小波分析在超聲測厚信號特征提取中的應用

劉曉蕾,王召巴,陳友興,金 永,趙 霞

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

火箭發(fā)動機絕熱層超聲測厚技術是發(fā)動機質量評價研究的熱點。由于發(fā)動機殼體是經過旋壓而成,所以殼體外表面留有旋壓紋理,造成超聲回波信號的噪聲較大,不易提取厚度特征,對厚度的測量帶來困難。因此,研究超聲測厚信號的特征提取具有重要意義。

1 板波誘發(fā)波測厚原理

超聲板波(蘭姆波[1])在板(殼體)中傳播時,既有橫波,又有縱波。板中的質點基于這兩種振動的合成,在其平衡位置附近做橢圓形運動,波動前進方向與板平行。若板的一側粘有其它材料,板波在向前傳播時,其中的橫波會將部分聲波透射到周圍介質中去。A 0,S0型板波中的橫波分量的能量集中在板的上下表面處,該特點可使殼體中傳播的板波最大限度地將能量透射入絕熱層中,即透射率最大,以增大絕熱層中的回波幅值。筆者基于板波的這一特性,研究了將其用于測量絕熱層的厚度,檢測原理[2]如圖1所示。

圖1 板波誘發(fā)波超聲測厚原理

為在殼體中產生相速度為cp的A0,S0型板波,將超聲發(fā)射探頭與接收探頭耦合于發(fā)動機殼體的外表面,選擇探頭入射角αi,使其滿足：

式中 αi——聲波在探頭透聲楔中縱波入射角;

cl——透聲楔中縱波速度;

cp——A0,S0型板波的相速度。

該板波沿水平方向向前傳播,稱為板波Ⅰ(圖1)。由于殼體下方粘有絕熱層,板波Ⅰ在向前傳播時,橫波成分將部分聲波以縱波的形式透射入絕熱層中,該縱波稱為板波誘發(fā)波。同縱波從透聲楔到殼體中滿足式(1)產生板波一樣,殼體中的板波透射入絕熱層時應滿足：

式中 β——絕熱層中誘發(fā)縱波的折射角;

c2——絕熱層的縱波聲速。

由式(1)和(2)得：

可見,誘發(fā)縱波以折射角β的方向在絕熱層中傳播,其被絕熱層底面反射后,一部分聲波再次進入殼體中,形成與板波Ⅰ模式相同的板波,稱為板波Ⅱ。當這兩個板波到達接收探頭時,就被接收。可以證明,板波Ⅰ與板波Ⅱ的時差Δt與包覆層的厚度d及板波的相速度cp有如下關系：

當被測對象確定后,cp和c2即確定,由上式可知A為常數。當測得板波Ⅰ與板波Ⅱ的時差 Δt時,便可算出包覆層的厚度d。

綜上所述,板波誘發(fā)波超聲檢測技術是一種借助于筒殼中板波在低聲阻抗材料中形成的誘發(fā)波實現(xiàn)超聲檢測的方法。誘發(fā)波形成的板波Ⅱ既攜帶了低聲阻抗材料層的厚度信息,又攜帶了各層界面粘接信息,是一種理想的鋼質筒殼火箭發(fā)動機內部絕熱層質量檢測技術。

圖2 原始信號

板波沿著鋼板表面?zhèn)鞑?由于表面不光滑而造成的鋼板厚度不均勻,從而造成對回波信號的影響,如圖2所示。圖中橫坐標為采樣點,縱坐標為振幅,從圖中可以看出一界面回波的整個波程都在鋼板中傳播,因而受到表面不光滑的影響也比較大,界面特征不容易區(qū)分,而二界面回波在整個鋼板中傳播的波程比較短,受到的影響也比較小。對此筆者采用小波變換來處理一界面回波信號,提取界面位置信息,最后根據超聲波在其中的傳播速率及其兩界面反射回波的時間差計算絕熱層厚度。

2 小波變換在絕熱層超聲測厚中的實現(xiàn)

旋壓殼體對測量絕熱層厚度的超聲回波信號造成干擾,不易確定界面回波位置。利用小波在時頻域可局部化的特性及在處理數字信號方面的優(yōu)勢,所以采用小波變換對回波信號進行分析處理。

2.1 小波提取位置信息

首先先對原始信號進行降噪處理。小波消噪處理方式可分為強制消噪處理、給定軟(或硬)閾值消噪處理和默認閾值消噪處理。這里采用wden函數產生的信號默認閾值,對絕熱層超聲原始回波信號進行降噪處理,降噪后的信號如圖3所示。

圖3 降噪后的信號

利用小波變換的多尺度特性對降噪后的信號進行分解,分別提取出其低頻、高頻系數,并重構,重構信號如圖4所示。

根據圖4可測出兩界面之間的采樣點之間的差值。為了提高測量的精確度,現(xiàn)采用不同的小波函數對信號進行分解重構。選取處理之后使兩層界面比較明顯的小波函數,讀出兩界面峰值處的采樣點值,并計算出其采樣點之間的差(表1),分解層數保持不變,始終分解3層。

圖4 重構信號

2.2 絕熱層厚度計算

根據介紹的測量原理及公式,需測出A0,S0型板波的相速度cp,絕熱層的縱波聲速c2。根據試驗測得絕熱層的縱波聲速c2=1177.38m/s;板波的相速度cp=2974m/s。將c2,cp代入式(4),可求出A=1282.13m/s。根據兩界面采樣點之間的差值和已知的采樣頻率(100MHz),算出時間間隔,再由式(5)可計算出絕熱層的厚度,見表2。

表1 兩界面采樣點之間的差

表2 厚度測量結果

可以看出,db7小波對測量絕熱層超聲回波信號的分析處理有比較好的效果,能夠得到比較準確的結果。

3 結論

針對超聲測厚信號的特征提取,采用小波技術對性質均一的絕熱層的超聲回波信號進行了小波降噪及提取高低頻信號重構,可有效提取出兩界面的位置特征信息,即一界面與二界面之間的采樣點之間的差值,再運用相關公式,可計算出絕熱層厚度。由此可實現(xiàn)絕熱層厚度的超聲無損檢測,同時驗證了小波分析方法在絕熱層超聲回波信號處理中的實用價值。

[1]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京：電力工業(yè)出版社,1980：235-241.

[2]王召巴,路宏年.固體火箭發(fā)動機包覆層厚度超聲測量新技術[J].兵學學報,1999,20(1)：88-90.