（测试计量技术及仪器专业论文）多层结构复合材料的超声检测技术研究.pdf

摘要 摘要 复合材料由于其众多优点在各个工业部门得到了广泛应用，但是其工艺过 程对性能有很大影响，需进行无损检测保障其质量。超声技术是一门正在兴起 的并广泛应用于各行各业的技术，其受干扰影响小，探测能力强。本文在研究 分析了超声波检测的物理原理和复合材料特点基础上，提出适用于检测多层结 构复合材料的超声检测系统设计方案，该方案采用大功率场效应管作为开关器 件的方波脉冲来激励超声探头，并利用计算机对检测系统得到的回波信号进行 处理。 本文围绕超声检测系统研究了该系统的总体技术，设计了发射接收电路， 对超声波在多层复合材料中的传播进行理论建模，并针对检测系统接收到的超 声回波信号采用小波多分辨分析的手段对其去除噪声，提高信号的可检测度以 提高该系统的探测范围。 关键词：复合材料；超声检测；小波分析：信号去噪 a b s t r a e t a b s t r a c t b e c a u s eo fp l e n t yo fa d v a n t a g e sc o m p o s i t em a t e r i a li sa p p l i e dw i l d l yi nv a r i o u s i n d u s t r i a ld e p a r t m e n t s n o n - d e s t r o yt e s t i n gt e c h n o l o g yi sn e e d e dt o g u a r a n t e et h e p r o d u c t i o nq u a l i t yb e c a u s et h ep e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t em a t e r i a li ss e r i o u s l y a f f e c t e db yt h ef a t a lf e a t u r ea r i s i n gd u r i n gt h ep r o d u c i n gp r o c e s s r e c e n t l y , u l t r a s o n i c i n s p e c t i o nh a sb e c o m eah o tf i e l db e c a u s eo f i t sv i r t u e s b a s e do nt h ea n a l y s i so f b o t h t h ep r i n c i p l e so f u l t r a s o n i ci n s p e c t i o na n dt h ep h y s i c a lf e a t u r e so f c o m p o s i t em a t e r i a l ， t h i sp a p e rp r e s e n t sas c h e m eo ft h e u l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mf o rm u l t i l a y e r c o m p o s i t em a t e r i a l i nt h es c h e m e ，t h eu l t r a s o n i ce m i s s i o nc i r c u i ti sr e a l i z e db y s q u a r ei m p u l s em e t h o du s i n gh i g h - p o w e rm o s f e ta s s w i t c he l e m e n t t h e e c h o - w a v es i g n a ld e r i v e df r o mt h es y s t e mi sp r o c e s s e di nt h ec o m p u t e rb a s e do nt h e t h e o r ym o d e l t h i s p a p e rp r e s e n t s u l t r a s o n i c p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r s ，u l 廿a s o n l c s e n s o r ， d e t e c t i v em e t h o da n dr e l a t i v ec i r c u i t s i no r d e rt oa n a l y z et h eu l t r a s o n i ce c h o w a v e f o r ma n de x t r a c tt h em a i nf e a t u r eo ft h ee c h ow a v e f o r m ，t h ew a v e l e t m n l t i r e s o l u t i o nt r a n s f o r mm e t h o di su s e di nt h es i g n a ld e - n o i s i n g b yi m p r o v i n g s i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r ) w i t ha c c e p t a b l er e s o l u t i o nr a t i o ，t h ed e t e c t i v er a n g eo f t h e i n s p e c t i o ns y s t e mi se n l a r g e de f f e c t i v e l y k e yw o r d ：c o m p o s i t em a t e r i a l ；u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ；w a v e l e ta n a l y s i s ；s i g n a l d e - n o i s i n g i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：疡嗜茅 a 一6 年；月1 1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：、学位论文作者签名： 月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：渤暖芳 0 # 年亏月“日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1超声检测技术概况及发展趋势【1 删3 】 超声检测技术是常规检测技术之一，一般是指使超声波与试件相互作用，就 反射、透射和散射的波进行研究，对试件进行宏观缺陷检测、几何特征测量、 组织结构和力学性能变化的监测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技 术。它是国内外应用最广泛、使用频率最高且发展最快的一种工业无损检测方 法。它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不 连续性的有效通用方法。与其他无损检测技术相比，它具有被测对象范围广， 检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对 人体无害以及便于现场使用等特点。超声波适用于各种尺寸的锻件、轧制件、 焊缝和某些铸件的检测。 2 0 世纪7 0 年代以来，超声检测的数字化、自动化、智能化和图像化成为超 声无损检测技术研究的热点，标志着超声无损检测的现代化进程。近年来，随 着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代无损检测技 术已经进入到以计算机控制为主的信息加工时代。国外工业发达国家的无损检 测技术已逐步从无损探伤和无损检测向无损评价过渡。无损评价是超声检测发 展的最高境界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对 材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。超声无损检测同时也向着自动 无损评价和定量无损评价发展，逐步减少人为因素，用计算机进行检测和分析 数据，以提高检测可靠性。计算机的介入，一方面提高了设备的抗干扰能力， 另一方面利用计算机的运算功能，实现了对缺陷信号的定量分析。计算机与超 声检测的结合导致了数字化、智能化超声仪问世，标志着超声检测仪器进入了 一个新时代。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，生产类似产品 的公司代表有美国的泛美( p a n a m e t r i c s ) 公司、m e t e c 公司，加拿大的r d t e c h 公司，德国的k - k 公司、法国的s o f r a t e s t 公司和西班牙的t e c n a t o m 公司等等， 上述这些公司生产的超声波检测系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。 由于超声波的优点，使得复合材料的超声波检测得到了较快的发展。复合材 料的超声检测，在早期主要采用穿透法，在精度要求不高的情况下，能用于板材 第1 章绪论 的粗检，后来逐渐被脉冲回波所取代。其检测灵敏度和分辨率大大提高，加上脉 冲回波法能获得较多信息，为复合材料缺陷的定性分析和深度分析提供方便， 因而得到广泛应用。脉冲回波法用于复合材料检测时，即为超声c 扫描法。它 的缺点是只能在给定的深度范围内产生不连续的二维平面视图。 未来的复合材料无损检测将更加追求快速高效，因此，基于干涉原理和温度 场分布原理的激光全息干涉检测技术和热红外成像检测技术，因其具有非接 触、可大面积扫描、快速等特点，将成为复合材料结构无损检测的良好技术。但 目前还必须突破一些技术难题，赋予这些检测技术新的工程应用内涵，才能使其 广泛用于复合材料结构的无损检测。 1 2 超声检测基本概念【4 】【5 】 超声波是超声频率的机械振动在弹性介质中的一种传播过程，服从机械波的 一般规律，其传播须具备两个条件，即作机械振动的振源( 声源) 和能够传递机 械振动的介质( 弹性介质) 。振动频率高于2 0 k h z 的称为超声频率。 凡是能将其它形式能量转换成超声振动方式的能量都可以发生超声波。如机 械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法。在超声探伤中应用最广的是利用某 些压电材料( 如石英、铅钻酸铅等) 的压电效应，来实现超声波的发生和接收。 当晶片上受到交变应力( 即机械振动) 时，它将同步产生交变电场( 称正压电效 应) ，相反在交变电场作用下，它又会产生与电场同步伸缩的机械振动( 称逆压 电效应) 。现在所用的超声检测仪器的探头晶片就是通过逆压电产生超声波，而 正压电效应形成交变电场，转换成电信号，输入超声检测仪器。 由声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常 有下列几种： 1 纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和 气体中传输。 2 横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播。 3 表面波。质点的振动介于纵波与横波之间沿表面传播。振幅随深度增加 而迅速衰减的波，只适用于对工件表面两个波长深度范围内缺陷的检测。 4 板波。在无限大板状介质( 具有上下两个平行自由界面) 中传播的一种声 波称为板波，它仅在频率、入射角及板厚为特定值时才产生。 2 第1 章绪论 由以上分类可以看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的 超声检测系统大多依靠纵波实现。实际测量用的超声波主要集中在频率为2 x 1 0 4 2 x 1 0 6 h z 的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统， 中频段和高频段主要用于固体介质的测量。这主要是由于介质对声波能量的吸 收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体 介质中，介质对超声的吸收较少，而且测量的量程比较短( 例如超声波探伤， 测工件厚度等) ；在液体和气体中，介质对超声的吸收较多，且测量的量程比较 长( 例如空气中的超声波探测，海洋中测深度等) ，因此，气体和液体中测量所 选择的声波频率就要比固体介质中低。 被超声所充满的空间称为超声场。从物理学观点来看，超声场是没有边界的， 一个声源所产生的超声波在无穷大的弹性介质中将传播到无穷远处，但超声波 探伤所要探测的对象都有尺寸和形状的限制。在研究超声场时，必须考虑介质 界面的影响。我们主要研究离辐射声源一定距离或范围内的超声场，并用声压、 声阻抗和声强等几个物理量加以描述。 1 、 声压( 西 超声场中某一点在某一时刻具有的压力p 与无超声存在时的静压力p 。之差称 为声压p 。介质中每一点的声压是一个随时间、距离而变化的量，声压的绝对值 与声速和频率成正比。所以置于同一超声场的介质中以固体介质的声压最高， 液体其次，气体中声压最小。声压因材料密度和声速的差异也有所不同。 2 、 声阻抗( 功 介质中任何一点的声压和该质点的振速之比，称为声阻抗。对平面波而言声 压与振动速度同相位，声阻抗为一恒定值，通常用介质的密度( p ) 和速度( c ) 的 乘积表示，即z = p c 。声阻抗是一个重要声场特性，表示在超声场内，介质质 点振动难易程度。在同一声压p 的情况下，z 越大，该点的振动速度越小，反之， 质点振动速度越大。 3 、声强( 超声波的声强是指在垂直于行进波的传播方向上介质单位面积上单位时间 内所传送的能量，即声波的能流密度。同一介质中，声强与声压平方成正比， 所以超声波探伤时示波屏上显示的反射体回波高度只与其反射声压成正比，而 与声强之间不成线性关系。 超声场的形貌随波源和传播介质形状、尺寸等不同而各异。一般以圆形晶片 第1 章绪论 辐射声波来描述超声场的结构，如图1 1 。 图1 1 探头声场 当晶片在高频电场作用下产生振动，经耦合向工件辐射时，该波源可看作由 无数的子波组成，每个子波在空间发出球面波，相互叠加形成超声场的特殊结 构。图1 1 中所示，声源正前方声能集中的锥形区称为主声束，其小声轴上的 声能最大，紧靠声源附近，主声柬周围的区域称为副声柬，副声束轴线倾斜于 晶片表面，截面小，且声压变化无规律。 超声能量集中在一个方向发射的特性称为指向性。指向角是超声场声束轴线 与主声束边缘线之间的夹角，是描述超声场指向特性的标准，它取决于晶片的 直径和波长。晶片尺寸越大，频率越高，则指向性越好。当频率一定时，晶片 尺寸大，指向角小，近场长度长。反之，晶片尺寸小，近场长度短，指向角大。 在实际检测中，应根据被测工件具体情况合理选择频率和晶片尺寸。 1 3 超声检测特点与方法嘲州嘲 1 3 1 特点 超声波是机械振动，所以超声检测特别适合用于材料弹性异常的检查和物理 性能的测量。下面分别列出超声波检测的优点与局限。其优点表现在： 1 、 作用于材料的超声波强度足够的低，最大作用应力远低于弹性极限； 2 、可用于金属、非金属、复合材料制件的无损评价； 3 、对确定内部缺陷的大小、位置、取向、埋度、性质等参量较之其它无损 方法有综合优势； 4 、仅需从一侧接近试件； 5 、 设备轻便对人体及环境无害，可做现场检测； 6 、 所有参数设置及有关波形均可存储供以后调用 其局限性表现在： 4 第1 章绪论 1 、 对材料及制件缺陷做精确的定性、定量的表征仍须做深入研究； 2 、为使超声波能以常用的压电换能器为声源进入试件一般需要用耦合剂； 3 、 对试件形状的复杂性有一定的限制。 1 3 2 常用方法 超声检测可探测厚度较大的材料，且具有检测速度快。费用低并能对缺陷进 行定位和定量，对人体无害以及对危害性较大的面积性缺陷的检测灵敏度较高 等优点。在超声检测中，由于使用的波形、发射和接收的方法、信号的显示方 式、探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现检测的手段等都不相 同，所以从不同的方面出发，就可以按不同的归纳方式进行分类。此文中，超 声检测涉及的主要内容是缺陷检测和厚度检测两个方面，下面给出在超声的缺 陷检测中常用的几个方法，可根据不同缺陷选择合适检测方法。 一、脉冲反射法 脉冲反射法是目前运行较为广泛的一种超声检测法。它使用的不是连续波， 而是有一定持续时间按一定频率间隔发射的超声脉冲。当超声波脉冲在材料内 传播时，遇到有声阻抗差异的界面时，就会产生反射。 羔娶一 翊、 l i - 定 a ) 无缺陷 小缺陷 c ) 大缺陷 图1 2 一次脉冲反射法 卜探头2 一缺陷3 一工件4 一回波 所谓的脉冲反射法，即是利用发射电路发射高频电脉冲，加到发射接收器探 头，由探头把电信号转化为声脉冲并入射到被测材料内部。声波在缺陷和底表 面发生反射，反射的回波被探头接收并转换为电信号，经过放大和信号调理后 对波形进行分析，根据超声回波信号的幅度和其到达换能器的时间来判断被测 件缺陷，以实现对缺陷的定位和识别。 5 第1 章绪论 图1 2 是一次脉冲反射法的缺陷显示方式。若无伤损，超声波束被工件底面 反射回探头，得到底波；若遇到一个较小的伤损，则部分超声波束被伤损反射 回探头，其余被底面反射，因此伤损回波和底波同时存在；若遇到较大的伤损， 则超声波束完全被伤损反射回探头，此时只能得到伤损回波。此方法使用一个 换能器来实现超声的发射和回波的接收。 归橱圃 图1 3 多次脉冲反射法 卜探头2 一缺陷3 一工件 图1 3 是多次脉冲反射法的缺陷显示方式。若无伤损，超声波束经工件底面 反射回探头时，一部分能量为探头所吸收，得到一次底波，另一部分能量又折 回底面再反射回来，其中的一部分能量又为探头所吸收产生二次底波，剩余的 能量再被折回。如此往复直至声能耗尽为止，这将得到高度逐次递减的多 次底波，如图中的a ；若缺陷较小，在每次反射中缺陷波与底波同时存在，如图 中的b ；若缺陷大到覆盖整个声束界面时，声波只在表面与缺陷之间往复反射， 得到的回波没有底波，只有缺陷的多次反射波，如图中的b 。 脉冲反射法的主要优点是使用范围广，灵敏度高，缺陷定位准确，操作方便。 它可对小的不连续性可产生很高的灵敏度，并且可精确测定在入射面下方的不 连续性深度。在大多数情况下，脉冲反射法也可以测定被测检内部不连续性的 大小和取向。本文中所讨论的超声检测都是采用的脉冲反射法进行，对得到的 底面回波进行进一步的分析得到一些有关被测物的信息的。 二、穿透法 穿透法是这是最早采用的超声波检测方法，指一个超声探头发射超声波束透 过整个被测件被另一探头接收。根据超声波穿透工件后的能量变化情况来判断 工件内部质量。工件内无缺陷时，超声波穿透工件后衰减较小，接收探头接收 6 第l 章绪论 到的超声波能量较强。如果在超声波传播的路径中存在缺陷，声波的一部分或 者完全被缺陷遮挡不能达到探头。可根据接收探头接收到的超声波能量的大小 来判断缺陷的大小。 图 流表来 较小缺 电流表 l i 一 亡=二 l 浊 =二 山 it 亡= j t 1 o ) i b ) ”m oj * - 图1 5 脉冲波穿透法 卜脉冲波2 一发射探头3 一工件4 一缺陷5 一接收探头6 一放大器7 一回波 图1 5 为脉冲波穿透法的工作原理及其显示方式。当工件中无缺陷时，显示 一个起始脉冲讯号和一个具有一定幅度的接收脉冲讯号，它们之间的距离表示 工件的厚度，如图a ；有较小缺陷时，接收脉冲讯号幅度减小，如图b ；如果缺 陷面积大于接受探头时，则无接收脉冲讯号，如图c 。穿透法的优点是不存在探 测盲区，超声波传播中衰减小，判定缺陷方法简单，适用于连续自动化检测。 其缺点是灵敏度低，分辨力差，不能确定缺陷的位置，一般需要专用探头夹持 7 第1 章绪论 装置。 三、共振法 共振法是指用频率在一定范围内连续变化的高频振荡电信号激励压电晶片 时，晶片向试件内所发射的声波的频率也是连续变化的。若试件厚度( d ) 为声 波半波长的整数倍( 旯2 ) 时，由于入射波与反射波的相互叠加而在试件中产生 驻波，试件产生共振。 用共振法测厚的关系式为： d ：疗兰：堕( 1 1 ) 2 2 f 式中，一为某一帧数值，当一等于1 时 2 称为基波频率。两个相邻共振 频率之差可给出为： z 。= 西t c i 一警= 研却- 1 ) z = 彳= 寺 ( 1 2 ) 可见只要知道试件的纵波声速，测出两相邻的共振频率即可得知试件厚度。 1 4 本课题的背景、研究内容及意义【9 】【1 0 i 近年来，随着现代科学技术的进步，特别是汽车工业、航空航天工业的飞 速发展，新材料的研究、发展与应用一直是当代高新技术的重要内容之一。由 于复合材料具有高强度、高模量重量比、耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及吸噪性 好、抗氧化、抗蠕变等性能，所以在新材料技术领域占有重要的地位。它在汽 车底盘、保险杠、飞机扰流板、整流罩、方向舵、水平安定面以及航天飞行器 翼板等部件得到广泛的应用。复合材料的先进性与其质量的离散性和高成本并 存。多层结构复合材料是用数层基体不同( 包括金属基、树脂基、陶瓷基) 或 结构不同的纤维及固体层粘结热压而成，其性能和品质与基体厚度、各纤维及 固体层厚度有着密切的关系。在复合材料结构件的制造过程中还有可能产生各 种缺陷，如脱层、脱粘、固体层裂纹、夹渣、纤维束交迭、过量气孔或孔洞等， 引起质量问题，甚至导致整个结构件报废，造成重大经济损失。因此，采用可靠 检测方法对复合材料进行检测是保证质量和性能的重要环节。自2 0 世纪7 0 年 代起，i 鄯 i - 针对复合材料开展了全方位的无损检测技术研究。 由于复合材料结构制造质量的离散性，必须通过无损检测鉴别其内部质量 状况。但由于复合材料的多样性和特殊性，用评价金属材料无损检测方法来评 8 第1 章绪论 价复合材料的完整性，在许多场合有待于进一步探讨和研究。目前对复合材料 的检测以超声检测方法较有效和方便，发展也较快。因为超声波穿透力强，传 播能量大，方向性好，灵敏度高，在介质内传播遇到缺陷时会产生界面反射或 声速和能量的衰减变化，它还提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、 检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法，从而达到有效的检测缺陷的目的。 此外，超声检测还具有对人体无害，使用方便和投资低廉等优点。这就决定了 超声检测在复合材料质量监控中的地位及必然的新发展。 本课题通过对超声波在多层结构复合材料的传播特性进行研究，在分析比较 目前国内外超声波测厚方法的基础上设计开发适合于测量多层复合材料厚度要 求的超声探测系统，并针对接收的超声信号采用小波多分辨分析的手段对其去 除噪声，提高信号的可检测度以提高该系统的探测范围。超声检测技术是“测 试计量技术与仪器”学科的一个重要的研究方向，它对于扩展学科研究领域， 拓展学科研究方向有着重要的理论意义。开展此项目的研究对于多层复合材料 厚度的检测和质量控制，保障汽车、航空航天飞行器的安全具有重要的实际意 义和广泛的应用前景。 本课题源于北京市教育委员会科技发展项目一“多层结构复合材料的超声波 检测技术研究”。课题研究期间完成的研究内容包括以下几个方面： 1 、多层固体材料厚度测量的理论建模( 第二章) ； 2 、超声检测系统的总体方案设计( 第三章) ； 3 、超声检测系统接收和发射电路设计( 第三章) ； 4 、复合材料超声检测的实验研究( 第四章) ； 5 、超声回波信号的小波分析与去噪处理( 第五章) 。 9 第2 章超声波在多层复合材料中的传播建模 第2 章超声波在多层复合材料中的传播建模 在超声波传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。与超声的波长相比， 如果超声场很大，这时超声就像处在一种无限的介质中，声波自由的向外扩散。 反之，如果超声的波长与相邻的尺寸相近，则超声受到界面限制不能自由的向 外扩散。因此，在研究超声波传播建模时，不仅要基于超声波传播波动方程， 还必须考虑介质界面的影响。 2 1 超声波的波动方程1 1 】 根据牛顿第二定律( 运动方程) 表示声压p 与质点速度u 之间关系： p i d u = g r a a p - g r a v i p ( 2 1 ) p i 2 【) 质量守恒定律( 连续性方程) 表示质点速度“与密度变化量p 之间关系： 一a i o u ) ：掣 ( 2 2 ) 热力学定律( 物态方程) 表示声压p 与密度变化量p 之间关系： p = c 0 2 p ( 2 3 ) 由上面三个公式，在小振幅情况下，进行线性化近似，可导出以声压p 表示 的三维波动方程，即流体中波的波动方程： v2 p = 专睾 。， 其中，v 2 称为拉普拉斯算符。它的数学关系如下： d i v ( g r a d p ) = v ( v p ) = v 2 p ( 2 5 ) 固体与流体不同，除了具有体积弹性外，还具有剪切弹性。考虑在无限固体 弹性媒质中质点的振动，用质点振动位移矢量善来表示波动方程。 当 为无旋矢量，可得压缩波的传播方程。c ，为压缩波的传播速度。 v 2 # = 专擎 ( 2 s ， 当毒为螺旋矢量，可得切变波的传播方程。c ，为切变波的传播速度。 v 簪专警 ， 在一般情况下，固体中波动方程应是压缩波和切变波的叠加。在超声检测应 1 0 第2 章超声波在多层复合材料中的传播建模 用中，通常把压缩波成为p 波，而把切变波称为s 波。当这两种波在固体中传 播遇到界面时，它们的反射、透射和折射将有显著不同。 2 2超声波在两种不同媒质界面的反射、折射与透射【7 1 【1 2 1 2 2 1 两种非固媒质 当平面声波以一定角度入射这种界面时，只有纵波能够传播，如图2 1 所示。 瞥入 矿7 p t 八臼， 一。j 多i i p 1 图2 1 声波在两种非固体媒质平界面上的传播 媒质i 的声特性阻抗为置= p l c l ，法向声阻抗率z 1 = r 1 c o s 0 , 。媒质i i 的声 特性阻抗为r = 见c 2 ，法向声阻抗率z 2 = 恐e o s o , 。p j 为入射波，b 为反射波， p l 为折射波。根据平面简谐波表达式并注意任意方向波的直角坐标分解，可得： p = e x p j ( c o t 一毛x c o s o , 一墨y s i n o , ) 】 ( 2 8 ) b = p 。e x p j ( c o t + l q x e o s e , 一k a y s i n 8 , ) 】 ( 2 9 ) p ，= e x p j ( c o t k 2 x c o s o , 一k 2 y s i n o , ) 】 ( 2 1 0 ) 又由界面( x = 0 ) 处的边界条件( 界面两侧的声压和质点振速的法向分量 连续) ，可导出入射角曰、反射角e 和折射角只满足下述关系： 只= 只 ( 2 1 1 ) ! ! ! 堡：三l ( 2 1 2 ) s i n 口，c 2 这表明声波在平界面处的反射和折射同样遵从光学中的s n e l l 定律。通过推 倒，还可解出边界处反映声波能量分配的下述关系： 声压反射系数 r ：墨1 ：益：墨2 塑堡二墨唑堡 ( 2 1 3 ) p p ? ”。p l tr 2 c o s 0 j 七r 1c o s 8 t 声压透射系数 第2 章超声波在多层复合材料中的传播建模 铲扣= 每= 而 q “ 声强反射系数 _ = 争i 。= ( 争) 2 = ( o ) 2 ( 2 1 5 ) 声强透射系数 铲扣= c ，c 筹，= 面等q 1 6 当声波垂直入射时，上式均可简化，直接可得0 + f ，= 1 ，表明界面上声能分 配遵从能量守恒定律。分析上述各式，可得以下两点结论： 1 ) 平面波入射到平界面时，其反射角始终等于入射角。而折射角的大小取决于 两种媒质的声速比以= c 1 c 2 。当c 2 c 1 时，折射角大于入射角，即只 只，当入 射角由0 0 逐渐增大到某一个角度以时，将有只= 9 0 。，即折射波沿界面传播。当 入射角超过这个临界角时，入射声能将全部反射到媒质i 中，故良称为“全内 反射临界角”。 0 k ：a r c s i n 三l ：a r c s i nh ( 2 1 7 ) c 2 2 ) 平界面上声压、声强反射、折射系数与两种媒质的法向声阻抗率有很大关系。 若斜入射时有z 1 = z 2 ，或垂直入射时有墨= 恐，则0 = 0 ，_ = 0 ，声波称为“全 透射”。而对斜入射，如z l 函z 2 ， z i 雕z 2 ，以及垂直入射时，墨痧是，或墨吞是 时，即两媒质声特性阻抗相差很大，匕“1 ，乃“1 ，即声波“全反射”。 2 2 2 液一固媒质 当超声波从液体媒质i 入射到固体媒质i i 中时，入射波与反射波均为纵波。 但在固体媒质i i 中，则存在折射纵波和折射横波。又因为固体中纵波声速约为 横波声速的两倍，故折射纵波的折射角总大于折射横波的折射角。 嗽2 。撩? n f i i 矿流体 ，固体 p0 1 c 1多触 图2 2 声波在液一固媒质界面上的传播 1 2 第2 章超声波在多层复合材料中的传播建模 利用这些波的表达式及上述平界面边界条件，类似推倒可获得角度关系： 0 , l = 钆 业业l ：! ! ! 1 4 ：! ! ! ! g ：! ! ! ! g c l c l t c 2 c 2 r 相应的可导出：声压反射系数 矿扎= 篆冀臻舞象卺 折射纵波的声压透射系数 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) = 移州拿历而辔筹 2 d 折射横波的声压透射系数 矿缸。一c 斧历高篆警百 眩：z ， 当声波垂直入射时，则上述各式分别简化为 铲荨鲁 q 2 3 = 高卺麓 q 2 4 r p r = 0 ( 2 2 5 ) 式中：z ，：盟；z ，：盟：垃。 “c o s e ? f c o s 8 j c o s 07 对这种液- 固界面，我们也得出下述结论：当几种波速满f f ：c ：。 c ：， q 。时( 较 常见的情况) ，媒质i 中的入射角存在两个全内反射临界角。即 第一临界角：o ，：a r c s i n cl l ( 2 2 6 ) 。 c i l 第二临界角：日。，：a r c s i n c i l , ( 2 2 7 ) c 2 r 显然，当入射角醴= 0 时，如( 2 2 5 ) 给出的，固体媒质i i 中，只有一种纵波 折射波；当0 只 气时，固体媒质i i 中同时存在纵波和横波折射波，且随角度 增加，折射纵波减弱，横波渐强；气 只 0( 5 4 ) 、，口。 口 其中：x ( t ) r 俾) ，口尺度因子，f 反映位移，其值可正可负，上标，表 共轭。符号( 马_ y ) 代表内积。伊。，( r ) ： 妒( 三) 是基本小波的位移与尺度伸缩。 、，口( t t 根据尺度因子和平移参数的选择，满足对信号的时频分析。 利用小波变换对信号进行处理，应用最广泛的是二进小波变换，即取 口= 2 s , f = k 2 j ，则x ( f ) 的二迸小波变换为： 以，= ( 工( ，) ，妒f 女( f ) ) = 2 一“2i 。工( ，) 妒( 2 一，一k ) d t ( 5 5 ) 对多数信号而言，低频部分给出了信号特征、反映了信号的变换趋势，高频 部分则与干扰和噪声相关性较大。因此，将高频部分滤掉，信号的基本特征仍 可保留。多分辨分析就是对信号的低频空间进行分解，使频率的分辨率越来越 4 2 第5 章超声回波信号的去噪处理 高，构造一个在频率上高度逼近l 2 ( r ) 正交小波基( 或正交小波包基) ，这些分 辨率不同的正交小波基相当于带宽各异的带通滤波器，可展示信号重要特征。 在图5 1 中显示了多分辨分析的分解和重构过程。将原始信号x 通过两个 互补对称的低通高通滤波器后，就使其分解成高、低频两路信号，对其中的低 频部分重复进行上述滤波分解过程就是多分辨分析中的分解过程。 第一级( 分解)第一级( 重构) 级数 123 3 21 y _ - 图5 1 名分辨分析中的分锯和重构讨捍 设原始信号x 总频带为空间v 。，经第一级分解后被划分成两个子空间，低 频v 。和高频w 。，v 。表示图中第j 一1 级分解后反映v 卜l 空间信号概貌的低频子空 间，w ，表示分解后反映v 。空间信号细节的高频子空间，剖分过程可以记为： v o = v 1 0 w 1 ，v 1 = v 2 0 w 2 ，v i 1 = v j 0w j ( 5 6 ) 符号。表示“直和”，多分辨分析的子空间可以用有限子空间来逼近，即有： v o = w 1 0 v 1 = w 1 0w 2 0 v2 一一w 1 0w 2 w io v i ( 5 7 ) 信号重构，每一支路首先做“插值”，恢复抽取前序列长度，然后通过与分 解滤波器组构成镜像的低通高通重构滤波器组重新构造信号。 多分辨分析引出对信号x ( f ) 作分析时的离散平滑逼近x 。“和离散细节信号 以“) 。这些离散系数间的关系可以用多采样率滤波器形式表现出来，从而便于 采用数字信号处理技术进行分析。式( 5 8 ) 、( 5 9 ) 为信号的第一级分解公式： x o ) - h o ( n - 2 k ) x 。 ( 5 8 ) d k o ) - h l ( , - 2 k ) x n 0 h 。= ，g 。t = ( 纯o ( f ) ，丸。( f ) ) ( 5 1 2 ) g o ( t ) ，g l ( 柚”是滤波器的脉冲响应，即重构各滤波器组系数。 为实现去噪，可只对低频部分进行重构( 即重构粗略部分) 。将高频部分的参 数用零代替，得到的就是原信号的粗略部分。 5 3 回波信号去噪实验及结果分析【3 3 1 删【3 5 l 实验系统组成如图5 2 所示，其中超声波换能器频率为2 5 m h z ，数字超声 波探伤仪采用自发自收得a 扫描形式，其采样间隔时间为2 5 1 0 7 ，在超声换 能器和试块之间添加了耦合剂以减少声能衰减。 l 试块 - 叫超声换能器卜刊超声探伤仪 一p c 机l l _ j ip 叫 l _ j 图5 2 超声波检测系统 超声波探伤仪采样得到超声回波信号，利用其通讯设备将其存储在p c 机中， 利用m a t l a b 软件对其进行信号处理与分析。为使后续信号处理不受特定信号 强度变化的影响，对超声脉冲回波波形首先进行了初步处理，即归一化处理。 然后对经过初步处理之后的信号进行多分辨小波分析。小波三重分解，如图5 3 所示；小波重构，如图5 4 所示。 图5 3原始信号的小波三重分解 横坐标采样时间，纵坐标一采样点幅值 在图5 3 中，最上面的波形为经过初步处理后的原始信号。w ( 1 ) 是经过第一 第5 章超声回波信号的去噪处理 级分解得到的高频信号，w ( 2 ) 是经过第二级分解得到的高频信号，w ( 3 ) 是经过 第三级分解后得到的高频信号，v ( 3 ) 则是经过第三级分解后得到的低频信号，也 就是最能观察的特征的信号。 图6 4信号的小波三重重构 横坐标一采样时间， 纵坐标一采样点幅值 在图5 4 中，最上面的波形为经过三重分解后得到低频信号即v ( 3 ) 。v ( 2 ) 是v ( 3 ) nw ( 3 ) 经过第三级重构得到的低频信号，v ( 1 ) 是v ( 2 ) nw ( 2 ) 经过第二级 重构得到的低频信号，v ( 0 ) 是v 0 ) nw ( 1 ) f 鲛t 第一级重构后得到的低频信号， 将v ( o 图5 5信号的小波三重去噪重构 横坐标一采样时间， 纵坐标采样点幅值 4 5 第5 章超声回波信号的去噪处理 分解和重构滤波器组选取是否合适，只需将重构信号与初始信号进行比较， 误差很小时认为滤波器组选取合适。在此基础上，为实现去噪在重构过程中只 对低频部分进行重构，将高频部分用0 代替，得到原信号的粗略部分，如上图。 在图5 5 中，v 0 ) 表示在第j 级重构时得到的低频信号，v ( o ) 是去噪重构后得 到的波形。由图5 5 中的v ( o ) 与原始信号的比较可以看出，它将低频信号的主要 特征都保留了下来，描述了原始信号的平滑概貌。小波变换加强了超声回波和 噪声之间的对比，因此这里定义信噪比s n r 为： s n r 予s p e a l _ r m s( 5 1 3 ) s p e a k 和r m s 分别为缺陷回波的最大峰值和噪声的标准差。再定义信噪比 增强系数r 为： j i ps n r o u t s n r i n( 5 1 4 ) s n r o u t 和s n r i n 分别为处理前后的信噪比，信噪比增强系数r 反映了信噪 比的改善程度。计算可得到的重构信号的信噪比和信噪比增强系数列于表5 1 中。由表5 1 可知信噪比得到了明显的提高。 s n p - i ns n p - o m r 8 0 9 8 49 8 0 0 51 2 1 0 2 8 1 4 7 21 0 3 0 2 11 2 6 4 5 表5 1 信号的信躁比和信噪比增强系数 在超声脉冲回波信号中，气泡和分层缺陷与无缺陷回波的主要差别会集中在 某一个频段，表现为信号中波峰的变化。可根据实际现场情况和要求来对信号 进行小波多分辨分析，将其主要特征集中体现的频段提取出来便于分析，由图 5 5 中可知，经过小波变换回波信号仍保持了良好的分辨率，可以实现缺陷识别 和定位。 、 对于超声回波采用小波多分辨分析进行分解、分别重构，滤除噪声信号，对 后续的缺陷定性分析工作提供了良好的基础。利用小波多分辨分析对超声回波 信号进行分级去噪，在不同频带内分析信号使细微的信号特征在不同分辨率的 时频空间中显现，有效地抑制了噪声，提高信噪比，并且具有良好的缺陷定位 精度和纵向分辨率，从去除噪声后的信号中可以方便地识别缺陷是否存在以及 缺陷的位置。 第6 章结论 第6 章结论 本文在了解了超声波检测的物理基础上，提出了适用于检测多层结构复合材 料的超声检测系统设计方案，对多层结构复合材料的超声检测做了大量实验研 究，并针对超声回波信号处理中运用小波的多分辨分析方法滤除噪声得到了很 好的效果。 作者所完成的主要工作包括以下几个方面的内容： l 、对超声波的理论进行分析，设计了超声检测系统的总体框架。 2 、对超声探头工作原理的了解以及类型的选择；对超声发射系统及接收系 统进行了硬件电路设计与调试，达到了预期效果。 3 、对超声波在两种非固体、液体一固体、固体一固体媒质界面的反射、透射 和折射进行了理论的探讨，推出多层固体中超声波的反射、透射和折射 系数，在此基础上利用软件m a t l a b 对多层材料的超声回波信号进行仿 真，并与实验得到的信号进行比较，效果较好。从而得出从仿真的角度 修改材料的参数与实际得到的图形进行比较获得多层材料的厚度信息 的方法。 4 、对复合材料的缺陷检测方法进行了实验研究和探讨。 5 、针对超声回波信号中的噪声，运用小波分析对其进行去嗓处理，将其大 部分噪声滤除，提高信号的可检测度以提高该系统的探测范围。 结合课题进行中遇到的实际问题根据对前一段工作的总结，作者认为还有 以下几个方面需要加强： 1 、发射、接收电路稳定性的保证； 2 、对多层复合材料的整个立体范围内的检测； 3 、超声测量的精度的提高，譬如材料厚度的精度、缺陷定位的精度等。 4 7 致谢 致谢 本文是在导师祝连庆教授和董明利副教授的精心指导和帮助下完成的。在 课题的进行过程中，导师对试验的每一个步骤都严格要求，亲自把关，遇到问 题，导师总是循循诱导，直到问题的解决。两位老师为人师表、严格认真的工 作作风和诲人不倦的态度使作者受益匪浅。值此论文完成之际，作者特向两位 恩师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。 感谢所有在论文工作中给作者以生活、精神上帮助和鼓励的人们。 2 0 0 6 年2 月 参考文献 参考文献 1 李家伟，陈积懋无损检测手册机械工业出版社，2 0 0 2 2 耿荣生新千年的无损检测技术无损检测，2 0 0 1 ，2 3 ( 1 ) 3 t s u n g t s o n gw u e l a s t i cw a v ep r o p a g a t i o na n dn o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no f m a t e r i a l s e l a s t i cw a v ea n dn d eo fm a t e r i a l s ，1 9 9 9 6 4 刘福顺，汤明无损检测基础北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 5 m c n a b a d u n l o p l h a l l a i c e t a 1 n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g j e l s e v i e r s c i e n c e p u b l i s h e r s ，b v 1 9 9 2 ：9 7 4 6 邵泽波无损检测技术化学工业出版社，2 0 0 3 7 冯若超声手册南京大学出版社，1 9 9 9 8 王忠生，万小朋无损检测诊断现场实用技术机械工业出版社。2 0 0 3 9 王小民，李明轩复合材料的超声检测与评价应用声学，1 9 9 8 ，1 7 卷6 期 1 0 p w a s t i j n m a n d e t e r m i n a t i o no ft h ee l a s t i ec o n s t a n t so fs o m ec o m p