基于无损检测的激光超声信号分析

刘鹏 郑宾

【摘要】本文采用了移动线光源扫描技术建立了检测激光超声的实验系统，对实验中探头与金属边界距离不同的超声表面波提取出幅度、频谱等信息;通过理论分析及实验数据的验证，得到金属边界反射对这些参数的影响。该文的研究成果为金属表面缺陷无损检测时边界反射对检测的影响提供有效的说明。

【关键词】表面波;缺陷检测;扫描激光线源技术;激光超声;边界反射

1.引言

铝合金是现代工业中应用最为广泛的一种有色金属结构材料。在飞机制造、造船、汽车制造等重工业领域，用铝合金代替传统工艺上的钢或者铸铁，能有效减轻构件重量，提高构件的结构强度和散热性能[1]。在家用电器、建筑材料等轻工业领域，铝合金的用途也非常广泛。但是，在将铝合金材料生产成各种零配件的制造过程中，有可能因为材料本身有缺陷，或者生产工艺和环境影响等因素使得零件产生缺陷，若不及时发现并排除，将引发产品质量问题，甚至给人员和财产安全造成重大损失[2]。为了不破坏材料构件原来的形状，不改变其使用性能，采用无损检测方法对铝合金材料进行缺陷检测是很重要的。

采用激光超声技术对缺陷进行检测，具有很多优点：可实现非接触的激发和测量;频带宽;适用材料的范围很广;当工作于热弹机制下能实现非破坏性无损检测;受表面状况影响小，测量准确度和分辨能力都很高[3];激光激发的声表面波尤其是沿表面传播的瑞利波（RyaelihgWave）具有激发效率高，衰减小和易于检测等优点，便于用来对缺陷进行检测和定位，具有顯著的优势。

2.理论体系

2.1 小波基的选择

直接针对几种特定的小波基，对这些小波基在工程应用中的效果进行评估，以此选出最优者。该方法理论联系实际，可操作性较高。本文通过以下几方面来比较各种小波性质以及它们在实际信号处理方面的效果差异，以此判断小波的实用性，并作为选择小波基的理论依据。

（1）支撑长度：与时频局部化能力有关;

（2）对称性：能避免或减少相位失真;

（3）正则性：有利于重构的信号和图像获得较好的平滑效果;

（4）消失矩：对小波在信号压缩、信号降噪、信号奇异性检测等方面的应用极为重要;

（5）是否存在尺度函数;

（6）是否具有正交性。

对几种常见小波函数的比较如表1所示：

表1 几种常见小波函数的比较

小波函数 紧支正交 任意阶数失矩 尺度函数存在 正交分析 准确重构 对称性 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小波虽然具有对称性，但不具备紧支性和正交性，也没有快速算法;Haar小波在紧支正交、尺度函数和快速算法等方面虽然都符合要求，但它时域非连续，只适用于理论研究;DB小波和sym小波虽不具备对称性，但其在紧支性、正交性等方面都优于前三种小波，同时具备快速算法，可以用软件实现对检测信号的小波快速分解和快速重构。sym小波是对DB小波的改进，在对称性方面优于DB小波，采用sym系小波对信号进行快速分解后重构信号与原始信号的误差小于采用DB系小波所得的结果，因此在超声波信号处理方面sym小波效果更好。本文对含噪超声检测回波信号，分别采用sym系小波中的不同小波函数对其进行分析，经过多次比较，发现sym8小波在保留信号高频细节成分上优于其它sym小波，这一优点在提高缺陷检出率方面将大有作为，因此本文确定以sym8小波作为小波基。

2.2 尺度的确定

小波分析理论表明，小波分解过程实质上是一种迭代过程，理论上可以无限进行。小波分解的层次越多，信号的高低频部分就分解得越彻底，但同时也会导致计算量加大[4]。在小波的每次分解过程中都会对所得到的信号进行二次采样，使得系数的长度变为上一层系数长度的二分之一，当分解到第七层之后，系数的长度值已变为1，再分解下去将失去实际意义。为了确定具体的分解尺度，本文采用sym8小波对图所示的超声检测回波信号进行测试，发现当尺度取6时，既能有效的去除信号中的无用成分，相对其它尺度又最完整的保留了有用成分，对于铝合金板材超声检测缺陷回波信号的处理，显然该尺度是最为合适的。因此本文最终确定的分解尺度为 6。

3.实验设计

本实验系统原理图如图1所示。

图1 激光超声表面缺陷检测系统原理图

激光超声表面缺陷检测实验系统实物图如图2所示，本文研究中，在满足表面缺陷检测机理研究的前提下，考虑实现的难易程度、是否连续可调及装置成本等综合因素，纳秒级激光器选用了德国INNOLAS公司的Spitlight Compact 200激光器，激光空间调制装置采用了易调节的聚焦透镜，完全满足本文的研究需求。其中，激光器的波长1064nm，激光脉冲能量70mJ-220mJ，脉冲宽度为8ns，激光聚焦透镜的中心波长为1064nm，衍射极限为0.5mm。

图2 激光超声表面缺陷检测实验系统

激励源和探头距离差保持不变且同处于裂纹的右侧，激励源光斑直径为0.9mm，缺陷规格0.1*0.9mm，采样率200MHz，采样时间100us，参考位置0%，裂纹在探头的左侧，探头距离激励源恒为15.5mm;探头距离右侧铝板边界分别为70mm、80mm、90mm的位置，采用中心频率为2 MHz、带宽为2MHz的表面波探头进行表面波信号的检测，也就是“扫描法”，探头方向背离缺陷，指向铝板右边界。图4为探头距铝板右边界即检测距离为90mm时的结果图。图4中上图为时域波形，可以看到时域波形中主要有①、②、③三个波峰，下图为频域图，可以看到主要有两个主要频率峰值Ⅰ、Ⅱ。实验中为减少实验误差，保证后续分析的可靠性，在每一个检测距离下，均记录了3组实验数据。

4.实验结果与分析

实验得到的数据经过小波降噪并进行频谱分析后得到图4经实验观察发现：图4时域图中的①、②、③三个波峰所到达的时间、幅值，随着检测距离的改变，均发生规律性的变化;频域图中两个主要频率峰值Ⅰ、Ⅱ之比也随检测距离的改变发生规律性的变化。为定量的分析这些变化所表征的试件参数，将实验结果处理后统计了如下数据：（1）不同检测距离下①、②、③三个波峰所到达的时间，统计由检测距离改变引起的相同类型波峰（①/②/③）之间的时间差，及相同检测距离下不同类项波峰之间的时间差，结果如表1所示;（2）不同检测距离下，波峰②幅值的变化，结果如图3所示;（3）不同检测距离下，频域峰值Ⅰ、Ⅱ的变化，结果如图3所示。

不同检测距离下①、②、③三个波峰所到达的时间，统计由检测距离改变引起的相同类型波峰（①/②/③）之间的时间差，结果如表2所示。

结果分析：由表2统计的数据发现，在检测距离为90mm、80mm、70mm时，波峰①的到达时间分别为13.55us、13.54us、14.46us，基本不变，这是由于探头到激励源的距离为一定值，所以波峰①到达时间应为一稳定值，波峰①应该是激励源激励出的表面波首先传到接收探头所得到的波形，第三组数据与前两组相差较大是因为移动探头时的细微误差引起的。

波峰②、③的到达时间随着探头距离铝板右边沿的距离的减少而均出现一致的减少，波峰②到达的平均时间分别为64.14us、58.04us、50.61us，随着探头距离铝板边界的距离减小而减小，波峰③到达时间也相应的减小两者均符合预测。当检测距离变化了90-80=10mm时，波峰②到达的时间差为64.14-58.04=6.1us，计算波峰②传播的速度为3305.7m/s;当检测距离变化了80-70=10mm时，波峰②到达的时间差为58.04-50.61=7.43us，計算波峰②传播速度为2691.7m/s，当检测距离变化90-70=20mm时，波峰②到达的时间差为64.14-50.61=13.53us，计算波峰②传播的速度为2956.4m/s。前两组速度的计算值与第三组的计算值差距很大的原因是人为误差引起的。根据查阅文献得到的资料，铝板中表面波传播的速度为2970m/s，考虑试验中的测量误差，波峰②的传播速度非常接近于表面波传播速度，说明波峰②是由铝板上表面反射的表面波引起的。

统计发现检测距离为70mm、90mm时，波峰③与波峰②的时间差非常接近，平均值为5.58us，可能与铝板厚度8mm有关，这里做如下假设：如图5所示，激光致声后，产生表面波传递到铝板右边沿后又传到了铝板底面后发生反射有一部分传递到上表面，沿着上表面再次传递到探头，此时波峰③与②之间的时间差应该是铝板厚度8mm的2倍16mm，以此来计算速度：16mm/5.58us=2867.4m/s与表面波速度大小相近，但较表面波速度要小一些，这与猜想基本相符。

图4

声表面波的振幅强度随距离表面的深度增加而迅速衰减。在弹性体材料中，纵波和横波相互独立分别以不同的速度传播，而表面Rayleihg波是纵波与横波模式在材料表面相互藕合的结果，Ryaelihg波的传播速度比横波的速度约慢5到13%。由于表面波的能量主要集中在表面附近传播，且具有无色散、不易衰减等特征，特别适用于材料表面缺陷的检测。

5.结论

本文采用Ryaleihg波探测表面缺陷主要基于其在表面缺陷区域发生的热弹机理，通过分析表面波位移信号的振幅与相位信息及频谱成分的变化等特征信息，验证了信号沿边界反射。通过小波降噪后能很好的对原始信号进行降噪处理，简化了实验数据的分析。

参考文献

[1]索会迎.超声波无损检测技术应用研究[D].南京邮电大学，2012.

[2]王迅，金万平，张存林，沈京玲，郭广平，杨党纲，吴东流，李建伟，郭兴旺.红外热波无损检测技术及其进展[J].无损检测，2004，10：497-501.

[3]罗雄彪，陈铁群.超声无损检测的发展趋势[J].无损检测，2005，03：148-152.

[4]沈功田.中国无损检测与评价技术的进展[J].无损检测，2008，11：787-793.

作者简介：

刘鹏（1989—），男，辽宁调兵山人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。

郑宾，中北大学教授。