材料超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)

郭立偉 李佳恒 周昊 趙書逸

摘要：在如今的超聲無損檢測中，數(shù)字信號處理技術(shù)是其中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，該技術(shù)不僅可以更加精確地對材料進行檢測，而且運用這種技術(shù)，可以提高超聲信號分析的可靠性。所以，超聲無損評價最核心的部分就是超聲信號的處理與分析。本文在MATLAB的基礎(chǔ)上搭建了一個材料超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有信號采集、信號分析處理以及信號圖譜繪制等功能，可以在不同的分析域中對超聲信號進行分析。

關(guān)鍵詞：超聲無損評價;信號處理;分析域

1 超聲信號處理與分析系統(tǒng)

為了將超聲無損檢測和評價結(jié)合起來，使之容易被實現(xiàn)，本文基于MATLAB搭建一個材料超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有信號采集、處理、分析等功能，可以實現(xiàn)對材料的缺陷識別和材料的性能評價。MATLAB意為矩陣實驗室，是一種建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上面向科學與工程計算的高級計算機語言

1.1 信號處理與分析系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目的，在開發(fā)此系統(tǒng)時，首先要建立一個原型，即要先建立一個系統(tǒng)的框架，用來說明該系統(tǒng)的主要功能。該系統(tǒng)的整體框架主要可以分為兩個部分：一為人機交互層，二為超聲信號處理與分析層。

1.2 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

（1） 硬件環(huán)境：本系統(tǒng)是基于MATLAB進行開發(fā)，所以只需要選擇可以運行MATLAB的計算機即可。根據(jù)超聲檢測的對象的不同以及檢測的要求，要對選擇的計算機設(shè)備做出相應(yīng)的調(diào)整。

CPU：Intel Core i5-5200u

內(nèi)存：4GB

系統(tǒng)類型：64位操作系統(tǒng)，基于x64的處理器

硬盤容量：128G

（2）軟件環(huán)境：文件分配系統(tǒng)采用了如今主流的NTFS，以MATLAB 作為開發(fā)工具對該信號處理分析系統(tǒng)進行開發(fā)。超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)的最重要的功能就是對超聲回波信號進行分析。

2 高鉻鑄鐵回波信號頻域分析原理

在對高鉻鑄鐵試樣回波信號進行分析時，主要采用的分析方法是頻域分析法。在本實驗中，采用了幅度譜、相位譜以及功率譜對高鉻鑄鐵試樣的回波信號進行分析。

（1）幅度譜

序列x（n）的點長記為N，對該序列進行離散傅里葉變換并且將其數(shù)值變成復數(shù)，幅度譜中常采用對數(shù)坐標201g|X（k）|對幅度值進行表示，其縱坐標的單位為分貝，模1相當于0分貝，20分貝代表十倍的增益，-20分貝對應(yīng)衰減0.1。由于幅度譜是偶對稱的圖形，所以在使用時只需要一半即可。

（2）相位譜

相位譜用來表示不同材料對不同超聲波的滯后效應(yīng)。相位譜在含有大量地有關(guān)材料的信息。

（3）功率譜

功率譜反映了超聲信號的能量的頻率分布。實驗中采用的功率譜參量主要為峰值頻率和中心頻率。

2.1 實驗過程與分析

實驗采用5MHz的縱波探頭發(fā)射脈沖超聲波對經(jīng)過不同的熱處理的試樣進行超聲無損檢測。采集超聲波脈沖回波信號并且使用超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)在頻域中對其進行分析。

通過對高鉻鑄鐵試樣進行不同的熱處理得到不同的時域波形圖，并且對試樣超聲檢測的一次回波、二次回波以及其中A段的時域波形進行了頻譜分析，得出了這幾段波形的中心頻率和峰值頻率。

頻譜圖反映了超聲能量的分布。根據(jù)不同的試樣所得到的不同的頻譜圖，可以得到超聲波在不同的組織中的聲衰減不同。從表2-1中可以得到：在試樣A、B、C中，試樣空冷處理時，回波信號的峰值頻率最高，試樣爐冷處理時，回波信號的峰值頻率最低。試樣F與試樣G相比較，淬火溫度為1000℃時超聲回波的峰值頻率最高，試樣進行回火后，峰值頻率有所下降。

高鉻鑄鐵經(jīng)過淬火處理之后，根據(jù)淬火溫度的不同，對比試樣，可以得到高鉻鑄鐵的組織的峰值頻率和聲速的變化規(guī)律相反，并且由于各個試樣的淬火溫度有區(qū)別，導致馬氏體的含量也有所區(qū)別，原來組織中的晶粒會被這些形成的馬氏體打碎，使原來的晶粒尺寸變小，這會導致功率譜的峰值頻率增大。并且由于馬氏體自身的性質(zhì)就是硬度高，所以不同的熱處理方式對高鉻鑄鐵的硬度有影響。

4 結(jié)論

基于MATLAB搭建一個材料超聲無損評價信號處理與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)把信號處理、圖譜繪制等功能集成在一起。通過這些經(jīng)典的分析方法可以實現(xiàn)對材料的超聲無損評價信號的處理與分析。利用該系統(tǒng)對高鉻鑄鐵進行超聲無損評價。高鉻鑄鐵熱處理的方式不同，影響高鉻鑄鐵中馬氏體的析出，而馬氏體的析出會破壞高鉻鑄鐵原本的晶粒，導致其散射體的晶粒尺寸也發(fā)生了變化，致使其頻譜有所區(qū)別。

參考文獻：

[1]張家駿.超聲檢測技術(shù)的某些進展[J].無損檢測，1993，15（11）：324-327.

[2]李孟喜，林莉.超聲波頻譜分析技術(shù)[J].大連：大連理工大學材料工程系NDT教研室.

作者簡介：郭立偉，女，1971年3月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，博士研究生學位，單位：哈爾濱理工大學材料學院，職稱：教授，單位郵編：150000。研究方向：材料科學與工程超聲無損檢測

作者簡介：李佳恒，男，1999年5月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，本科學歷，在讀：哈爾濱理工大學材料學院。研究方向：材料科學與工程超聲無損檢測

作者簡介：周昊，男，20000年2月出生，籍貫黑龍江哈爾濱，本科學歷，在讀：哈爾濱理工大學材料學院。研究方向：材料科學與工程超聲無損檢測

作者簡介：趙書逸，男，1999年6月.出生，籍貫黑龍江省黑河市，本科學歷，在讀：哈爾濱理工大學材料學院。研究方向：材料科學與工程超聲無損檢測

哈爾濱理工大學材料學院 黑龍江 哈爾濱 150080