鎂合金超聲檢測的相關增強小波去噪技術

陳振華，趙二虎，胡懷輝

(無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌330063)

0 引言

鎂合金以其密度小、比強度高、減振性和機械加工性好等優點，成為近年來國內外積極開發的新型結構材料，在汽車、航空、通信、電子、運動器材等領域已得到廣泛應用［1］。鎂合金在成形加工或服役過程中出現的缺陷將影響產品的使用壽命，并引發安全事故［2-3］，超聲檢測技術是保證鎂合金產品安全可靠性的重要手段。AZ91鑄造鎂合金晶粒較為粗大，超聲檢測信號中易產生結構噪聲，檢測信號的噪聲污染導致對小缺陷辨識困難。如何有效地增強缺陷特征信號、去除晶粒噪聲是鎂合金超聲檢測的關鍵。由于晶粒噪聲與時間隨機相關，采用普通的平均算法濾波已不適用。傳統方法是通過不同類型的濾波器消噪的，無法消除遍布于整個頻域范圍內的噪聲。小波變換能依據噪聲信號的時域和頻域的不同特性改變時頻窗口尺寸，精確地分析信號，以較高的精度分析處理整個頻率范圍［4］。本研究依據同類信號具有較高相關性的原理，采用相關性算法增強缺陷信號，對增強后的相關性信號進行小波軟閾值處理，以獲得較好的去噪效果，使其更有效地檢測鎂合金缺陷。

1 信號處理方法

互相關測量的是某一時刻的信號同另一信號的相互關系［5］。設2數字信號為 x(n)，y(n)則其互相關系數Rxy(m)為:

其中，x(n)=s(n)+n(n)，即假設檢測信號x(n)包含有用信號s(n)與噪聲n(n)。如果有用信號與噪聲無關，且事先已知先驗信號y(n)=s(n)，則先驗信號與檢測信號x(n)的互相關為:

這樣檢測信號與先驗信號的互相關就變成了有用信號的自相關，噪聲信號被抑制，缺陷信號被增強。實際超聲檢測中，晶粒產生的散射波噪聲屬于相干噪聲，與先驗的缺陷噪聲具有一定相關性，但是只要先驗缺陷信號與缺陷信號的相關性大于晶粒散射信號，則相關算法在一定程度上是可以起到抑制噪聲增強缺陷信號的作用的。所采集的先驗信號在進行相關運算前必須首先歸一化，為小波閾值去噪作好準備。

小波變換能夠將信號按頻帶位置分解到不同尺度上，缺陷信號的小波變換系數分布較寬且在一定尺度較突出;而噪聲主要處于較高和較低頻域范圍內，其水平隨著尺度變化迅速減小，因此，可以通過對特定尺度小波系數設置閾值，濾除無用噪聲。具體算法如下:

1)選定合適的小波函數對信號進行多層小波分解。

2)各尺度細節小波系數的閾值處理，算法為:

3)采用經軟閾值處理后的小波系數重構檢測信號，此時即能得到去噪后的信號。

2 檢測設備與試件制備

實驗采用中心頻率為5 MHz的接觸式斜探頭提取模擬缺陷的超聲信號，采樣頻率為50 MHz。試件是AZ91鎂合金鑄件，人工缺陷設計如圖1所示。在距試塊頂部34 mm處制一直徑為2 mm的橫通孔作為人工缺陷，并在同一豎直高度，加工一直徑為4 mm的橫通孔，用于提取先驗信號。對AZ91進行金相檢查，金相組織如圖2所示，測量其晶粒尺寸約為150 μm。

圖1 試樣示意圖及探頭布置Fig.1 Tested sample and transducer location

圖2 AZ91鎂合金金相組織Fig.2 Microstructure of magnesium alloy AZ91

3 檢測結果與討論

首先提取直徑4 mm橫通孔的超聲反射波信號。此時要求超聲波回波信號盡量大。截取缺陷反射波信號部分并對其進行歸一化處理，此時截取的信號被看作完全由缺陷產生且不受噪聲干擾，把它作為缺陷先驗信號用于自相關運算，先驗信號如圖3所示。

圖3 先驗信號Fig.3 Prior signal

移動探頭采集直徑為2 mm橫通孔的超聲波信號，將探頭轉動一定角度使得橫通孔反射波幅度降低，提高增益獲得了一系列充滿噪聲的信號，此時橫通孔反射信號淹沒于噪聲中，繼續調節探頭位置得到一系列這樣的超聲反射波，如圖4a、c所示。將所得的先驗信號與檢測信號自相關，而后采用小波閾值去噪法進行處理。在小波閾值去噪中，本實驗采用db3小波函數進行五層小波分解，小波去噪中閾值定義為，經過多次實驗選定Ri為［15 13 28 20 20］。經相關增強小波去噪法處理后的檢測信號與原始檢測信號列于圖4中。由處理后的效果可以看到，通過增強小波閾值去噪法處后在時間軸30 μs附近的缺陷信號凸顯出來。由以上分析實驗可知該方法對于提高超聲波在粗晶鎂合金中的信噪比是非常有效的。分析結果一致，均證明表面粗糙度對不銹鋼點蝕行為有著重要影響，與粗糙的不銹鋼表面相比，在光滑的不銹鋼表面上亞穩態蝕點的產生與生長更加難以進行。

圖4 去噪效果圖Fig.4 Denoising results

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