damage and in situ microscopic observation.Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2011,21(12):2597-2604.

[4] 江念,王召巴,金永，等.復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的非線性超聲檢測.兵工學(xué)報(bào),2014,35(3):398-402.

[5] YAN D W,NEILD S A,BRUCE W. Drinkwater,Modelling and measurement of the nonlinear behaviour of kissing bonds in adhesive joints. NDT & E International,2012,47(4)：18-25.

[6] HURLEY D C,FORTUNKO C M. Determination of the nonlinear ultrasonic parameter using a Michelson interferometer . Measurement Science and Technology,1997,8(6): 634-642.

[7] KRISHNAN S,HAMILTON J D,DONNEL M O. Suppression of propagating second harmonic in ultrasound contrast imaging. IEEE Transactions on UItrasonics,Ferro- electrics and Frequency Control,1998,45(3): 704-711.

[8] KIM J Y,JACOBS L J,QU J,et al. Experimental chara- cterization of fatigue damage in a nickel-base superalloy using nonlinear ultrasonic waves. Journal of the Acoustic Society of America,2006,120(3): 1266-1273.

[9] 歐陽森,宋政湘,王建華，等.基于信號(hào)相關(guān)性和小波方法的電能質(zhì)量去噪算法.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2003,18(3):111-116.

[10] 李濤，張宇，何怡剛． 基于MAP 估計(jì)雙樹復(fù)小波的電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)去噪方法． 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2012， 31( 1) : 33-38．

[11] REHMAN S,SIDDIQI A H. Wavelet based correlation coefficient of time series of saudi-meteorological data. Chaos Solitons and Fractals,2009,39( 4) : 1764- 1789.

[12] GB/T 7124—2008 膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測定.

Application of Pulse-Inversion Technique and Wavelet Transformfor Nonlinear Ultrasonic Nondestructive Testing

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,CHEN You-xing

(School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on correlation of the multi-level wavelet coefficients, a new algorithm combined with pulse-inversion technique was proposed to improve the accuracy and robustness of defects for nonlinear ultrasonic nondestructive testing. The pulse-inversion technique was used to inhibit the odd harmonics due to nonlinearity of the input instrumentation. By employing the wavelet transform method, adhesive joints tested ultrasonic signal were de-noising processed. The experimental results show that proposed method can efficiently extract the pure second harmonic and enhance ability to characterize the adhesive strength by ultrasonic nonlinear coefficient.

nonlinear ultrasonic; nondestructive testing; pulse-inversion technique; wavelet transform; adhesive strength

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61201412)；山西省青年科技研究基金項(xiàng)目(2012021011-5)

2015-02-05 收修改稿日期：2015-03-03

O422.7;TB551

A

1002-1841(2015)12-0097-03

江念(1988— )，博士研究生，主要研究無損檢測及信號(hào)與信息處理。E-mail:jaing_nian@yeah.net