邱 花

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710089)

隨著社會(huì)化進(jìn)程不斷加快，金屬材料和試件被應(yīng)用于鐵路、建筑、鋼材、飛機(jī)、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，因此金屬試件質(zhì)量的可靠性和安全性鑒定成為金屬材料必不可少的一項(xiàng)步驟。其中，超聲無(wú)損檢測(cè)成為當(dāng)前最實(shí)用的檢測(cè)方法，鑒于該檢測(cè)手段具有很好的定向性和穿透力，在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)取得了較好地應(yīng)用[1-3]。超聲無(wú)損檢測(cè)是利用超聲波對(duì)金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查的一種無(wú)損探傷方法。用發(fā)射探頭向金屬構(gòu)件表面通過(guò)耦合劑發(fā)射超聲波，超聲波在構(gòu)件內(nèi)部傳播時(shí)遇到不同界面將有不同的反射聲波(回波)。利用不同回波傳遞到探頭的時(shí)間差，可以檢查到構(gòu)件內(nèi)部的缺陷。在檢測(cè)過(guò)程中，除了缺陷產(chǎn)生的回波，還有線性噪聲和非線性噪聲。兩種不同音頻的噪聲形成非常穩(wěn)定的超聲信號(hào)，但該信號(hào)對(duì)金屬材料檢測(cè)過(guò)程中的缺陷回波聲音獲取形成了干擾，對(duì)接下來(lái)的聲音識(shí)別起到了一定影響。本實(shí)驗(yàn)以超聲信號(hào)的特征為依據(jù)，對(duì)實(shí)際聲音信號(hào)獲取和檢測(cè)開(kāi)展研究，并結(jié)合小波頻段變更降噪法和經(jīng)驗(yàn)分解降噪法對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)分解降噪法相對(duì)于小波頻段變更降噪法在金屬材料回波降噪處理的優(yōu)勢(shì)更明顯，主要變現(xiàn)為將聲音波段頻率進(jìn)行失真轉(zhuǎn)換[4]。

1理論分析

1.1 小波頻段變更降噪法

小波頻段變更降噪法是由美國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)70年代提出來(lái)的，該方法的核心是在聲音信號(hào)的時(shí)間和波段之間轉(zhuǎn)換的分析手段，根據(jù)在時(shí)間和波段中進(jìn)行局部改變，可以快速獲取聲音波段的有效信息[5-7]。

小波頻段變更降噪法經(jīng)過(guò)多個(gè)國(guó)家的學(xué)者論證，在聲音降噪過(guò)程中具有平穩(wěn)、高效等優(yōu)點(diǎn)，因此，學(xué)術(shù)理論不斷更新的過(guò)程中，該方法一直被專家學(xué)者視為聲音降噪、信號(hào)收集一種非常有效的方法，具有收集信號(hào)效率高、聲音識(shí)別速度快、聲音信號(hào)和頻率轉(zhuǎn)換率高等特點(diǎn)。但是小波頻段變更降噪法也存在很多不足的地方，例如選擇小波段較困難、聲音轉(zhuǎn)換函數(shù)單一、信號(hào)識(shí)別分辨率較低、傅里葉變換函數(shù)不適用等。雖然小波頻段變更降噪法在處理聲音頻率和信號(hào)收集方面仍然存在一定缺陷，但目前為止小波頻段變更降噪法在非平穩(wěn)非線性信號(hào)處理方面是最穩(wěn)定的方法。

在聲音降噪處理過(guò)程中，有效的方法很多，經(jīng)常采用信噪比、信噪比增長(zhǎng)率和信噪比方差3種方法作為信號(hào)降噪效果的評(píng)判指標(biāo)[8]。

① 信噪比(Signal to Noise Ratio，簡(jiǎn)稱SNR)

(1)

式(1)中，Ps為信號(hào)降噪前的實(shí)際功率，Pn為信號(hào)降噪后的實(shí)際功率。由此可以看出，當(dāng)信號(hào)降噪前的實(shí)際功率保持不變時(shí)，降噪后的實(shí)際功率越小信噪比越大，則信號(hào)降噪越顯著。

②信噪比增長(zhǎng)率(Growth of Signal to Noise Ratio，簡(jiǎn)稱GSNR)

(2)

式(2)中，SNRden為經(jīng)過(guò)降噪優(yōu)化后的降噪比，SNRn為未經(jīng)降噪優(yōu)化的降噪比。

③ 信噪比方差(Variance of Signal to Noise Ratio，簡(jiǎn)稱VSNR)

(3)

式(3)中，s(t)為降噪優(yōu)化的信號(hào)，s(t0)為未降噪優(yōu)化的信號(hào)，N為信號(hào)的頻數(shù)。

1.2 經(jīng)驗(yàn)分解降噪法

經(jīng)驗(yàn)分解降噪是一種自適應(yīng)信號(hào)的時(shí)頻處理手段，其分解過(guò)程首先采用3次樣條曲線擬合方法對(duì)原始信號(hào)的極值點(diǎn)進(jìn)行處理，得到信號(hào)的上下包絡(luò)，并且求得局部包絡(luò)的平均值m(t)，用原始信號(hào)減去局部包絡(luò)的平均值得到c(t)；其次，將c(t)作為新的信號(hào)，重復(fù)上一步驟，得到c1(t)，再用新的信號(hào)值減去c1(t)，得到m1(t)；緊接著將m1(t)作為新信號(hào)，重復(fù)上述步驟，當(dāng)cn(t)比設(shè)定誤差小或者cn(t)為單調(diào)函數(shù)或者該單調(diào)函數(shù)不滿足本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function-IMF)分解的條件的情況下，就可以停止篩選。在信號(hào)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，與傳統(tǒng)的信號(hào)濾波器相比，經(jīng)驗(yàn)分解降噪法具有很多類似的方面，所以在全部信號(hào)分解過(guò)程中，可以將分解的程序類比為對(duì)完整的信號(hào)進(jìn)行篩選的過(guò)程，并通過(guò)IMF進(jìn)行計(jì)算。采樣點(diǎn)數(shù)為1000的情況下，信號(hào)分解的IMF分量如圖1所示。

圖1 信號(hào)分解IMF分量圖

圖1是聲音信號(hào)帶寬為5dB未經(jīng)降噪優(yōu)化的測(cè)試信號(hào)，在經(jīng)驗(yàn)分解降噪后呈現(xiàn)出的IMF分量。從圖中可明顯看出，IMF前四個(gè)分量基本是噪音信號(hào)，隨著分解降噪逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定信號(hào)，同時(shí)在IMF分量變化過(guò)程中，可采集到聲音信號(hào)的對(duì)應(yīng)的區(qū)域數(shù)值。經(jīng)驗(yàn)分解降噪法最大的優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)聲音信號(hào)分解中不依靠信號(hào)的寬度，全部依靠由信號(hào)分解降噪后產(chǎn)生的IMF分量。與小波頻段變更降噪法相比，經(jīng)驗(yàn)分解降噪法克服了在信號(hào)處理過(guò)程中聲音信號(hào)源不穩(wěn)定的困難，因此經(jīng)驗(yàn)分解降噪法更適合解決非線性的聲音信號(hào)。

2 超聲無(wú)損檢測(cè)算法

2.1 理論模型建立

超聲無(wú)損檢測(cè)是由聲音的原始信號(hào)、降噪信號(hào)、結(jié)構(gòu)信號(hào)和殘留信號(hào)4部分組成，其中超聲信號(hào)是由以上4種類型在不同空間領(lǐng)域相互干涉，形成不同信號(hào)參數(shù)的線性混合，基于上述分析，研究采用高斯函數(shù)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行模型構(gòu)建。

s(t)=βe-α(t-λ)2cos[2πfc(t-π)+φ]

(4)

式(4)中，β為信號(hào)波幅，α為信號(hào)帶寬，λ為信號(hào)到達(dá)次數(shù)，fc為信號(hào)頻率，φ為信號(hào)波長(zhǎng)。信號(hào)帶寬α主要由超聲信號(hào)在時(shí)間和空間的傳播領(lǐng)域影響；信號(hào)波幅β與信號(hào)波長(zhǎng)φ均主要由材料本身的固有屬性決定；信號(hào)到達(dá)次數(shù)λ由原始信號(hào)發(fā)出位置決定，超聲波在金屬材料和試件中受時(shí)間和空間共同影響；信號(hào)頻率fc的大小和傳播路徑由超聲無(wú)噪信號(hào)決定，超聲無(wú)噪的信號(hào)采集如圖2所示。

圖2 超聲無(wú)噪信號(hào)傳播圖

2.2 超聲信號(hào)仿真

根據(jù)超聲無(wú)損檢測(cè)模型，將不同帶寬的噪聲加入到需要采集的噪聲，以Matlab軟件為處理工具，利用該軟件中的工具包以及編寫相應(yīng)的程序，對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，在超聲信號(hào)中加入帶寬為10dB的白噪音，運(yùn)用小波頻段變更降噪法和經(jīng)驗(yàn)分解降噪法對(duì)帶有噪音信號(hào)進(jìn)行線性處理，使其傳播路徑的波幅趨于穩(wěn)定，最后結(jié)合信噪比和信噪方差對(duì)處理后的噪聲信號(hào)開(kāi)展穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

當(dāng)加入白噪音的帶寬為10dB時(shí)，噪音的超聲信號(hào)運(yùn)用小波頻段變更、試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵种埔蜃?Test model inhibition factor -TMIF)和增加信號(hào)帶寬閾值對(duì)收集的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 SNRn=10dB超聲信號(hào)仿真波形圖

圖4 TMIF超聲信號(hào)仿真波形圖

由圖3和圖4可以看出，加入帶寬10dB白噪音的超聲信號(hào)，在經(jīng)過(guò)小波頻段變更、TMIF和增加信號(hào)帶寬閾值方法篩選后，增加信號(hào)帶寬閾值相對(duì)于其他技術(shù)，該方法產(chǎn)生的誤差最小，計(jì)算結(jié)果最優(yōu)，通過(guò)改進(jìn)信號(hào)降噪算法，提高了小波段信號(hào)的降噪比，增加了該閾值波段的降噪轉(zhuǎn)換率，使處理后的超聲信號(hào)更趨于穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)信號(hào)缺失現(xiàn)象，保證了超聲信號(hào)的完整性。

3 超聲無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用

3.1 超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

金屬材料在超聲無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)被檢測(cè)的金屬試件材料不同，選取不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，只有這樣才能對(duì)金屬材料進(jìn)行有效檢測(cè)。超聲波信號(hào)具有波長(zhǎng)大，能量保存持久和信號(hào)傳播穩(wěn)定等特點(diǎn)，且超聲波的豎直波長(zhǎng)是水平波長(zhǎng)的3倍，鑒于超聲波信號(hào)固有特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用縱波來(lái)對(duì)金屬材料和試件開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，縱波在金屬材料表面上能量衰減較慢，可有效且持續(xù)地進(jìn)行檢測(cè)。超聲信號(hào)的水平探頭接受的是縱波，傾斜探頭接受的是橫波，因此實(shí)驗(yàn)中選取水平探頭。

超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的組成框架結(jié)構(gòu)如圖5所示，被測(cè)工件主要以金屬材料為主，從圖中可以看出，超聲探頭從超聲信號(hào)發(fā)生器采集信號(hào)，并將超聲信號(hào)傳輸?shù)绞静ㄆ魍瓿蓴?shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)對(duì)接受的信號(hào)開(kāi)展信號(hào)缺陷深度分析。

圖5 超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)框架圖

3.2 超聲信號(hào)降噪計(jì)算

為驗(yàn)證超聲信號(hào)對(duì)金屬材料無(wú)損檢測(cè)的適用性，使用示波器將沒(méi)有處理的超聲信號(hào)進(jìn)行保存，對(duì)金屬材料存在缺陷深度為1英寸和3英寸的試件開(kāi)展檢測(cè)，實(shí)際的工程中，將20db寬的高斯白噪聲加入到需要采集的噪聲中并進(jìn)行降噪，結(jié)合MATLAB對(duì)金屬材料缺陷前后進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

金屬材料的超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要以材料缺陷產(chǎn)生的波形和波長(zhǎng)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判別被檢測(cè)的金屬材料是否存在缺陷，如果在實(shí)際信號(hào)無(wú)法得到降噪比的情況下，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行降噪處理，根據(jù)波形的波幅和波長(zhǎng)來(lái)確定是否達(dá)到了降噪效果。從圖6和圖7中可以看出，經(jīng)過(guò)降噪處理的超聲信號(hào)與未經(jīng)降噪處理的表現(xiàn)更穩(wěn)定，在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)的效果更顯著。

圖6 1英寸缺陷處的超聲信號(hào)處理前后對(duì)比

圖7 3英寸缺陷前后超聲信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)論

以金屬材料無(wú)損檢測(cè)為基礎(chǔ)，運(yùn)用超聲信號(hào)對(duì)金屬材料缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，結(jié)合小波頻段變更降噪法和經(jīng)驗(yàn)分解降噪法，根據(jù)被檢測(cè)的金屬試件材料不同，選取了不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，超聲波信號(hào)具有波長(zhǎng)大，能量保存持久和信號(hào)傳播穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)超聲信號(hào)發(fā)生器采集的信息進(jìn)行深度缺陷分析，采用小波頻段變更、TMIF和增加信號(hào)帶寬閾值對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行降噪處理，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)降噪處理的超聲信號(hào)比未經(jīng)降噪處理的表現(xiàn)更穩(wěn)定，在金屬材料無(wú)損檢測(cè)方面具有突出優(yōu)勢(shì)。