劉文芳，韓 軍，劉艷鋒，龍晉桓，林靖翔，陳尚群

(1. 中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051; 2. 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所泉州裝備制造研究所，福建 泉州 362000; 3. 泉州德源軸承實(shí)業(yè)有限公司，福建 泉州 362000)

0 引 言

金屬構(gòu)件的質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)械運(yùn)行的可靠性。受鍛造工藝影響，金屬構(gòu)件在加工過程中容易產(chǎn)生孔隙、裂紋、夾雜等缺陷，嚴(yán)重影響其安全性能，出廠前必須進(jìn)行100%的缺陷檢測[1-2]。超聲無損檢測具有穿透力強(qiáng)、靈敏度高、使用簡單等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測領(lǐng)域[3-4]。

在常規(guī)超聲脈沖回波檢測中，由于表面回波的存在，往往會(huì)在回波附近造成一定的“死區(qū)”，影響對(duì)近表面缺陷實(shí)際位置的判別[5]。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者常采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來分離缺陷回波和表面回波，如頻譜分析[6]、希爾伯特變換[7]、時(shí)域相位分析方法等。其中，Guan等[8]提出一種將提取超聲頻域信號(hào)特征與GA-SVM相結(jié)合的方法來識(shí)別近表面缺陷信息。Li等[9]提出了一種將自適應(yīng)形態(tài)濾波與稀疏最小熵反褶積(M-S-MED)相結(jié)合的方法，通過去除超聲微信號(hào)的背景噪聲，定量檢測近表面微缺陷。Huang等[10]采用折射橫波的方法檢測了304不銹鋼試樣中的近表面缺陷，通過橫波檢測可有效解決表面回波的掩蓋問題，但是這種方法對(duì)于平行于表面的缺陷敏感性較低。這些方法可以定性地檢測出工件內(nèi)部是否含有近表面缺陷，但是無法定量地計(jì)算缺陷的實(shí)際位置深度。

在超聲回波檢測中，通常根據(jù)缺陷回波出現(xiàn)的時(shí)間來計(jì)算缺陷的實(shí)際位置深度。然而，在檢測近表面缺陷時(shí)，當(dāng)缺陷一次回波被表面回波所掩蓋，二次回波會(huì)被誤認(rèn)為一次回波，造成對(duì)缺陷實(shí)際位置的錯(cuò)誤判斷。由于缺陷二次回波比一次回波傳播的距離更長，且經(jīng)過了二次反射，導(dǎo)致二次回波在特征上區(qū)別于一次回波，例如相位、幅值等。如何有效地識(shí)別缺陷一次回波和二次回波，是準(zhǔn)確計(jì)算缺陷實(shí)際位置的關(guān)鍵。機(jī)器學(xué)習(xí)具有檢測效率高、容錯(cuò)性高、可自動(dòng)提取信號(hào)特征等優(yōu)勢，為超聲缺陷回波信號(hào)的識(shí)別提供了新思路[11-12]。本文提出將數(shù)字信號(hào)處理與支持向量機(jī)分類法相結(jié)合，采用垂直入射脈沖回波法采集缺陷的超聲信號(hào)，使用支持向量機(jī)對(duì)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行分類和預(yù)測，并通過對(duì)缺陷一次回波和缺陷二次回波的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)近表面缺陷實(shí)際位置的準(zhǔn)確計(jì)算。

1 超聲A波檢測

超聲檢測具有多種檢測方式，其中脈沖回波法的檢測原理如圖1所示。超聲探頭發(fā)射聲波經(jīng)過中間耦合介質(zhì)入射到樣品表面，此時(shí)超聲信號(hào)的部分能量被反射回來，形成圖2(a)中的表面波BW，另一部分能量進(jìn)入樣品內(nèi)部，到達(dá)底面并反射形成底面波DW，若樣品內(nèi)部有缺陷，則聲波遇到缺陷會(huì)被反射形成缺陷波AW1。在一些近表面缺陷中，由于缺陷回波路程短，衰減小，在表面波與底面波之間不僅會(huì)出現(xiàn)缺陷一次回波AW1，也會(huì)經(jīng)過表面二次反射形成缺陷二次回波AW2，如圖2(b)所示。

圖1 脈沖回波法示意圖

圖2 超聲A波示意圖

在超聲A波信號(hào)中，缺陷二次回波距表面回波的距離通常為缺陷一次回波距表面回波距離的二倍，這樣的距離優(yōu)勢使缺陷二次回波受表面回波的影響較小。因此，可以根據(jù)缺陷二次回波信號(hào)出現(xiàn)的位置信息以及聲波在材料內(nèi)部的傳輸路徑，由下式可計(jì)算出缺陷在材料內(nèi)部的深度信息：

式中：tF1——缺陷一次回波出現(xiàn)的時(shí)間；

tF2——缺陷二次回波出現(xiàn)的時(shí)間；

tw— —表面回波出現(xiàn)的時(shí)間；

zF——缺陷在材料內(nèi)部的深度；

cL——材料的縱波聲速。

2 支持向量機(jī)分類算法

支持向量機(jī)是一種針對(duì)有限樣本問題提出的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，具有良好的經(jīng)驗(yàn)性能和對(duì)高維小樣本的泛化能力，越來越多地被用于分類問題[13-14]。SVM公式使用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則[15]，在樣本空間中找到一個(gè)超平面將樣本分類，保證該超平面對(duì)訓(xùn)練樣本局部擾動(dòng)的“容忍”最好，如圖3中紅線所示。

圖3 支持向量機(jī)與間隔

3 超聲缺陷仿真信號(hào)的SVM識(shí)別

圖4 超聲仿真信號(hào)

在仿真信號(hào)中共設(shè)計(jì)6個(gè)深度的近表面缺陷回波信號(hào)，缺陷二次回波距表面波的距離為缺陷一次回波距表面波距離的二倍，不同深度缺陷的位置信息如表1所示。其中表面回波、缺陷一次回波、缺陷二次回波的增益依次為 10 dB、6 dB、1 dB，每個(gè)深度仿真100條數(shù)據(jù)。將一次缺陷回波二次缺陷回波分別提取出放入支持向量機(jī)中進(jìn)行分類訓(xùn)練識(shí)別，其中訓(xùn)練集占70%，測試集30%。如表2 所示，支持向量機(jī)能有效對(duì)仿真超聲缺陷一次和二次回波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分類。

表1 超聲缺陷仿真信號(hào)

表2 仿真缺陷回波信號(hào)的識(shí)別率

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置及樣品信息

采用水浸式超聲脈沖回波法對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行信號(hào)采集，采集裝置如圖5所示。選擇中心頻率為15 MHz、焦距為 39.2 mm、聲束焦斑直徑為 0.308 mm的水浸式聚焦探頭Olympus-V309-Su與超聲相控陣儀器（Multi2000系統(tǒng)）連接，采樣頻率為100 MHz。數(shù)據(jù)采集、顯示和保存采用Multi2000軟件。將軸承內(nèi)圈固定在可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置缺陷信號(hào)的采集。聲垂直入射，采樣時(shí)間間隔為0.1 s。

圖5 超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)裝置圖

采用440C不銹鋼軸承內(nèi)圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，軸承內(nèi)圈的外表面直徑45 mm，內(nèi)表面直徑為30 mm，聲速為5900 m/s。在軸承內(nèi)圈上加工七個(gè)不同孔徑和深度的平底孔，用于模擬軸承內(nèi)圈在不同深度下的缺陷。為保證能充分獲得缺陷二次回波，平底孔缺陷的直徑均在0.3 mm及以上，軸承內(nèi)圈實(shí)物如圖6所示。內(nèi)部缺陷分布及尺寸如表3所示，其中近表面缺陷1和3的缺陷一次回波信號(hào)位于表面回波的“死區(qū)”內(nèi)。

圖6 440C不銹鋼軸承內(nèi)圈實(shí)物圖

表3 軸承內(nèi)圈內(nèi)部缺陷信息

4.2 A掃數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

首先在軸承內(nèi)圈無缺陷區(qū)域采集超聲A波信號(hào)，從表面波出現(xiàn)到震蕩結(jié)束共0.59 μs，近表面缺陷檢測死區(qū)區(qū)間為0 ～1.44 mm，如圖7所示。對(duì)7個(gè)平底孔缺陷依次進(jìn)行超聲信號(hào)采集，每個(gè)平底孔缺陷采集300條A波數(shù)據(jù)。利用傳統(tǒng)閾值法對(duì)采集回來的超聲信號(hào)進(jìn)行缺陷信號(hào)的確定，并分割出缺陷一次回波和二次回波信號(hào)，圖8為缺陷回波示意圖。為了減少缺陷信號(hào)幅值等因素的影響，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行高斯歸一化處理，將數(shù)據(jù)點(diǎn)集中在平均值處，并將其標(biāo)度為單位標(biāo)準(zhǔn)差，如下式所示：

圖7 時(shí)域下的無缺陷回波信號(hào)

圖8 時(shí)域下的缺陷回波信號(hào)

式中：x——超聲采集原始數(shù)據(jù)；

z——?dú)w一化后數(shù)據(jù)；

u和 σ——原始數(shù)據(jù)的均值和方差。

根據(jù)軸承內(nèi)圈7個(gè)加工缺陷的實(shí)際位置深度，確定缺陷一次回波和二次回波的標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)中，一條缺陷A波信號(hào)作為一個(gè)樣本數(shù)據(jù)，缺陷一次回波信號(hào)作為正樣本，標(biāo)簽為1；缺陷二次回波信號(hào)作為負(fù)樣本，標(biāo)簽為–1。在訓(xùn)練和測試過程中，選取4個(gè)缺陷的信號(hào)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，將剩余3個(gè)缺陷的信號(hào)數(shù)據(jù)作為測試集。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用交叉驗(yàn)證的方式進(jìn)行，對(duì)7個(gè)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行了5組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取4個(gè)缺陷的回波信號(hào)作為訓(xùn)練集，剩余3個(gè)缺陷回波數(shù)據(jù)作為測試集，五組實(shí)驗(yàn)選取的訓(xùn)練集和測試集分布如表4所示，其中√代表每次實(shí)驗(yàn)選取作為訓(xùn)練集的缺陷數(shù)據(jù)，○代表選取作為測試集的缺陷數(shù)據(jù)。最后計(jì)算每次實(shí)驗(yàn)的測試準(zhǔn)確率（Accuracy），如式（11）所示，其中，TP（真實(shí)為 1，預(yù)測為 1）和TN（真實(shí)為–1，預(yù)測為–1）指的是預(yù)測標(biāo)簽和真實(shí)標(biāo)簽一致的信號(hào)數(shù)量。FP（真實(shí)為–1，預(yù)測為1）和FN（真實(shí)為1，預(yù)測為–1）指的是預(yù)測標(biāo)簽和真實(shí)標(biāo)簽不一致的信號(hào)數(shù)量。從表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出，支持向量機(jī)對(duì)一次缺陷回波和二次缺陷回波分類的平均準(zhǔn)確率可達(dá)到95.22%。

表4 交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，支持向量機(jī)可有效地對(duì)缺陷回波進(jìn)行分類和識(shí)別。當(dāng)缺陷一次回波位于表面回波的“死區(qū)”中時(shí)，通過識(shí)別缺陷二次回波，由式（1）～（2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷實(shí)際位置的計(jì)算。當(dāng)在A波信號(hào)中同時(shí)識(shí)別出一次回波和二次回波的缺陷，可根據(jù)一次、二次回波預(yù)測的缺陷位置求平均值，降低缺陷位置計(jì)算誤差，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，缺陷距離表面越近，對(duì)其位置的預(yù)測越準(zhǔn)確。對(duì)于近表面缺陷1和3，即使在一次回波被表面回波所隱藏的情況下，二次回波的預(yù)測誤差絕對(duì)值仍小于0.1 mm。對(duì)于位于試塊中間位置的缺陷2、4、5、6，由于二次回波的傳播路徑較長且采用了15 MHz高頻探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致二次回波的衰減較大，通過對(duì)一次、二次回波預(yù)測位置的平均可有效的減小誤差，預(yù)測誤差絕對(duì)值在0.2 mm以內(nèi)。對(duì)于位于試塊底部的缺陷7，缺陷回波信號(hào)受到了底面波信號(hào)的干擾，造成的誤差相對(duì)較大，預(yù)測誤差絕對(duì)值在0.5 mm左右。

表5 缺陷位置預(yù)測

5 結(jié)束語

針對(duì)近表面缺陷檢測受表面回波干擾問題，提出一種近表面缺陷位置判定的新方法。首先通過仿真超聲缺陷信號(hào)驗(yàn)證了支持向量機(jī)分類法對(duì)近表面缺陷一次回波和缺陷二次回波的識(shí)別能力。然后通過浸沒式垂直入射脈沖回波法獲取軸承內(nèi)圈缺陷的超聲回波信號(hào)，使用支持向量機(jī)對(duì)缺陷回波信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)近表面缺陷的檢測和位置計(jì)算。最后，通過交叉驗(yàn)證法驗(yàn)證了支持向量機(jī)對(duì)超聲一次信號(hào)和二次信號(hào)識(shí)別的有效性，同時(shí)對(duì)預(yù)測缺陷位置與真實(shí)缺陷位置做對(duì)比，計(jì)算了預(yù)測誤差絕對(duì)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用支持向量機(jī)對(duì)一次缺陷回波和二次缺陷回波的分類準(zhǔn)確率可達(dá)到95.22%，近表面缺陷位置的預(yù)測誤差絕對(duì)值小于0.2 mm，為近表面缺陷實(shí)際位置的定量計(jì)算提供了新思路。