材料缺陷超聲檢測中譜分析技術(shù)的研究

1、第32卷第4期2009年7月兵器材料科學與工程ORDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGVol32No4July,2009材料缺陷超聲檢測中譜分析技術(shù)的研究蔣志峰1，吳作倫1，吳瑞明1，劉繼忠2（1.浙江省計量科學研究院，浙江杭州310013；2浙江科技學院機械與汽車工程學院，浙江杭州310023；3南昌大學機電學院，江西南昌330029）摘要現(xiàn)代超聲無損檢測技術(shù)正向著數(shù)字化、自動化、智能化和系統(tǒng)化方向發(fā)展，材料缺陷檢測中定位、定性、定量的可靠性將不斷得到提高，超聲波頻譜分析是把數(shù)字頻域分析的理論和方法應(yīng)用于超聲檢測的技術(shù)。作者綜述分析了在材料缺陷檢測中超聲頻譜

2、分析技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展和研究現(xiàn)狀，指出簡單的超聲波原始信號能夠提供的信息是有限的，遠不能滿足聲波分析和特征識別的需要，須對其進行一定的加工和處理。通過對域函數(shù)圖譜的識別、特征提取和分析，能獲得更多有用信息，以便更好地指導(dǎo)工程實踐。關(guān)鍵詞超聲檢測；缺陷識別；信號處理；頻域分析中圖分類號TG115.285；TB302.5文獻標識碼A文章編號1004-244X（2009）04-0117-04DevelopmentstatusofspectrumanalysisforultrasonictestingofflawinmaterialsJIANGZhifeng1，WUZuolun1，WURuiming1，L

3、IUJizhong2（1.ZhejiangProvinceInstituteofMetrology，Hangzhou310013，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，ZhejiangUniversityofScience&Technology，Hangzhou310023，China；3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，NanchangUniversity，Nanchang330029，China）AbstractModernultrasonictestingisdevel

4、opingtowardsdigitization，automation，intelligentization，systematization.Thereliabilityoflocation，quantitativeandidentificationofthedefectswillbeconstantlyimproved.Ultrasonicspectrumanalysisistheultrasonictestingtechnologywhichputsintousethespectrumanalysistheoryandapproach.Theapplicationofultrasonics

5、pectrumanalysisanditsdevelopingprospectforflawrecognitionarepointedout.Generallyspeaking，simpleandprimitiveultrasonicsignalscanproviderelativelylimitedinformationandthereforearefarfromsatisfyingtheneedofsonicanalysisandfeaturerecognitionThroughrecognitionofdomainfunctionchartaswellasfeatureextractio

6、nandanalysis，moreusefulinformationcanbeobtainedtoinstructtheengineeringapplication.Keywordsultrasonictesting；flawrecognition；signalprocessing；spectrumanalysis超聲檢測技術(shù)是一門綜合性很強的邊緣應(yīng)用科學，是國內(nèi)外應(yīng)用廣泛、使用頻率高且發(fā)展較快的一種重要的無損檢測技術(shù)。與其它常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，具有被測對象范圍廣，檢測深度大；缺陷定位準確，檢測靈敏度高；成本低，使用方便；速度快，對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點，已較廣泛應(yīng)用于工業(yè)及高技術(shù)產(chǎn)

7、業(yè)中1，體現(xiàn)在改進產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、成品檢驗以及設(shè)備服役各個階段，體現(xiàn)在保證機器零件的可靠性和安全性上。為了避免傳統(tǒng)超聲時域檢測法固有的局限性2，超聲頻域分析法引起無損檢測領(lǐng)域的廣泛重視，它為超聲無損檢測技術(shù)注入了活力，一定程度上起到了變革作用。但由于超聲檢測信號本身的特點，如持續(xù)時間很短（只有幾微秒）、信號頻率高（數(shù)兆赫茲）、信號較弱、易受外界干擾等，使得對其采樣并進行頻譜分析的過程不同于對一般信號的處理，另一方面，信號必須首先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器使其數(shù)字化，在這過程中要保證信收稿日期：2008-11-06；修回日期：2009-05-25基金項目：浙江省自然科學基金資助項目（Y1006

8、02）息不遺漏或不畸變，A/D的采樣率必須至少和奈奎斯特采樣率一樣大，但由于超聲信號的頻率和持續(xù)時間遠不同于一般信號，使得超聲信號的精確采樣也成了一個難點，長期以來很難在實際工程中得以運用。但近年來隨著電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，人們將數(shù)字信號處理應(yīng)用于超聲檢測3，因此，超聲信號的頻域分析成為無損檢測領(lǐng)域的前沿性研究方向之一。總的來講，世界無損檢測技術(shù)發(fā)展趨勢是廣泛采用計算機和信號處理技術(shù)來提高無損檢測技術(shù)的可靠性，而超聲檢測儀器則向自動化、智能化和系統(tǒng)化方向發(fā)展4-6。1傳統(tǒng)超聲波探傷技術(shù)的局限性雖然超聲無損檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為當今無損檢測的主要方法之一，并得到了極為廣泛的工程應(yīng)用。但

9、由于常規(guī)超聲無損檢測技術(shù)本身的局限性，使得在缺作者簡介：蔣志峰，男，高級工程師，工學碩士；1993年9月1994年9月間曾公派赴德國巴伐利亞州肯普騰應(yīng)用科技大學進修材料、機電檢測等；現(xiàn)主要從事材料檢測、機電一體化的教學與研究工作，發(fā)表論文20余篇。E-mail：jzf-hz。118兵器材料科學與工程第32卷陷定性、定位和定量的可靠性和靈敏度并不是很高7。超聲波探傷技術(shù)是利用固體中的回聲和穿透聲彈性波的反射和透射現(xiàn)象，來判斷工件中缺陷的大小和位置，并通過接收到的回波或透射波能量（與規(guī)定的平底孔、橫孔等標準缺陷相比較）來估計缺陷的大小，再使用一些檢測工藝上的技巧，并根據(jù)生產(chǎn)工藝中易產(chǎn)生缺陷的規(guī)律和

10、經(jīng)驗來判斷缺陷的性質(zhì)2。同時，由于超聲無損檢測是利用材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化這一事實來測定超聲信號的變化量，從而判斷材料內(nèi)部是否存在缺陷的，因此，它的理論依據(jù)是材料的物理性質(zhì)8-9準確的規(guī)定。也就是說，常規(guī)的超聲無損檢測完全根據(jù)時域信息來判斷缺陷，僅利用了波形所包含的大量信息的一小部分。因此，探傷的可靠性不高，且檢測結(jié)果與檢測人員的專業(yè)知識、技術(shù)水平、工作經(jīng)驗等有關(guān)，存在較大的主觀性。2超聲檢測中頻譜分析技術(shù)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀2.1超聲頻譜分析技術(shù)的發(fā)展譜分析是較早應(yīng)用于無損檢測的信號處理技術(shù)。這主要是由于不同性質(zhì)及不同大小的缺陷對超聲波的反射情況不一樣，而其反射回波之間的差異通常在時域上不明顯或

11、很難檢測出來，但在頻域上卻較明顯3，而且頻域特征受耦合狀態(tài)等的影響較小，經(jīng)過系統(tǒng)修正后，能夠做到頻域特征僅與缺陷有關(guān)，所以，通過分析對超聲反射頻域函數(shù)圖譜的識別和分析，可以獲得更多的有用信息和規(guī)律，以指導(dǎo)工程實際。超聲頻譜分析包括兩個過程：1）時域信號到頻域信號的轉(zhuǎn)換；2）缺陷特征的分析判斷。具體可以作如下理解：如果將被檢對象視為傳播超聲波信號的通道，接收到的超聲波信號則是受通道作用后，攜帶有對超聲波的吸收、衰減、縱波及橫波聲速等大量信息的聲波信號，利用頻譜分析技術(shù)從采集到的這些信息中，提取盡可能多的有關(guān)傳輸通道的特征信息以用于研究和。也就是說，超聲檢測是利用材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)異常時引起物理量

12、變化的原理，反過來用物理量的變化來推斷材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)的異常。當然，物理量的變化與材料內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)的異常并不是一一對應(yīng)的。長期以來，人們已經(jīng)認識到這類方法會產(chǎn)生含糊的或者是錯誤的結(jié)果。例如，不良取向的缺陷和位置緊靠幾何界面的缺陷可能會完全被漏檢；材料晶粒結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致差的信噪比；產(chǎn)生回波的起因是裂紋、加渣還是松孔、溶渣等可能搞不清楚。很顯然，這主要是因為通用超聲波檢測儀器（A型顯示）檢測的物理量只有三個：1）彈性脈沖的傳播時間，即聲時；2）回波或透射波的能量，即當量；3）機械振蕩通過某段距離后的衰減程度，即相對值。而對埋藏在工件內(nèi)部的缺陷大小、形狀、深度、傾斜角、表面粗糙度、內(nèi)部填充物、一個大

13、缺陷還是數(shù)個小缺陷的緊密組合等是無法知道的，也即未知數(shù)超過三個。所以從數(shù)學上看，超聲波檢測面臨的是個不定解的問題2。目前超聲波檢測的聲學理論基礎(chǔ)還主要停留在固體中少數(shù)規(guī)則缺陷（如球體、圓柱體、無限槽縫等）對超聲波的反射、固體中的晶粒對超聲波的散射等“正問題”上，仍在解決什么樣的缺陷會產(chǎn)生什么樣的超聲波形的問題上，但超聲波檢測更重要的是根據(jù)已測得的散射情況推斷工件內(nèi)部存在著什么樣的缺陷，這又是一個不可能得到的唯一確定解的“逆問題”，在逆散射的研究方面難度更大，離實際應(yīng)用相差太遠。而且，同一埋藏深度，不同形狀、大小、傾斜度、表面粗糙度的缺陷卻可以產(chǎn)生同樣的回波，所以單憑回波高度是無法區(qū)分這些缺陷的

14、。超聲波檢測需要解決的問題遠比其母體技術(shù)防空雷達復(fù)雜、困難得多，因為后者追尋的目標只是點狀缺陷，而前者卻可能有點狀、線狀、面狀、立體狀和彌散狀等缺陷。綜上所述，當今超聲波檢測技術(shù)仍存在局限性，即無法唯一地確定檢測結(jié)果。這些作為判據(jù)的參數(shù)主要利用的物理量是超聲波的傳播時間和回波的能量。回波的形狀只是一個模糊的經(jīng)驗性的概念，并沒有一個分析被檢對象物理性能的細微變化和不連續(xù)性。所采集到的超聲波可以是反射波、透射波、表面波、散射波等超聲檢測中涉及到的各種波形，特征信息可以是振幅、相位、相位差或者是功率譜、相關(guān)譜、倒頻譜等等。20世紀60年代及更早期的譜分析技術(shù)主要由模擬電子技術(shù)來實現(xiàn)，其設(shè)備體積大且價

15、格昂貴，在歷史上綜觀超聲無損檢測學者，最早在無損檢測中應(yīng)用頻譜分析法可以追溯到上世紀60年代Gericke10用超聲頻譜法對缺陷的性質(zhì)進行分析。進入70年代后，隨著快速傅立葉變換（FFT）算法的出現(xiàn)及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，愈來愈多的譜分析由數(shù)字化設(shè)備完成。功能越來越強，使用越來越方便，設(shè)備的價格也不斷走低，這些都有力地推動超聲無損檢測技術(shù)地發(fā)展。1979年，Newhouse11用頻譜分析提高信噪比。1981年，F(xiàn)itting12對當時超聲頻譜分析進行了總結(jié)。1984年，D.A.Lee13提出了超聲檢測數(shù)據(jù)壓縮和分辨率、噪聲和帶寬之間的關(guān)系。1986年，Amir14對一些頻譜分析方法降低信號疊加

16、的效果進行了討論。J.Sanile在1988年分析了超聲頻譜檢測中的高階統(tǒng)計濾波器的頻率特性；1992年又提出了超聲缺陷檢測的頻譜Bayesian分布方法15。1997年，Cheng16在超聲檢測中第4期蔣志峰等：材料缺陷超聲檢測中譜分析技術(shù)的研究119引入了時頻分析。頻譜分析法實際上打開了無損檢測中應(yīng)用信號處理技術(shù)的大門。進入21世紀后，隨著數(shù)字式計算機和數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，除了常規(guī)的幅域、相域和倒頻域等從各個角度對信號進行的頻譜分析外，還發(fā)展了新的頻譜分析方法，如用于檢測信噪比很低的粗晶材料的分離譜法，基于分離譜法發(fā)展起來的截止頻率法等4，17，。另外，F(xiàn)FT雖迅速方便地實現(xiàn)數(shù)字式頻譜分析

17、的功能，取得革命性的進展，但隨著科技生產(chǎn)的發(fā)展，人們對信號的頻域分析提出更高的要求，希望在某些感興趣的頻率范圍內(nèi)以很高的頻率分辨率進行頻譜分析，這用普通的FFT是難以做到的?；谶@種原因，發(fā)展起來可以“局部細化放大”的Z00MFFT法，這在丹麥BK公司和美國HP公司的新一代處理機上都可以實現(xiàn)。且為在分析信號時可以在不同的頻率上獲得不同的分辨率，還發(fā)展起來小波變換法18。目前有關(guān)報道仍不斷出現(xiàn)。近年來，盡管國內(nèi)外已在實驗室中用頻譜分析法對工件缺陷識別中作了不少研究工作，但仍有許多人對這種古典的信號處理方法在實際工程中的應(yīng)用持消極的態(tài)度。至于其他的信號處理方法，在無損檢測領(lǐng)域幾乎沒有得到較大的發(fā)展

18、，超聲頻譜分析為超聲無損檢測領(lǐng)域注入新的活力，起到一定變革性的作用19。基礎(chǔ)，缺陷定性量是無損檢測首先需要解決的難題7。在超聲探傷中，可以將鋼材中缺陷分為平面型缺陷和體積型缺陷兩大類。一般裂紋、夾層、折疊等屬于平面性缺陷，而氣孔、夾沙、夾渣等屬于體積型缺陷，而用頻譜分析法可對平面型和體積型人工缺陷分類問題作有關(guān)應(yīng)用研究。針對目前國內(nèi)外缺乏較完善基于超聲頻譜金屬材料缺陷特征分類提取的資料，作者進行了深入研究20，在建立人工缺陷樣品基礎(chǔ)上，構(gòu)建典型超聲信號缺陷特征，對頻域上提取的缺陷頻譜特征機理、應(yīng)用方法做相關(guān)的理論分析；并進行實驗研究、分析典型缺陷情況，利用寬頻帶超聲波探傷儀和頻譜分析儀進行超聲

19、波A型信號與頻譜進行分組對比實驗，利用超聲頻譜分析法成功地實現(xiàn)了缺陷的分類，得到自動化超聲檢測時借用軟件信號頻譜分析的重要依據(jù)。另外，碳纖維復(fù)合材料由于具有高強度、高模量和低密度等優(yōu)良性能，目前在軍工和民用等方面的應(yīng)用迅速增長，作為優(yōu)先發(fā)展的新材料領(lǐng)域之一。但由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和制造工藝有不同于普通金屬材料的特殊性，影響材料性能的不僅僅是分層、夾雜、疏松和裂紋等材料宏觀缺陷，還有孔隙，與金屬材料工件中出現(xiàn)的宏觀缺陷不同，其中孔隙是復(fù)合材料中最常見的微小缺陷，評價孔隙的定量指標是孔隙率，材料中孔隙率值若過大會嚴重影響了材料的物理和機械性能21-23。因此，如何保證產(chǎn)品質(zhì)量就成為碳纖維復(fù)合材料材料

20、應(yīng)用的關(guān)鍵課題，而復(fù)合材料孔隙率無損檢測是復(fù)合材料在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的一項重要研究內(nèi)容，是一門較新的、不斷發(fā)展和完善的技術(shù)。僅對復(fù)合材料宏觀缺陷進行無損檢測已不能完全滿足保證復(fù)合材料質(zhì)量的要求，由于孔隙在材料中的分布，形狀及大小是很復(fù)雜的，這就使得對孔隙率的無損檢測十分困難，盡管人們已做了大量的工作，已形成了多種測定孔隙率的方法，但還沒有形成一種可以精確確定復(fù)合材料中孔隙率及孔隙分布的方便的方法。常規(guī)孔隙率的超聲檢測主要根據(jù)時域信息判斷缺陷，信號頻域內(nèi)豐富的信息資源缺乏利用22，24，所以有必要進一步深入研究檢測方法。作者通過對頻域函數(shù)圖譜的識別與分析，采用超聲脈沖反射法，通過對反射信號的頻譜分

21、析，研究了反射信號頻域特征參數(shù)與碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料微孔隙含量之間的關(guān)系25-262.2超聲頻域特征分析應(yīng)用方法與技術(shù)研究超聲波頻域數(shù)字信號處理是數(shù)字寬帶超聲波頻譜分析的必備工具，而超聲波頻域特征的提取識別是頻域分析的目標，在實際超聲波檢測中，材料中的缺陷形狀是各種各樣的，不同的頻譜特征可以用來識別不同的缺陷或結(jié)構(gòu)19，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意見圖1。超聲波探傷時除了確定工件中缺陷的位量和大小外，還應(yīng)盡可能判定缺陷的性質(zhì)，不同性質(zhì)的缺陷危害程度不同，如裂紋就比氣孔、夾渣危害大得多，鋼材中的非金屑夾雜物呈網(wǎng)狀危害就更為嚴重。因此，缺陷定性十分重要，缺陷的定量必須以缺陷的定性為，通過實驗，對獲

22、得的數(shù)據(jù)進行綜合分析研究。研究結(jié)果表明：對于一定的孔隙率下，在超聲有效頻帶內(nèi)，超聲衰減系數(shù)隨頻率的增加基本呈線性增加；同時，超聲衰減斜率與孔隙率之間也存在良好的線性關(guān)系。超聲波經(jīng)孔隙衰減后頻譜形狀發(fā)生了變化，均值120兵器材料科學與工程第32卷頻率也有所下降，同時均值頻率的偏移與孔隙率之間存在著一定的線性關(guān)系。以上這些關(guān)系為碳纖維復(fù)合材料孔隙率的超聲頻譜檢測法提供了兩種不同的思路和實用的測試方法，通過數(shù)學建模，在實驗分析的基礎(chǔ)上，建立起基于超聲特征信號頻域分析的孔隙率檢測數(shù)學模型和經(jīng)驗公式。12FittingDW，AdlerLUltrasonicspectralanalysisfornonde

23、-structiveevaluationMNewYork：PlenumPress，198113LeeDA，CraneRLApracticalmethodforviewingresolu-tionnoisebandwidthtradeoffsinNDEdatareductionC/ReviewofprogressinquantitativenondestructiveevaluationNewYork：Plenum，1984：907-91514AmirI，BilgutayNM，NewhouseVLAnalysisandcompari-3結(jié)束語譜分析在超聲無損檢測的用途十分廣泛，且由于各種譜分析技

24、術(shù)均有十分有效的快速算法，因此它在超聲無損檢測的工業(yè)應(yīng)用與智能設(shè)備的開發(fā)工作中有廣泛發(fā)展前途，信號處理與信號頻域分析用于超聲檢測，作為現(xiàn)有檢測工藝的基本和有用的延伸，譜分析技術(shù)是超聲檢測自動檢測中不可缺少的工具，但到目前為止，這些相關(guān)研究在我國國內(nèi)還只是處于起步階段。譜分析技術(shù)將促進了超聲無損檢測的發(fā)展，使得缺陷識別的方法有了長足的進步。sonofsomefrequencycompoundingalgorithmsforthere-ductionofultrasonicclutterJIEEETransUFFC，1986，33（4）：402-41115SanileJ，WangTao，JinXi

25、aomeiPerformanceevaluationoffrequencydiverseBayesianultrasonicflawdictionJJAcoustSocAm.，1992，91（4）：2034-204116ChengTH，ChenCHSignalprocessinginultrasonicNDEusingtimefrequencyrepresentationsC/ProceedingsofSPIE，InternationalConferenceonExperimentalMechanicsBellinghamWA：SPIE，1997：319-32417劉鎮(zhèn)清增強超聲探傷信號的分離

26、譜處理方法J無損檢測，2001，23（5）：132-135，13818劉鎮(zhèn)清超聲無損檢測與評價中的信號處理及模式識別J無損檢測，2001，23（1）：31-34，4219蔣志峰，劉繼忠，周曉軍超聲檢測系統(tǒng)數(shù)字頻譜特性分析及應(yīng)用J機床與液壓，2005（1）：121-12320蔣志峰基于工件結(jié)構(gòu)參數(shù)的超聲頻譜特征的構(gòu)造及識別J新技術(shù)新工藝，2005（2）：31-3221張立功，張佐光先進復(fù)合材料中主要缺陷分析J玻璃鋼/復(fù)合材料，2001（2）：42-4522BirtEA，SmithRAAreviewofNDEmethodsforporosity4參考文獻1耿榮生新千年的無損檢測技術(shù)從羅馬會議看無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向J無損檢測，2001，23（1）：2-52仲維暢超聲波探傷技術(shù)的局限性和可靠性J無損探傷，1996，18（3）：65-673劉鎮(zhèn)清，劉驍超聲無損檢測在若干新進展J無損檢測，2000，22（9）：403-4074羅雄彪，陳鐵群超聲無損檢測的發(fā)展趨勢J無損檢測，2005，27（3）：148-1525方遠超聲無損檢測技術(shù)的新發(fā)展J材料工程，2005（2）：measurementinfibrereinforcedpo