（通信与信息系统专业论文）数字化超声波探伤仪的信号处理算法研究.pdf

中文摘要 摘要 超声波探伤是一种先进的无损检测方法，它是利用材料本身内部缺陷的声学 性质对超声波传播的影响，非破坏性地探测材料内部和表面缺陷的大小、形状和 分布状况以及材料性质。在超声无损检测，特别是粗晶材料的检测中，直接从噪 声中区分缺陷信号、判断缺陷信号的位置十分困难，所以超声信号处理技术是无 损检测领域的重要研究课题。实际工程应用中，缺陷形式千变万化，如剥落、裂 纹、气泡等，缺陷位置也各不相同。因此，超声检测的回波信号通常是非平稳信 号，其信号处理方法主要是能量分析和时频域分析。能量分析方法简单、易于实 现；时频分析方法将一维时域信号变换成二维时频图像，能够展现出信号中更丰 富的信息，具有更大的应用潜力。本文对数字式超声波探伤仪回波信号的检测和 处理方法进行了研究，设计了前端激励信号的产生电路，参与部分硬件电路的调 试。本文的主要内容概括如下： 介绍了超声波无损探伤技术的基本概念、发展现状、及主要的应用领域， 分析了超声信号的特性，并概括了超声信号的分析方法。 给出了超声波的检测方法以及超声波检测系统的设计方案，并详细分析了 设计中各模块的功能，设计并实现了前端窄带激励脉冲的发生电路。 根据实际需要设计了数字带通滤波器，并对超声回波信号进行滤波，取得 了较好的效果；用三次样条插值法和滑动窗能量检测法对信号进行了包络分析， 提取出回波信号出现的时间，从而计算出缺陷离探测表面的位置。 研究了h i l b e r t h u a n g 变换的基本理论和经验模态分解方法，介绍了h i l b e r t 谱及h i l b e r t 能量谱的构造方法，并将其应用在超声检测的回波信号处理中，通过 仿真表明，h i l b e r t 谱反映了回波信号的时频信息，h i l b e r t 能量谱反映了回波信号 的时间信息，从而有效地判断缺陷的有无及位置。 应用了小波变换和小波消噪的基本理论，对阈值消噪进行了分析，采用软 阈值法对测得的超声回波信号进行消噪处理，得到了较好的消噪效果。 关键词：无损检测，时频分析，h i l b e r t - h u a n g 变换，经验模态分解，小波变换 英文摘要 a b s t r a c t u l t r a s o n i cf l a wd e t e c t i o ni sa na d v a n c e dn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d ，w h i c h u s e st h ee f f e c to fa c o u s t i cp r o p e r t yo ft h em a t e r i a l si n t e r n a lf l a w so nu l t r a s o n i c p r o p a g a t i o nt od e t e c tt h es i z eo fm a t e r i a l s i n t e r n a la n ds u r f a c ef l a w s ，s h a p e ，d i s t r i b u t i o n a n dm a t e r i a l p r o p e r t i e sn o n - d e v a s t a t i n g l y i n u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ， e s p e c i a l l yi nt h ed e t e c t i o no fc o a r s e g r a i n e dm a t e r i a l ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt od i s t i n g u i s h t h ef l a w sa n dd e t e r m i n et h el o c a t i o no ff l a w sd i r e c t l yf r o mt h en o i s e s ou l t r a s o n i c s i 舀l a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g f i e l d i np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n , t h ef o r m so ff l a w sa r ed a e d a l ，s u c ha s s p a l l i n g s ，c r a c k s ，b u b b l e sa n ds oo n , a n dt h el o c a t i o n so ff l a w sa t ea l s od i f f e r e n tf r o m e a c ho t h e r t h e r e f o r e ，u l t r a s o n i ce c h os i g n a l sa r eu s u a l l yn o n - s t a t i o n a r ys i g n a l t h e s i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r em o s t l ye n e r g ya n a l y s i sa n dt i m e f r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s i s e n e r g ya n a l y s i sm e t h o d sa r es i m p l ea n de a s yt or e a l i z e ，a n dt i m e - f r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i sm e t h o d s c h a n g e t h eo n e - d i m e n s i o n a lt i m e - - d o m a i n s i g n a l i n t o t w o d i m e n s i o n a lt i m e f r e q u e n c yi m a g e ，w h i c hc a l lu n f o l d sm o r ep l e n t i f u li n f o r m a t i o n o ft h es i g n a la n dh a v em o r ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l t 1 1 i sp a p e rs t u d i e dt h es i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h mo fd i g i t a lu l t r a s o n i cf l a wd e t e c t o r , d e s i g n e dt h eg e n e r a t i n gc f f c u i t o ft h ef r o n te x c i t a t i o ns i g n a l ，a n dp a r t i c i p a t e di np a r t i a ld e b u g g i n go fh a r d w a r ec i r c u i t t h em a i nc o n t e n t sa r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： t h eb a s i cc o n c e p t s ，d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dm a i na p p l i c a t i o nd o m a i no f u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u ew e r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s e so f u l t r a s o n i cs i g n a lw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ea n a l y s i sm e t h o d so fu l t r a s o n i cs i g n a lw e r e s u m m a r i z e d n 抡d e t e c t i o nm e t h o d so fu l t r a s o n i cw a v ea n dd e s i g ns c h e m eo fu l t r a s o n i c t e s t i n gs y s t e mw e r ep r e s e n t e d t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ew a sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n d t h ef r o n t - e n dn a r r o w - b a n de x c i t a t i o np u l s ec i r c u i tw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d md i g i t a lb a n d p a s sf i l t e rw a sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s a n dt h ef i l t e rw a su s e dt of i l t e rt h eu l t r a s o n i ce c h os i g n a l ，w h i c ha c h i e v e db e t t e rr e s u l t s t h ec u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o na n ds l i d i n gw i n d o we n e r g yd e t e c t i n gm e t h o dw e r eu s e d t oa n a l y z et h es i g n a l se n v e l o p m e n t s ，a n dt h et i m ew h e ne c h os i g n a l so c c u r r e dw a s e x t r a c t e d ，s ot h el o c a t i o nf r o mt h ef l a w st ot h ed e t e c t i o ns u r f a c ew a sc a l c u l a t e d ( d t h eb a s i ct h e o r yo fh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r ma n de m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n m 重庆大学硕士学位论文 w e r es t u d i e d t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fh i l b e r ts p e c t r u ma n dh i l b e r te n e r g ys p e c t r u m w a si n 仃o d u c e d ，a n di tw a sa p p l i e di n t os i g n a lp r o c e s s i n go fu l t r a s o n i ce c h os i g n a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d ，h i l b e r ts p e c t r u mr e f l e c t e dt i m e - f r e q u e n c yi n f o r m a t i o no f e c h os i g n a l ，a n dh i l b e r te n e r g ys p e c t r u mr e f l e c t e dt i m ei n f o r m a t i o no fe c h os i g n a l s o e x i s t e n c eo rn o n e x i s t e n c ea n dt h el o c a t i o no ff l a w sw e r ej u d g e de f f e c t i v e l y w a v e l e td e - n o i s i n ga n dw a v e l e tt r a n s f o r mw e r eu s e dt oa n a l y z et h r e s h o l d d e n o i s i n g a n ds o f tt h r e s h o l dm e t h o dw a su s e dt od e - n o i s ef o ru l t r a s o n i ce c h os i g n a l s t e s t e d ，w h i c ho b t a i n e db e t t e rr e s u l t k e y w o r d s ： n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，t i m e - f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ，h i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ，e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m i v 学位论文独创性声明 本人声明所 呈 交 的乱士 学 位 论 文 凝嘘蓟燃伯碹墨处越渣硒整是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：穗亮尧 签字日期：砷必站 导师签名： 厶g 彬抖 签字日期：矽参7 j 功 j 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、 下简称“章程”) ，愿意将本人 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n 】日) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c ：n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 衣刍茧 导师签名 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年_ 月一日。 说明：本声明及授权书：陋装订在提交的学位论文最后一页。 蛹屯 1 绪论 1 绪论 超声波无损检测技术对工业产品质量控制、工业装置安全生产等方面有着非 常重要的作用和广泛的应用领域。为了提高超声检测的可靠性和检测速率，开发 研制数字化、智能化、自动化、图像化的超声波无损检测系统是当今无损检测技 术的发展趋势。世界各工业化国家都在积极地研究与开发新型的检测技术与设备， 尤其是开发检测灵敏度高的数字化技术与设备。本项目采用单片机作为超声无损 检测系统的控制和数字信号处理的核心部分，研制一种超声无损检测系统，为提 高检测可靠性和效率奠定了坚实的基础。 1 1 超声波检测概述 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样 具有声波传输的基本物理特性，即反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有 方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大的能量，并且在不同的媒质 界面，超声波的大部分能量会被反射。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比， 其最大的特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，从而可以通过反射波或 透射波来了解被测物体的内部情况。超声波检测具有检测迅速、方便、易于实时 控制、设备结构简单、成本低廉、检测精度较高等特点，在国防、航空航天、电 力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用。它不但可以保证产品质量、 保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。近几十年来，由于计算机技术、 现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规 超声检测的限制，进一步扩大了其适用范围。利用超声波在材料内部传播、反射 和共振等特性，检测出材料内部的异常部位，这种检测方法就是超声无损检测法【i 】。 作为无损检测技术中一种非常重要的方法。超声波用于无损检测领域是由其特性 决定的【2 捌。 超声波的方向性好。超声波具有像光波一样的方向性，经过专门的设计可 以定向发射，利用超声波可以对被检测对象进行有效的探测。 超声波的穿透能力强。对大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。特别 在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。 超声波的能量高。超声检测的工作频率远高于声波的频率，具有很高的能 量。被检材料的声速、声衰减、声阻抗等特性携带有丰富的能量转换信息，成为 广泛应用超声波检测的基础。 遇到不同媒介分界面时，超声波将发生反射、折射和波形的转换。利用超 重庆大学硕士学位论文 声波在介质中传播时的这些物理现象，经过巧妙的设计，使得超声检测工作的灵 活性、精确度得以大幅度提高，这也是超声检测得以迅速发展的原因。 对人体无害、适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度 快、可及时得到探伤结果，适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，并能对 正在运行的装置和设备进行检测和诊断。 超声波探伤仪是超声检测技术的重要体现之一，在超声检测领域有着广泛的应 用。 1 2 超声检测技术的国内外研究现状 近年来，超声无损检测领域的学术气氛十分活跃。1 9 8 9 年4 月在荷兰阿姆斯 特丹召开的第1 2 届世界无损检测会议上共发表论文4 7 8 篇，其中有关超声检测的 论文1 8 2 篇，是论文数量最多的无损检测方法。1 9 9 2 年1 0 月在巴西圣保罗市召开 的第1 3 届世界无损检测会议上宣读和交流的论文共31 2 篇，5 种常规无损检测论 文占6 5 ，其中有关超声检测的论文最多，占到5 5 。1 9 9 6 年第1 4 届世界无损 检测会议在印度的新德里举行，会议收到论文7 3 2 篇，收入论文集的论文5 5 0 篇， 其中与超声检测有关的论文2 0 0 篇。新千年的无损检测大会，第1 5 届世界无损检 测会议在意大利的罗马市召开，大会收到7 7 3 篇论文，收入论文集的有6 6 3 篇， 其中有关超声检测的有2 5 0 蒯4 。 随着微电子技术、计算机技术、数字技术、传感技术、自动控制技术的发展， 现代超声无损检测技术已经进入融合多种技术，特别是以计算机控制为主的阶段。 主要应用有：生产过程的实时设备安全检测、监控和产品生产运行过程的实时质 量检测、控制：可以通过相关处理、平均处理、包络识别等数字信号处理技术来 排除噪声，提高检测的信噪比，增强抗干扰能力；客观、全面地采集、存储和分 析数据，可以对采集到的数据进行实时处理和后处理，可对信号进行时域分析、 频域分析和成像分析处理，以提高检测的可靠性和直观性；可通过变更和扩充软 件程序来改变或增加仪器功能【5 叫。 就当前国内的超声波检测技术应用情况来看，超声波无损检测诊断技术已经 被广泛地应用于各种领域和场所，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用 和影响，其主要的应用领域还在不断扩展。就超声波检测仪器而言，其检测精度、 检测的可靠性以及新的信号处理技术应用等方面，还需要进行改进和完善，才能 有更好、更广泛的应用。 1 3 超声信号处理的国内外研究应用现状 在超声无损检测，特别是粗晶材料的检测中，直接从噪声中区分缺陷信号、 2 1 绪论 判断缺陷信号的位置十分困难，传统做法是用改善工艺和探头来提高缺陷的检出 率，但这些方法有定的局限性，所以超声信号处理在超声波探伤仪中起着非常 重要的作用。 在超声信号的评价中，信号分析处理技术主要有以下方法【_ 7 】：信号平均技术： 由于在探测信号中，随机干扰具有高斯白噪声的性质，而缺陷信号基本不变，对 多个测量信号取平均值，可以提高信噪比。数字滤波技术：通过低通、高通、 带通以及中值滤波等对信号进行处理，可以滤除大部分噪声和干扰能量，获得最 佳信号。反卷积：能区分两个很近的信号，提高超声信号分辨率。包络分析 法：提取信号的包络，判断信号出现的位置。频谱分析：多用傅立叶变换( f f t ) 的方法对信号进行变换，观察频谱图、相位图等。时频分析：用裂谱法、小波 法、h i l b e r t h u a n g 变换法等对超声信号进行分析。 1 - 3 1 超声波检测信号的非平稳问题 超声检测的过程可分为三个步骤：第一，检测信号的获取；第二，故障特征 提取；第三，状态识别与故障诊断。检测的关键是从检测信号中提取缺陷信号的 特征，通常借助于先进的信号处理技术来提取信号的特征。由于应用时，被测物 体的缺陷具有不确定性，因而超声波信号具有非平稳性。 所谓非平稳性，是指信号的统计特性，包括时域统计特性( 如均值、方差等) 和频域统计特性( 如频谱、功率谱、相干分析等) ，与时间变化有关。在实际情况下， 我们并不是根据其定义来判断探伤过程是否平稳。l c o h e n 给出了信号平稳或非平 稳的一种非常广泛的定义，即如果在某种意义上一个信号不变化，那么它就是平 稳的，否则它就是非平稳吲引。实际工程应用中，设备故障千变万化，如剥落、裂 纹、气泡等，故障位置也各不相同。因此，超声检测的回波信号通常是非平稳信 号，其信号处理方法主要是能量分析或时频域分析。 1 3 2 非平稳信号处理的发展现状 基于傅立叶变换的信号频域表示及其能量频域分布揭示了信号的频域特征， 它们在传统的信号分析与处理方法中发挥了极其重要的作用。但是，傅立叶变换 是时域或频域的一种全局性变换，不能同时进行时频分析。人们在傅立叶变换的 基础上作了大量的研究，提出并发展了一系列新的信号分析理论，当代非平稳信 号处理的理论和技术主要有【9 。1 0 j ：短时傅立叶变换、w i g n e r - v i l e 时频分布、g a b o r 变换、小波变换等。 短时傅立叶变换是g a b o r 在傅立叶变换的基础上发展起来的一种时频分析方 法，它是用一个时间宽度很短的、可以在时间坐标上滑动的窗函数与信号相乘再 来进行傅立叶变换，具有明确的物理意义，其变换结果可视为信号在分析时间f 附 近由时间窗限定的- - + 段信号的局部频谱，得到由时间f 和频率厂确定的二维时频 3 重庆大学硕士学位论文 分布。 w i g n e r - v i l e 时频分布是非线性二次型变换，是信号的能量在时频平面上的分 布，时频聚焦性好，直观感强 9 1 ，但w i g n e r - v i l e 分布对多分量信号会产生虚假信 号。 小波变换从基函数角度出发，吸取了傅立叶变换中的三角基与短时傅立叶变 换中的时移窗函数的特点【m 1 5 】，形成振荡、衰减的基函数。小波基函数是时间r ， 尺度因子a 和时移参数6 的函数。改变尺度因子a 的大小，小波函数将会伸展或收 缩。时移参数b 与时间r 相对应，尺度因子a 与频率相对应，因此，小波变换可以 用于时频分析。 1 9 9 8 年，美籍华人n e h u a n g 等人提出了一种新的信号处理方法，即经验模 态分解法( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 。其主要思想是把一个时间序列信 号分解成不同尺度的本征模函数( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ，i m f ) ，每个本征模函数 序列的每一个点只有一个瞬时频率，无其他频率成分的叠加。瞬时频率是通过对 i m f 进行h i l b e r t 变换得到，同时求得振幅，得到振幅频率时间的三维谱 分布。e m d 分析方法以及其对应的h i l b e r t 变换称为h i l b e r t - h u a n g 变换( 简称为 h u t ) ，它是一种自适应性良好的时频分析方法。 h i l b e r t - h u a n g 变换于1 9 9 8 年提出，至今已在生物医学、桥梁健康检测和环境 中得到广泛应用，对h i l b e r t - h u a n g 变换用于超声检测的研究较少，为了提高超声 波无损探伤的水平，有必要研究h i l b e t t h u a n g 变换以及在缺陷信号分析中的应用。 1 4 该课题研究的主要任务和内容 本文主要研究了数字式超声波探伤仪回波信号的检测和处理方法，设计并实 现前端激励信号的产生电路，参与部分硬件电路的调试。全文分为六章，各章的 内容安排如下： 第l 章主要介绍超声波检测的基本概念、发展现状以及超声波数字信号处理 的发展现状。 第2 章介绍了超声波的特征参数和超声波在介质中传播的特征，并利用这些 特征导出相应的检测方法来对工件进行检测，然后介绍了数字式超声波探伤仪的 设计方案以及各模块的功能，主要介绍了前端激励脉冲的产生方法，最后分析了 超声信号的特性。 第3 章介绍了数字带通滤波器的原理及设计方法，根据超声波信号特征设计 了数字带通滤波器，研究了两种超声回波信号的时域处理方法，通过仿真证明这 两种方法的有效性和可靠性。 第4 章研究了一种适用于非平稳信号处理的时频分析方法( 希尔伯特黄变 4 1 绪论 换法) ，其中包括了信号分解方法和h i l b e r t 谱、h i l b e r t 能量谱的构造方法，然后介 绍了小波变换的相关理论。 第5 章通过仿真说明如何将希尔伯特黄变换法应用在超声信号分析中， 从而达到信号检测的目的，然后研究小波消噪的相关理论，并将其用来对超声回 波信号进行消噪。 第6 章对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章介绍了超声波无损探伤技术的基本概念、发展现状、及主要的应用领域。 分析了超声波回波信号的基本特征，总结了用于超声波回波信号处理的相关技术， 分析介绍了这些技术的发展概况。最后给出本论文的整体工作安排。 2 超声波探伤基本理论 2 超声波探伤基本理论 超声波是超声振动在介质中的传播，是在弹性介质中传播的机械波，其频率 高于2 0 k h z 。超声波检测中常用的工作频率一般为0 s m h z - - 1 0 m h z ，较低频率用 于粗晶材料和衰减较大材料的检测，较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。对 于某些特殊要求的检测，工作频率可达1 0 m h z 以上。 2 1 超声场及介质的声参量 2 1 1 描述超声场的物理量 充满超声波的空间，或在介质中超声振动波及的质点所占据的范围称为超声 场。常用声压、声强来描述【i 6 j 。 声压 超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强只与没有超声场存在时同一点静态 压强b 之差，定义为该点的声压，常用p = 丑一b 表示，单位为帕斯卡( 帕) ， 1 乞= 1 n m 2 。 平面余弦超声波在介质中传播时，介质每一点的声压随时间和距离而变化。 可以表示为： p ：p c a t o e o s 【缈( 卜要) + i ；r e 】= p c v ( 2 1 ) 二二 式中卜介质的密度； 卜超声波在介质中的传播速度； 4 质点介质的振幅； & 卜质点振动的角频率( = 2 n f ) ； 卜质点振动的速度振幅( 嗍) ； 卜一时间； 卜波前与波源的距离。 由此可见，声压的绝对值与波速、质点振动的速度、振幅( 或角频率) 成正比。 因为超声波的频率高，所以超声波的声压大。 声强 在超声波传播的方向上，单位时间内单位截面上的声能称为声强，常用j 表示， 单位是w c m 2 。 以纵波在均匀的各向同性的固体介质中的传播为例，可以证明平面波传播的声 强计算公式为： 7 重庆大学硕士学位论文 j = 吉倒2 如圭砰去= 三( ) 2 吃2 ( 2 2 ) 式中已为声压极大值，可见超声波的声强与质点振动幅度( 彳) 的平方、质点振 动角频率( 缈) 的平方、声压( p ) 的平方，以及质点振动速度振幅( y ) 的平方成正比。 由于超声波的频率高，因此其强度( 能量) 远远大于可闻声波的强度。例如，1 m h z 声波的能量等于1 0 0 k h z 声波能量的1 0 0 倍，等与l k h z 声波的能量的1 0 0 万倍。 分贝和奈培 引起听觉的最弱声强为声强标准，在声学上称为“闻阈”，常用厶表示， i o = 1 0 _ 1 6w c m 2 ，即产l k h z 时是引起人耳听觉的声强最小值。某一声强j 与标准 声强厶之比取常用对数的值，称为声强级，用尼表示。声强级的单位是贝尔) ， 即： i l = l g ( i o ) ( 2 3 ) 实际应用中，常用分贝( 为声强级的单位( 1 d b 等1 贝尔的十分之一) 。超声 波的幅度或强度的比值也经常使用分贝( 的概念，因为声强( d 与声压( p ) 的平方 成正比，则可得到： l d b = l o l g ( 1 2 i i ) = 2 0 1 9 ( p 2 p i ) ( 2 4 ) 对于放大线性良好的超声波探伤仪，其示波屏上的波高与声压成正比，即同一 点的任意两个波高之比( q 皿) 等于相应的声压之比( 丑e ) ，两者的分贝差为： _ 2 0 1 8 i p l = 2 0 l g 等( ( 2 5 ) 在实际检测时，常按照上式计算超声波探伤仪示波屏上任意两个波高的分贝 差。若对( e 坞) 或( p , p ：) 取自然对数，则其单位为奈培： - 2 嘶i p l = 2 0 1 n 等 ( 2 6 ) 只且、 、7 2 1 2 介质的声参量 声波在介质中的传播速度和性质是由其声学参量( 如声速、声阻抗、声衰减系 数等) 决定的1 6 1 。 声阻抗 超声波在介质中传播时，任一点的声压尸与该点速度的振幅v 的比值称为声 阻抗，用z 表示。单位是( c m 2 s ) 或k g ( e m 2 s ) z ：! ( 2 7 ) v 、 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗越大，质点振 动速度就越小。声阻抗在数值上等于介质的密度p 与介质中的声速c 的乘积 z = p c 。不同的介质具有不同的声阻抗。当超声波由一种介质传入另一种介质，或 8 2 超声波探伤基本理论 是从介质的界面上反射时，其各种行为( 如反射、折射等) 主要取决于这两种介质的 声阻抗。 声速 声波在介质中传播的速度称为声速，常用c 表示。超声波的声速与超声波的波 形及介质的特性( 如密度、弹性模量等) 有关。声速又可分为相速度和群速度两种。 相速度是声波传播到介质的某一特定相位点时，在传播方向上的声速。群速度是 波群的能量传播速度，是指在传播声波的包络上的具有某种特性( 如幅值最大) 的点 上，声波在传播方向上的速度。在非频散介质中，群速度和相速度相等。声速的 一般表达式为： 声速= 弹性率密度( 2 8 ) 声强衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量逐渐减弱的现 象称为超声波的衰减。 引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。 扩散衰减是指超声波在传播过程中，由于波束的扩散引起的衰减。这是因为 随着传播距离的增加，波束截面愈来愈大，使单位面积上的能量逐渐减少。 散射衰减是指超声波在介质中传播时，由于散射引起的衰减。 吸收衰减是指超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦( 即粘滞性) 和热传导引起的衰减，又称粘滞衰减。 2 2 超声波在介质中的传播特性 超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，一部分能 量反射回介质内，称反射波；另一部分能量透过界面在另一种介质内传播，称透 射波。在界面上声能( 声压、声强) 的分配和传播方向的变化都将遵循一定的规律。 2 2 1 单层界面上的垂直入射 当声波垂直入射到单层无限大界面时，要发生反射与透射，如图2 1 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 z i = pi c l 驴物 上 设入射波声压为a ，反射波声压为b ，透射波声压为只，则声压反射率，- ， 声强和反射率r 分别为： ，一鲁= 臻- ( 籍 ， bz 2 + z 1 lz 2 + z l 、。 而声压透射率t 、声强透射率r 分别为： ，：旦：二l ，t ：1 一r 2 ：墼 ( 2 1 0 ) 只 z 2 + z 1 ( z 2 + z 1 ) 2 、7 式中z 1 、z 2 为界面两侧介质的声特征阻抗。如果： z l = z 2 ，则，= 0 ，f = 1 。即声波在界面上无反射，声波全部都透射到第二 介质中去。 z 2 z l ，o z 2 ，例如声波从钢到水入射时，可以算出，= - 9 3 9 ，f = 6 1 。 这里，为负值，说明反射波与入射波的相位相反。r = 8 7 3 5 ，t = 1 2 5 。 z 2 ) 亿l ，1 ，r 1 ；z 2 z 1 ，1 ，f 0 。例如空气到钢的入射和钢 到空气的入射情况，声波几乎全部反射，无透射。 z 2 z 1 ，例如钢的淬硬层与基体金属，焊缝与母材之间，他们的z o 差很小， 约为1 ，可算出f 9 9 5 ，0 5 。可知，此时声波几乎全部透射，不会产生 l o 肼lili 2 超声波探伤基本理论 反射波。 2 2 2 单层界面上的倾斜入射 当声波在平面上倾斜入射时，要发生反射与折射。描述这些现象的规律称为 斯奈尔定律。如图2 2 所示，当纵波l 在两个固体介面上以角度a l 入射时，要在 第一介质中产生反射纵波l i ( 其反射角a l l = a l ) 和反射横波s v i ( 其反射角 a s i a l l ) 。同时，在第二介质中产生折射纵波l 2 ( 折射角为b l ) 和折射横波s v 2 ( 折 射角b s b l ) ，这种由于反射和折射产生其它波形的现象称为波形转换。需要注意 的是：入射波、反射波和折射波都处在一个平面内，此平面称为入射面。 l s v k， u 咿影 i 太 炎2 s v 2 图2 2 声波在平面上斜入射时的反射和折射 f i 醇2t h er e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fs o u n dw a v ei n c l i n e di n c i d e n c e 斯奈尔定律描述：入射波、反射波和折射波在入射面内与被入射的界面法线 夹角的正弦对声速之比为等值，即： s i n a l ：s i na l l ：s i na s 1 ：s i n b l ：s i n b s ( 2 11 ) 一= ：一= 一= 一= = 一 ， 观眦1c a s v l观2田y 2 、 式中c 卜为入射纵波声速 c 己j 为反射纵波声速 c s 为反射横波声速 c 2 l 一为折射纵波声速 四圪l 为折射横波声速 由上式可知，由于在同一种介质中横波声速较纵波声速小，所以横波的反射 角和折射角也较纵波的小。上述规律适用于弹性各向同性介质，表2 1 给出了超声 波在一些物质中传播时的声速【l 。n 。 重庆大学硕士学位论文 表2 1 超声波在一些物质中传播的声速 一t a b l e 2 1 t h es o u n ds p e e do fu l t r a s o n i cw a v es p r e a d i n gi ns o m eo fs u b s t a n c e s _ 。_ _ _ _ _ _ 一 一一 物 质铝铜金 迭磷钢里璧堡 对于在流体固体表面上的斜入射，也可用斯奈尔定律来分析。但是，需 注意的是流体中不能传播横波。 由斯奈尔定律可知，随着入射角，反射角、折射角的增大，第二介质的折射 波都要移向界面，折射角等于9 0 。时，折射波就不会在第二介质中传播了，而转换 为沿表面传播的不均匀波。这种现象称为全反射。由斯奈尔定律可以导出各个临 界角的度数。 第一临界角 按斯奈尔定律，在纵波入射、折射纵波全反射，即b l = 9 0 。时，s i n b l = l ，这 时第二介质中只存在折射横波，此时的纵波入射角称为第一临界角为 = s i n 1 二兰 ( 2 1 2 ) 可以算出，对有机玻璃钥入射时呸2 7 。，而对水钥入射时1 4 5 。 第二临界角 当纵波入射角继续增大到b s = 9 0 。时，折射横波也要转为表面波了。这时的纵 波入射角成为 2 s i n 一茜 ( 2 1 3 ) 对于有机玻璃钢入射时，5 7 。，而对水铜入射时，2 7 。 第三临界角 当s v 波在固体一空气介面上斜入射时，随着入射角。s v 的增大，会使反 射纵波的反射角a l l 增大至l j 9 0 。，这时，固体中只存在反射横波。这时的s v 波入 射角称为第三临界角，用斯奈尔定律可以求出： - 1c s v 邰m 百 对于钢空气介面，口3 7 。 ( 2 1 4 ) 2 3 超声波检测方法 超声波与其他波动一样，具有一般波动的物理共性。在不同介质交界面会产 1 2 2 超声波探伤基本理论 生反射与透射，声场会发生叠加和干涉，传播中能量会被吸收和衰减等等。由于 检测的各种超声换能器( 探头) 均具有特定的声束指向性、频带、灵敏度等性能参数。 待测物件中的缺陷，对超声声束而言是个障碍，可以通过超声波与这些障碍物之 间的相互作用来获取这些缺陷的信息，从而达到缺陷检测的目的。在超声探伤中 所用声波，多为脉冲超声波。利用脉冲波入射到异质界面上的反射效应进行探伤 的方法就是脉冲反射法。它是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上发生 反射的原理来进行检测的。可采用同一探头( 最常用的是压电陶瓷换能器) 兼作发射 和接收。先向待测样品中发射超声脉冲，然后检出缺陷反射声压信号，并将其进 行处理后显示在探伤仪的荧光屏上，由缺陷回波在荧光屏时基轴上出现的位置和 波幅高低来确定缺陷在工件中的位置和当量大小。其具体过程是：由发射电路产 生一个窄脉冲电信号，去激励换能器，通过逆向压电效应，将电能转化为机械振 动即声能，并耦合到待测工件中。超声波在传播过程中，遇到缺陷或待测工件底 面时，会产生反射，反射声波被同一个换能器接收后，通过正向压电效应，将声 能又转化为电振荡能。所得的电脉冲经过接收、放大单元，形成反射脉冲信号。 经过处理后显示在屏幕上，就可以根据缺陷及底面反射波的大小、有无、位置及 形状来判断缺陷的大小、有无及位置。脉冲反射法是目前应用最广泛的一种超声 检测方法。本文从应用角度出发，主要讨论脉冲反射法探伤的基本原理。 超声波检测的基本原理如图2 3 所示l l 副。 产乍用于枪测 的超卢波信号 超声波在介质i | j 的传播和接收 发射接收 信譬的处理和 硅示 信号处理 图2 3 超声波检测原理 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cd e t e c t i o n 脉冲反射法探伤的基本原理和波形如图2 4 所示。当工件完好时，荧光屏上的 波形如图2 4 a 所示，只有始波t 和底波b 。当工件中有小于声束截面的缺陷时， 在始波t 和底波b 之间就有缺陷波f 出现。缺陷波f 在时基轴上的位置取决于缺 陷声程f 。据此可以判断缺陷在工件中的位置；缺陷波的高度还取决于缺陷反射面 积。据此，可以判断缺陷当量大小谚。当有缺陷波f 出现时，底波b 的高度有所 降低，如图2 4 b 。这是因为有一部分声能在到达底面以前已经从缺陷上反射回去 了。当工件中有大于声束截面的缺陷时，全部声能被缺陷反射回去，并被探头接 收，在荧光屏上只有始波t 和很强的缺陷波f ，底波b 消失，如图2 4 c 所示。 判 一 的 一 喈丽 缺 一 重庆大学硕士学位论文 人尤人瓦完人i a )b ) c ) 图2 4 脉冲反射法探伤原理和波形 a ) 没有缺陷的试块及信号波形b ) 有较小缺陷的试块及信号波形 c ) 有较大缺陷的试块及信号波形 f i 9 2 4t h ep r i n c i p l ea n dw a v e f o r mo fp u l s er e f l e c t i o nm e t h o di n s p e c t i o n a ) t e s t i n gs a m p l ew i t h o u taf l a wa n dt h ed e t e c t e ds i g n a lw a v e f o r m b ) t e s t i n gs a m p l ew i t has m a l l e rf