一種基于小波分析的多層粘接結(jié)構(gòu)缺陷信號(hào)提取方法

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（1.軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，石家莊 050003；2.總參炮兵訓(xùn)練基地，宣化 075100）

對(duì)于由鋼板和多層橡膠類材料粘接而成的粘接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，一直是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。將超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于粘接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)時(shí)，由于橡膠材料的強(qiáng)衰減作用和受限于普通探傷儀固定的算法，目前只能較好地檢出第一界面的脫粘，而對(duì)深層界面的缺陷難以發(fā)現(xiàn)。因此，找出一種有效算法并實(shí)現(xiàn)該算法至關(guān)重要。筆者以某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆質(zhì)量檢測(cè)為背景，以由鋼殼體、絕熱層、包覆層粘接而成的方板為研究對(duì)象，試圖找到一種缺陷信號(hào)提取的算法。

1 檢測(cè)平臺(tái)的搭建

檢測(cè)平臺(tái)的超聲發(fā)射和接收設(shè)備采用SUFD2數(shù)字超聲波探傷儀。該型探傷儀增益達(dá)110 dB，支持0.1～15 MHz的橫/縱波探頭，脈沖強(qiáng)度最高達(dá)800 V，脈沖寬度50～1 000 ns可調(diào)，支持LCD實(shí)時(shí)回波顯示，帶缺陷報(bào)警功能。SUFD2可以通過自帶的USB接口導(dǎo)出波形數(shù)據(jù)，但導(dǎo)出的是經(jīng)過DSP進(jìn)行了Hil bert變換后的包絡(luò)信號(hào)，而且數(shù)據(jù)點(diǎn)有限（220個(gè)點(diǎn)），無(wú)法滿足后續(xù)數(shù)據(jù)分析的要求。因此必須設(shè)法自己采集回波信號(hào)。

試驗(yàn)采用ADLINK公司的PCI－9812采集卡采集回波信號(hào)。PCI－9812采集卡是4通道12位20 MS/s同步采樣模擬輸入卡，硬件可編程輸入范圍為±1和±5 V，輸入阻抗50Ω，1.25 kΩ，15 MΩ。板載32k采樣點(diǎn) A/D FIFO緩存數(shù)據(jù)，帶寬達(dá)17 MHz，支持模擬和數(shù)字觸發(fā)功能。

數(shù)字超聲波探傷儀SUFD2的工作原理是：發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖后，觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器隨之產(chǎn)生一個(gè)由＋3.3 V降到0 V的負(fù)脈沖，接通ADC的輸入端，ADC開始以80 MS/s的轉(zhuǎn)換速率對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入DSP進(jìn)行Hilbert變換求包絡(luò)信號(hào)。為了從外部采集回波信號(hào)，必須拆開SUFD2，找到觸發(fā)信號(hào)輸出端和ADC的模擬輸入端，將其引出，分別作為PCI－9812的模擬觸發(fā)信號(hào)源和采集信號(hào)源。檢測(cè)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2 LabVIEW與Matlab混合編程

LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的面向測(cè)控系統(tǒng)的圖形化編程語(yǔ)言，相比傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言（VB，VC，Delphi等）來說具有編程效率高、開發(fā)速度快、數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)并行優(yōu)化、庫(kù)函數(shù)及各種軟件接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，是開發(fā)中小型測(cè)控系統(tǒng)的理想平臺(tái)。Matlab是一款強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析軟件，其自帶的多種工具箱使它在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。筆者主要用到它的Wavelet tool box工具箱進(jìn)行離散小波分解和重構(gòu)。

L2（R）空間中的函數(shù)f（t）的連續(xù)小波變換WTf被定義為［1]：

式中ψa，τ（t）是母小波函數(shù)ψ（t）經(jīng)過平移和伸縮變換得到的；ψ＊表示其共軛函數(shù)；WTf（a，τ）為小波變換系數(shù)。函數(shù)一經(jīng)小波變換，就意味著將一個(gè)時(shí)間函數(shù)投影到二維的τ（時(shí)間）－a（尺度）平面上。連續(xù)小波變換的逆變換為：

為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，通常將a和τ進(jìn)行二進(jìn)離散化處理，這樣的變換稱為離散小波變換，計(jì)算機(jī)用Mallat算法進(jìn)行快速離散小波變換。

觸發(fā)器引出線和AIN引出線分別接至PCI－9812的0，1通道。0通道設(shè)為模擬觸發(fā)信號(hào)源，觸發(fā)電平設(shè)為1 V，觸發(fā)信號(hào)到來后，采集卡采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后保存以便后續(xù)處理。LabVIEW編程如圖2所示。

圖2 回波信號(hào)采集程序

采集得到的回波信號(hào)在保存的同時(shí)，調(diào)用Lab－VIEW中的Matlab接口對(duì)其進(jìn)行小波分析：用db7小波將回波信號(hào)分解至第二層，然后重構(gòu)第二層的高頻信號(hào)［2]（圖3）。

圖3 小波分解與重構(gòu)程序

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)對(duì)象是兩塊18 cm×18 cm的方形試件A和B，其規(guī)格見圖4。其中絕熱層和包覆層由工廠提供，這兩種材料都是橡膠類物質(zhì)，絕熱層主要成分為三元乙丙橡膠，包覆層主要成分是端羥基聚丁二烯。在絕熱層和包覆層之間放置φ15 mm，厚0.1 mm的聚四氟乙烯［3]小圓片，以模擬絕熱層和包覆層之間的脫粘。探頭采用2.5 MHz的直探頭。對(duì)A，B試件的檢測(cè)結(jié)果分別如圖5，6所示。

圖4 試件模型

回波信號(hào)的小波分析通過LabVIEW中的Matlab接口完成。信號(hào)處理的關(guān)鍵有兩點(diǎn)，即小波基函數(shù)的選取和分解層數(shù)的確定。

3.1 小波基函數(shù)的選取

根據(jù)上一節(jié)的分析，選取的小波基函數(shù)應(yīng)當(dāng)與被分析函數(shù)中想要被提取的部分“貌似”，而回波信號(hào)是由若干超聲脈沖疊加而成的。Daubechies小波是最常用的小波族，該族小波的波形與超聲脈沖非常類似，其中的db7小波的振蕩次數(shù)與超聲脈沖最為一致，因此選擇db7作為小波基函數(shù)。

3.2 小波分解與重構(gòu)層數(shù)的確定

分解與重構(gòu)的層級(jí)與欲提取的頻率區(qū)段有關(guān)。回波信號(hào)的幅值譜中，幅值最高點(diǎn)位于2.1 MHz頻率處。根據(jù)離散小波變換所用Mallat算法的頻帶分解特點(diǎn)，即對(duì)于采樣頻率為fs的信號(hào)，經(jīng)二進(jìn)離散小波分解至第n層后，得到的低頻帶為（0，fs/2n＋1），高頻帶為（fs/2n＋1，fs/2n）。試驗(yàn)中fs＝20 MHz，易知2.1 MHz位于第三層的高頻帶，即（1.25 MHz，2.5 MHz）。因此，為了提取2.1 MHz附近的信號(hào)，將回波信號(hào)用db7小波分解至第三層，然后重構(gòu)第三層的高頻部分，所得結(jié)果如圖5和6所示。

理論分析知，當(dāng)粘結(jié)良好時(shí)，回波中除了始波外，只會(huì)有一次底波存在；若出現(xiàn)脫粘，則在始波和一次底波之間將還會(huì)有缺陷波存在。圖5（a）可見，在［2.5μs，4.5μs]之間存在一次底波，但這個(gè)底波持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，很明顯是受到了波形成分中其他頻率分量的干擾；圖5（c）是存在脫粘缺陷的情形，圖中除了始波外還有兩個(gè)波峰，即缺陷回波［1.5μs，2.5μs]和一次底波［3.5μs，4.5μs]，其中缺陷回波因?yàn)榭拷疾ǎ苁疾ㄓ绊懕容^大，兩者并不能完全區(qū)分開，又因?yàn)槿毕莘瓷淞舜蟛糠殖暷芰浚砸淮蔚撞ㄝ^上圖更微弱了，且持續(xù)時(shí)間仍然較長(zhǎng)。經(jīng)過小波分解和重構(gòu)之后，如圖5（b）和（d），始波、缺陷回波、一次底波非常容易區(qū)分：未脫粘時(shí)，只有一次底波，位于［3.5μs，4.2μs]之間；脫粘時(shí)，除了有微弱的一次底波［4μs，4.5μs]之外，還有缺陷回波［1.8μs，2.2μs]，不僅底波和缺陷波的持續(xù)時(shí)間縮短，時(shí)間分辨率得到了提高，而且波形更加干凈。對(duì)于絕熱層為8 mm的情形（圖6），未脫粘時(shí)大約能看出底波的存在［2.5μs，6μs]，不過持續(xù)時(shí)間非常長(zhǎng)；脫粘時(shí)始波、缺陷波、底波交雜在一起，根本沒法區(qū)分。經(jīng)過小波分解和重構(gòu)之后，波形干凈了，始波、缺陷波和底波所在的時(shí)間段也一目了然。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過小波分解和重構(gòu)，不僅能有效提高回波信號(hào)中的缺陷波和底波信息，還抑制了其他雜波，即頻率在（1.25 MHz，2.5 MHz）之外的分量，使波形更加干凈，達(dá)到了預(yù)期的效果。

另外，從圖5中還可注意到未脫粘和脫粘兩種情形下底波所處時(shí)間區(qū)段并不一致，這是因?yàn)椋撜橙毕菔遣捎镁鬯姆蚁┍∑M的，使整體厚度稍微增加了一點(diǎn)，再加上同一試件不同部位的各層厚度有差異，所以出現(xiàn)如此情形。

4 結(jié)語(yǔ)

通過小波分析，可以將原始波形中與母小波類似的部分提取出來，并加以放大，所以選擇合適的母小波是小波分析的關(guān)鍵。筆者選擇db7小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行兩個(gè)尺度的分解并重構(gòu)第二尺度下的高頻信號(hào)。結(jié)果表明，該方法能夠較好地檢測(cè)出絕熱層（厚度不超過8 mm）和包覆層之間，即第二界面的脫粘缺陷。對(duì)于厚度超過8 mm的絕熱層下面的缺陷或者包覆層和推進(jìn)劑之間的缺陷，此方法是否有效尚有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1]葛哲學(xué)，沙威.小波分析理論與MATLAB R2007實(shí)現(xiàn)［M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2]敦怡，師小紅，徐章遂.基于小波包變換的金屬基復(fù)合材料深層界面脫粘缺陷特征提取［J].無(wú)損檢測(cè)，2007，29（12）：705－721.

［3]李建文，王增勇，湯光平.金屬殼體粘接結(jié)構(gòu)件的超聲檢測(cè)［J].無(wú)損檢測(cè)，2010，32（4）：283－285.