基于LFM的橡胶脱粘超声检测方法研究

2021-04-24侯大伟王雪梅倪文波

中国测试 2021年2期

侯大伟，王雪梅，倪文波

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

空气弹簧作为动车组转向架悬挂系统的二系悬挂装置，具有支撑车体、缓冲冲击等作用。在列车运行过程中常受到复杂动态载荷冲击，其内部金属橡胶粘接结构易发生橡胶脱粘缺陷，威胁列车运行安全。现阶段主要采用人工目测和敲打法对空气弹簧进行定期检修，缺乏对工件内部橡胶粘接状态的有效检测手段。超声波检测法是铁路上广泛应用的无损检测方法，其利用超声波入射到不同声阻抗介质界面时发生差异反射的特性，分析对比回波差异来判定缺陷的位置和形状[1]。但对于SYS510e型空气弹簧的金属橡胶粘接结构，金属介质的声阻抗特性远大于橡胶与空气介质，超声波在橡胶粘接完好与脱粘界面的反射回波幅值差异较小，直接比较回波幅值差异很难辨别橡胶的粘接状态。为了获取粘接界面更多的时频特征信息，需对橡胶超声检测的激励技术和特征提取方法进行研究。

传统超声激励通常采用单一频率的脉冲信号。在激励电压不变时，超声波随激励脉冲周期数增多，能量增大，但频域宽度变窄[2]，即超声激励信号的能量与频域宽度存在矛盾。近年来，研究者利用编码激励技术把Golay码、Barker码、Chirp、伪Chirp信号等作为超声激励信号，增加超声激励信号的时宽带宽特性，减小超声检测的旁瓣干扰，从而提高检测分辨率[3-5]。编码激励技术已广泛运用于医学超声成像、不锈钢焊缝检测等领域，具有增强超声检测、获取更多时频特征的效果[6]。

基于此，本文研究了一种改进的线性调频信号(improved linear frequency modulation, ILFM)作为超声脱粘检测的激励信号，能改善超声波信号能量与频域宽度之间的矛盾，在获得较宽频域带宽的同时，还提高了超声信号能量。通过对ILFM超声检测回波进行小波包和奇异值分析，选取频域中奇异值差异较大项作为橡胶脱粘辨识特征值。与传统的橡胶脱粘超声检测方法相比，这种采用ILFM激励结合小波包-奇异值分析的方法，对超声回波信号进行稳定的宽频带解析，能提取丰富的频域辨识特征，实现橡胶脱粘的超声检测。

1 线性调频超声激励

线性调频脉冲信号(linear frequency modu-lation,LFM)是一种频率线性变化的脉冲串信号，与传统脉冲信号相比，LFM脉冲可通过调节信号的带宽与时宽参数改变其频率的变化范围和持续时间长短。信号的时域表达式可以表示为[7]：

式中：f0——信号中心频率；

K——线性调频变化率，K=B/T；

B、T——信号的带宽和时宽。

实验所用的中心频率为2.5 MHz的超声探头的幅频特性曲线见图1，实际测定的中心频率约为3.0 MHz，-3 dB带宽约为2.7 MHz，-6 dB带宽约为3.8 MHz。选择中心频率f0=3.0 MHz的单周期正弦脉冲、四周期正弦脉冲和带宽B=3.8 MHz的LFM脉冲做比较，其时域波形和能量对比见图2。用这3种脉冲激励探头得到的超声波信号功率谱见图3。

图 1 实验超声探头的频率特性

图 2 3种激励脉冲的时域波形及其能量对比

图 3 3种激励脉冲下的超声回波功率谱对比

由图2和图3可知，在3种激励脉冲的中心频率f0相同、四周期正弦脉冲和LFM脉冲持续时间1.33 μs相同、激励电压也相同的情况下，LFM脉冲较传统单一频率的正弦脉冲具有更高信号能量，用它激励超声探头能得到更宽频率范围的超声波信号。

可以看到，脉冲激励得到的超声波频带分布受超声探头本身频率特性的制约，超声信号能量由中心频率向低高频两侧发生衰减。为了补偿频带在低高频部分的衰减特性，使产生的超声信号在探头的-6 dB带宽内获得大致均等的能量分布，可利用超声探头的幅频特性曲线对LFM脉冲的低频和高频部分进行幅值加权，加权系数为探头频谱幅值倒数，随频谱功率增加而减小。补偿后的激励脉冲ILFM波形和相应的超声回波信号频谱如图4所示。可以看到，通过对LFM激励信号进行时域波形补偿，提高了边缘能量，改善了频谱衰减，获得了更宽的信号频带和更大的信号能量。为实现更宽频率范围的粘接界面特征分析和提取创造了条件。

图 4 ILFM激励脉冲波形和相应的超声回波功率谱图

2 空气弹簧结构

动车组SYS510e型空气弹簧由上盖板、橡胶囊、下盖板、辅助弹簧、底座等组成[8]，其结构和实物图分别如图5和图6所示。橡胶脱粘缺陷常发生在承载复合冲击的金属底座与辅助橡胶堆之间的粘接界面。空气弹簧底座环宽为180 mm，金属厚度为10 mm。硫化橡胶均匀覆盖底板。实验时沿底板橡胶边沿设置长为100 mm的人造橡胶脱粘缺陷区域进行对比。为研究橡胶脱粘的形状和轮廓对超声检测的影响，同时在实验室制作了相同材质、相同结构的金属橡胶粘接试件进行超声检测精度对比，试件从左至右设置5种脱粘缺陷：R5 mm圆形缺陷，1 mm×20 mm、20 mm×20 mm、5 mm×20 mm方形缺陷和30 mm×60 mm纯金属区域。其结构如图7所示。采用超声探头(2.5P10)对空气弹簧进行单发单收式超声回波检测。根据金属板厚度10 mm，设定ILFM脉冲的中心频率为f0=3.0 MHz，时宽T=3 μs，带宽B=3.8 MHz。超声检测回波见图8。

图 5 SYS510e型空气弹簧结构示意图（单位：mm）

图 6 SYS510e型空气弹簧实物图（测试时倒置）

图 7 金属橡胶粘接试件示意图（单位：mm）

图 8 两种粘接状态的时域超声回波波形图

3 辨识特征值提取

3.1 小波包分解

小波包分解是一种建立在频域上的自适应匹配分解算法，按照超声波信号的频率分布范围对回波进行全频带的二进制式细分[9]，从而得到多节点的频域解析信号，获取超声波回波时频能量分布。

对SYS510e型空气弹簧底板的橡胶粘接完好状态下检测得到的超声回波进行5层小波包分解，如图9所示；表1是4种不同激励信号作用下小波包节点频率范围分布比较。其中，小波包节点共32个，采样频率为20 MHz，单节点频带宽度为0.312 5 MHz，以ILFM激励的超声回波能量作为相对能量基准，图9中只显示出能量大于2%的节点。

图 9 4种激励脉冲作用下的超声回波小波包分解频谱图

表 1 4种激励脉冲下超声回波的频率范围分布比较

由表1可知，超声回波的频率范围受超声探头的-3 dB带宽频谱限制。ILFM激励脉冲的超声波具有最大的信号能量和最宽的频率带宽2.5 MHz。采用ILFM激励信号对橡胶脱粘与粘接完好两种状态各进行100组（共200组）的超声回波检测，其回波的小波包分解结果如图10所示。

图 10 200组ILFM激励下的两种粘接状态的小波包分解图

在-3 dB带宽频谱范围下，两种橡胶粘接状态的超声回波差异表现为各小波频带的能量分布差异，具有一定的统计差异性，可作为橡胶脱粘的辨识特征。但由于超声检测受探头耦合条件等因素的影响，小波包分解得到的频带能量分布存在较大的数据波动，使特征提取存在较大的不确定性。因此，对小波包分解得到的各个频带信号进行进一步的奇异值分解，以获取稳定的橡胶粘接状态的辨识特征。

3.2 奇异值分解

奇异值分解是一种运用线性代数和矩阵理论的数值分解方法，通过对小波包子频带信号的奇异值分解，获得更稳定的脱粘辨识特征值。奇异值分解原理如下[10]。

根据小波包分解得到的各组频带信号，构造n×m的频域矩阵X，n为小波包节点数，m为信号数据量。则存在：

式中：U——n×n正交矩阵；

VT——m×m正交矩阵；

ε——n×m对角矩阵，对角线上元素为奇异值σi。

也可以对方阵XXT求解特征值：

其中，vi、λi分别为XXT矩阵的特征向量和特征值；即X的奇异值σi也能通过求解XXT的特征值λi得到。

ILFM激励下的超声回波奇异值曲线如图11所示，对4种激励脉冲的小波包频带信号进行奇异值分解，其对应的奇异值分布如图12所示。奇异值曲线按照原小波子频带差异大小进行重排序，形似指数衰减。其中，曲线头部波动大，代表频带信号差异大；尾部波动小，代表噪声误差小。因此，超声回波信号的频带范围越大，奇异值分解得到的两种橡胶粘接状态的奇异值差异越多，超声检测的可靠性就越强。ILMF激励具有最大的奇异项分布。

图 11 ILFM激励下的超声回波奇异值曲线图

图 12 4种激励脉冲的超声回波的奇异值分布

根据ILMF激励的奇异值分布，选择前8项奇异值作为橡胶脱粘的辨识特征值。对图10的200组两种粘接状态的小波包频带信号进行奇异值分解，得到的200组两种粘接状态的奇异值分布如图13所示。根据图10和图13对比，通过小波包—奇异值分解可得到一致性和稳定性较好的统计性差异，从而实现对两种橡胶粘接状态的稳定超声检测。

图 13 200组ILFM 激励下的两种粘接状态奇异值分布图

4 实验分析

根据上述橡胶脱粘辨识特征值，训练BP神经网络，利用BP神经网络对金属橡胶粘接试件（图7）和空气弹簧底板（图6）进行超声C扫描检测。

根据超声探头晶片直径10 mm。设置移动步距为5 mm，单一网格尺寸为10 mm×10 mm。理论上，实验可分辨的最小脱粘缺陷面积约为1/2的探头晶片面积39 mm2。

在10 mm×10 mm 网格和5 mm 步距的尺寸下，逐点进行检测和辨识，以BP神经网络输出值作为脱粘辨识强度。为增强检测效果对辨识强度矩阵进行插值优化，如图14所示是金属橡胶粘接试件在4种激励脉冲作用下的超声C扫描检测结果。检测出的缺陷尺寸对比如表2所示。

图 14 金属橡胶粘接试件在4种激励的超声C扫描图

把检测结果与试件实际尺寸进行对比（表2），可以看到，由于超声C扫描检测分辨率受探头尺寸影响，2号窄带脱粘缺陷面积远小于实验探头的最小可探测面积39 mm2，故无法检测分辨。对于其它位置的橡胶脱粘缺陷，调频激励的超声检测效果明显优于传统脉冲激励，具有较高的超声检测精度。其中，在3号和5号的较大尺寸和轮廓的脱粘缺陷检测过程中，ILFM激励的超声脱粘检测效果较好，对于包含部分脱粘的边沿网格点也能具有良好的辨识分辨精度。由于网格划分、步距设置和探头尺寸等因素影响，ILFM激励检测的橡胶脱粘缺陷略大于实际缺陷尺寸。空气弹簧的橡胶脱粘缺陷表现为连续鳞片状脱粘且残留部分橡胶粘连状态，在超声探头尺寸确定的条件下，采用ILFM激励的超声检测具有较高的检测分辨率，满足工程检测需求。为进一步提高超声检测的脱粘缺陷轮廓识别精度可减小网格尺寸、扫描步距或减小超声探头尺寸。