基于無損檢測的激光超聲信號分析

劉鵬 鄭賓

【摘要】本文采用了移動線光源掃描技術建立了檢測激光超聲的實驗系統，對實驗中探頭與金屬邊界距離不同的超聲表面波提取出幅度、頻譜等信息;通過理論分析及實驗數據的驗證，得到金屬邊界反射對這些參數的影響。該文的研究成果為金屬表面缺陷無損檢測時邊界反射對檢測的影響提供有效的說明。

【關鍵詞】表面波;缺陷檢測;掃描激光線源技術;激光超聲;邊界反射

1.引言

鋁合金是現代工業中應用最為廣泛的一種有色金屬結構材料。在飛機制造、造船、汽車制造等重工業領域，用鋁合金代替傳統工藝上的鋼或者鑄鐵，能有效減輕構件重量，提高構件的結構強度和散熱性能[1]。在家用電器、建筑材料等輕工業領域，鋁合金的用途也非常廣泛。但是，在將鋁合金材料生產成各種零配件的制造過程中，有可能因為材料本身有缺陷，或者生產工藝和環境影響等因素使得零件產生缺陷，若不及時發現并排除，將引發產品質量問題，甚至給人員和財產安全造成重大損失[2]。為了不破壞材料構件原來的形狀，不改變其使用性能，采用無損檢測方法對鋁合金材料進行缺陷檢測是很重要的。

采用激光超聲技術對缺陷進行檢測，具有很多優點：可實現非接觸的激發和測量;頻帶寬;適用材料的范圍很廣;當工作于熱彈機制下能實現非破壞性無損檢測;受表面狀況影響小，測量準確度和分辨能力都很高[3];激光激發的聲表面波尤其是沿表面傳播的瑞利波（RyaelihgWave）具有激發效率高，衰減小和易于檢測等優點，便于用來對缺陷進行檢測和定位，具有顯著的優勢。

2.理論體系

2.1 小波基的選擇

直接針對幾種特定的小波基，對這些小波基在工程應用中的效果進行評估，以此選出最優者。該方法理論聯系實際，可操作性較高。本文通過以下幾方面來比較各種小波性質以及它們在實際信號處理方面的效果差異，以此判斷小波的實用性，并作為選擇小波基的理論依據。

（1）支撐長度：與時頻局部化能力有關;

（2）對稱性：能避免或減少相位失真;

（3）正則性：有利于重構的信號和圖像獲得較好的平滑效果;

（4）消失矩：對小波在信號壓縮、信號降噪、信號奇異性檢測等方面的應用極為重要;

（5）是否存在尺度函數;

（6）是否具有正交性。

對幾種常見小波函數的比較如表1所示：

表1 幾種常見小波函數的比較

小波函數 緊支正交 任意階數失矩 尺度函數存在 正交分析 準確重構 對稱性 快速算法

haar 是 是 是 是 有

mexh 是

morl 是

DBN 是 是 是 是 是 有

symN 是 是 是 是 是 有

由表1可知，mexh小波和morl小波雖然具有對稱性，但不具備緊支性和正交性，也沒有快速算法;Haar小波在緊支正交、尺度函數和快速算法等方面雖然都符合要求，但它時域非連續，只適用于理論研究;DB小波和sym小波雖不具備對稱性，但其在緊支性、正交性等方面都優于前三種小波，同時具備快速算法，可以用軟件實現對檢測信號的小波快速分解和快速重構。sym小波是對DB小波的改進，在對稱性方面優于DB小波，采用sym系小波對信號進行快速分解后重構信號與原始信號的誤差小于采用DB系小波所得的結果，因此在超聲波信號處理方面sym小波效果更好。本文對含噪超聲檢測回波信號，分別采用sym系小波中的不同小波函數對其進行分析，經過多次比較，發現sym8小波在保留信號高頻細節成分上優于其它sym小波，這一優點在提高缺陷檢出率方面將大有作為，因此本文確定以sym8小波作為小波基。

2.2 尺度的確定

小波分析理論表明，小波分解過程實質上是一種迭代過程，理論上可以無限進行。小波分解的層次越多，信號的高低頻部分就分解得越徹底，但同時也會導致計算量加大[4]。在小波的每次分解過程中都會對所得到的信號進行二次采樣，使得系數的長度變為上一層系數長度的二分之一，當分解到第七層之后，系數的長度值已變為1，再分解下去將失去實際意義。為了確定具體的分解尺度，本文采用sym8小波對圖所示的超聲檢測回波信號進行測試，發現當尺度取6時，既能有效的去除信號中的無用成分，相對其它尺度又最完整的保留了有用成分，對于鋁合金板材超聲檢測缺陷回波信號的處理，顯然該尺度是最為合適的。因此本文最終確定的分解尺度為 6。

3.實驗設計

本實驗系統原理圖如圖1所示。

圖1 激光超聲表面缺陷檢測系統原理圖

激光超聲表面缺陷檢測實驗系統實物圖如圖2所示，本文研究中，在滿足表面缺陷檢測機理研究的前提下，考慮實現的難易程度、是否連續可調及裝置成本等綜合因素，納秒級激光器選用了德國INNOLAS公司的Spitlight Compact 200激光器，激光空間調制裝置采用了易調節的聚焦透鏡，完全滿足本文的研究需求。其中，激光器的波長1064nm，激光脈沖能量70mJ-220mJ，脈沖寬度為8ns，激光聚焦透鏡的中心波長為1064nm，衍射極限為0.5mm。

圖2 激光超聲表面缺陷檢測實驗系統

激勵源和探頭距離差保持不變且同處于裂紋的右側，激勵源光斑直徑為0.9mm，缺陷規格0.1*0.9mm，采樣率200MHz，采樣時間100us，參考位置0%，裂紋在探頭的左側，探頭距離激勵源恒為15.5mm;探頭距離右側鋁板邊界分別為70mm、80mm、90mm的位置，采用中心頻率為2 MHz、帶寬為2MHz的表面波探頭進行表面波信號的檢測，也就是“掃描法”，探頭方向背離缺陷，指向鋁板右邊界。圖4為探頭距鋁板右邊界即檢測距離為90mm時的結果圖。圖4中上圖為時域波形，可以看到時域波形中主要有①、②、③三個波峰，下圖為頻域圖，可以看到主要有兩個主要頻率峰值Ⅰ、Ⅱ。實驗中為減少實驗誤差，保證后續分析的可靠性，在每一個檢測距離下，均記錄了3組實驗數據。

4.實驗結果與分析

實驗得到的數據經過小波降噪并進行頻譜分析后得到圖4經實驗觀察發現：圖4時域圖中的①、②、③三個波峰所到達的時間、幅值，隨著檢測距離的改變，均發生規律性的變化;頻域圖中兩個主要頻率峰值Ⅰ、Ⅱ之比也隨檢測距離的改變發生規律性的變化。為定量的分析這些變化所表征的試件參數，將實驗結果處理后統計了如下數據：（1）不同檢測距離下①、②、③三個波峰所到達的時間，統計由檢測距離改變引起的相同類型波峰（①/②/③）之間的時間差，及相同檢測距離下不同類項波峰之間的時間差，結果如表1所示;（2）不同檢測距離下，波峰②幅值的變化，結果如圖3所示;（3）不同檢測距離下，頻域峰值Ⅰ、Ⅱ的變化，結果如圖3所示。

不同檢測距離下①、②、③三個波峰所到達的時間，統計由檢測距離改變引起的相同類型波峰（①/②/③）之間的時間差，結果如表2所示。

結果分析：由表2統計的數據發現，在檢測距離為90mm、80mm、70mm時，波峰①的到達時間分別為13.55us、13.54us、14.46us，基本不變，這是由于探頭到激勵源的距離為一定值，所以波峰①到達時間應為一穩定值，波峰①應該是激勵源激勵出的表面波首先傳到接收探頭所得到的波形，第三組數據與前兩組相差較大是因為移動探頭時的細微誤差引起的。

波峰②、③的到達時間隨著探頭距離鋁板右邊沿的距離的減少而均出現一致的減少，波峰②到達的平均時間分別為64.14us、58.04us、50.61us，隨著探頭距離鋁板邊界的距離減小而減小，波峰③到達時間也相應的減小兩者均符合預測。當檢測距離變化了90-80=10mm時，波峰②到達的時間差為64.14-58.04=6.1us，計算波峰②傳播的速度為3305.7m/s;當檢測距離變化了80-70=10mm時，波峰②到達的時間差為58.04-50.61=7.43us，計算波峰②傳播速度為2691.7m/s，當檢測距離變化90-70=20mm時，波峰②到達的時間差為64.14-50.61=13.53us，計算波峰②傳播的速度為2956.4m/s。前兩組速度的計算值與第三組的計算值差距很大的原因是人為誤差引起的。根據查閱文獻得到的資料，鋁板中表面波傳播的速度為2970m/s，考慮試驗中的測量誤差，波峰②的傳播速度非常接近于表面波傳播速度，說明波峰②是由鋁板上表面反射的表面波引起的。

統計發現檢測距離為70mm、90mm時，波峰③與波峰②的時間差非常接近，平均值為5.58us，可能與鋁板厚度8mm有關，這里做如下假設：如圖5所示，激光致聲后，產生表面波傳遞到鋁板右邊沿后又傳到了鋁板底面后發生反射有一部分傳遞到上表面，沿著上表面再次傳遞到探頭，此時波峰③與②之間的時間差應該是鋁板厚度8mm的2倍16mm，以此來計算速度：16mm/5.58us=2867.4m/s與表面波速度大小相近，但較表面波速度要小一些，這與猜想基本相符。

圖4

聲表面波的振幅強度隨距離表面的深度增加而迅速衰減。在彈性體材料中，縱波和橫波相互獨立分別以不同的速度傳播，而表面Rayleihg波是縱波與橫波模式在材料表面相互藕合的結果，Ryaelihg波的傳播速度比橫波的速度約慢5到13%。由于表面波的能量主要集中在表面附近傳播，且具有無色散、不易衰減等特征，特別適用于材料表面缺陷的檢測。

5.結論

本文采用Ryaleihg波探測表面缺陷主要基于其在表面缺陷區域發生的熱彈機理，通過分析表面波位移信號的振幅與相位信息及頻譜成分的變化等特征信息，驗證了信號沿邊界反射。通過小波降噪后能很好的對原始信號進行降噪處理，簡化了實驗數據的分析。

參考文獻

[1]索會迎.超聲波無損檢測技術應用研究[D].南京郵電大學，2012.

[2]王迅，金萬平，張存林，沈京玲，郭廣平，楊黨綱，吳東流，李建偉，郭興旺.紅外熱波無損檢測技術及其進展[J].無損檢測，2004，10：497-501.

[3]羅雄彪，陳鐵群.超聲無損檢測的發展趨勢[J].無損檢測，2005，03：148-152.

[4]沈功田.中國無損檢測與評價技術的進展[J].無損檢測，2008，11：787-793.

作者簡介：

劉鵬（1989—），男，遼寧調兵山人，中北大學碩士研究生在讀，研究方向：動態測試與智能儀器。

鄭賓，中北大學教授。