Origin8.0在超聲波頻譜分析實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用

李春艷，侯曉多，林莉

摘要：為了彌補(bǔ)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有關(guān)超聲波信號(hào)處理方面的缺憾，教師設(shè)計(jì)了采用水浸聚焦脈沖回波超聲檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)試樣表面的一次表面回波進(jìn)行采集和分析的頻譜分析實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，利用Origin8.0軟件對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了采樣、濾波、截?cái)嗪透盗⑷~變換（FFT）等信號(hào)分析。該實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)利用計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)信號(hào)處理的重視，同時(shí)也加深學(xué)生對(duì)頻譜分析方法的深入理解。

關(guān)鍵詞：Origin；超聲波檢測(cè)；頻譜分析；信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：TP39 ？搖文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-9324（2014）16-0251-03

與其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，超聲波頻譜分析技術(shù)具有檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)深度大；缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，在材料超聲檢測(cè)和評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用。超聲波頻譜分析是把頻譜分析的理論和方法應(yīng)用于超聲檢測(cè)的技術(shù)。其中，頻譜分析是一種比較成熟的信號(hào)處理技術(shù)，基于頻譜分析方法的信號(hào)處理技術(shù)成為現(xiàn)代超聲檢測(cè)技術(shù)的重要組成部分。頻譜分析是指應(yīng)用傅立葉變換將時(shí)域問(wèn)題轉(zhuǎn)換為頻域問(wèn)題，在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。超聲檢測(cè)中采集到的各種波形如反射波、透射波、表面波、散射波等，利用頻譜分析技術(shù)從采集到的這些信息中，提取盡可能多的有關(guān)傳輸通道的特征信息，如振幅、相位、相位差或者是功率譜、相關(guān)譜、倒頻譜等，用于研究和分析被檢對(duì)象物理性能的細(xì)微變化和不連續(xù)性[1-3]。對(duì)此，超聲頻譜信號(hào)處理是實(shí)驗(yàn)課程的重點(diǎn)，旨在強(qiáng)化學(xué)生對(duì)信號(hào)處理的重視程度，熟悉和掌握Origin軟件里的“信號(hào)處理”模塊的功能，加深學(xué)生對(duì)頻譜分析方法理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和鞏固。Origin8.0[4]是Window平臺(tái)下應(yīng)用于科技作圖和數(shù)據(jù)分析的軟件，由Origin Lab公司開(kāi)發(fā)。它是一個(gè)多文檔界面應(yīng)用程序，采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮鳌２僮鞣奖闱夜δ軓?qiáng)大，能滿足復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析[5，6]、圖形處理[7]、函數(shù)擬合[8]、信號(hào)處理[9，10]等高級(jí)功能，因此它在教學(xué)、科研、工程技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在超聲波頻譜分析實(shí)驗(yàn)中充分利用了Origin軟件中信號(hào)處理功能，大大簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程，充分發(fā)揮軟件快捷、高效、精度高等特點(diǎn)。在本文中，我們利用Origin8.0處理采集的超聲數(shù)據(jù)信號(hào)，研究?jī)?nèi)容包括以下四個(gè)方面：（1）信號(hào)采樣與濾波。（2）數(shù)據(jù)截?cái)嗯c加零處理。（3）信號(hào)加窗處理。（4）幅度譜與相位譜分析。完整地實(shí)踐超聲數(shù)字信號(hào)頻譜分析的整個(gè)過(guò)程：采樣→濾波→截?cái)唷鶩FT（加窗）→得到幅度譜、相位譜。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用水浸聚焦脈沖回波超聲檢測(cè)系統(tǒng)采集試樣的一次表面回波[11]。水浸聚焦方法是指將水浸聚焦探頭和待測(cè)試樣浸入水中，利用探頭里裝有聚焦透鏡的單晶換能器將超聲波會(huì)聚，借助水層與試樣間的藕合實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的。檢測(cè)系統(tǒng)主要由OLYMPUS5800超聲數(shù)字信號(hào)發(fā)射/接收儀，Tektronix 4032數(shù)字熒光示波器，水浸聚焦超聲探頭（點(diǎn)聚焦，10MHz，焦距35mm）和精密十字架工作臺(tái)（精度為0.01mm的三維步進(jìn)裝置）四部分組成，如圖1。為了降低隨機(jī)噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，測(cè)量信號(hào)進(jìn)行64次平均處理，它可以使信噪比以N1/2的規(guī)律予以改善（N為采樣次數(shù)）。然后，將采集的一次表面回波的數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，用Origin軟件進(jìn)一步分析處理。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.信號(hào)采樣。利用origin軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)，選擇菜單命令File>Import>Single ASCⅡ，在其Worksheet窗口出現(xiàn)兩列數(shù)據(jù)。單擊工具欄上的按鈕“l(fā)ine”，在隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中將第一列數(shù)據(jù)設(shè)為X軸，第二列數(shù)據(jù)設(shè)為Y軸，即可畫出一次表面回波的時(shí)域波形，如圖2。

2.信號(hào)濾波。濾波技術(shù)是剔除噪聲中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。通過(guò)抑制信號(hào)的某些頻率成分，濾波可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的修正。根據(jù)濾波的選頻作用，可以把濾波類型分成四類，如圖3所示。其中，ωc和ωs分別被稱為通帶截止頻率和阻帶截止頻率，ωc與ωs之間則稱為過(guò)渡帶。①低通濾波。如圖3（a）所示，通帶范圍是0≤ω≤ωc，高于ωc為阻帶。②高通濾波。通帶范圍是ωc≥ω，低于ωc為阻帶，如圖3（b）所示。③帶通濾波。通帶范圍是ωc1≤ω≤ωc2，通帶兩側(cè)都為阻帶，或是較狹窄的過(guò)渡帶，如圖3（c）所示。④帶阻濾波。阻帶范圍是ωs1≤ω≤ωs2，阻帶兩側(cè)都為通帶，或是較狹窄的過(guò)渡帶，如圖3（d）所示。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作，選中第二列的數(shù)據(jù)，選擇菜單命令：Analysis>Signal Processing>FFT Filters>Open Dialog。在隨后彈出的對(duì)話框里選擇Filter Type和設(shè)置Cutoff Frequency的頻率參數(shù)。選擇不同F(xiàn)ilter Type（Low Pass、High Pass、Band Pass、Band Block）對(duì)采集的時(shí)域波形進(jìn)行濾波，分別選中濾波處理后的數(shù)據(jù)列，單擊工具欄上的按鈕“l(fā)ine”，如圖4。

3.數(shù)據(jù)截?cái)嗯c加零處理。數(shù)據(jù)截?cái)嗬糜?jì)算機(jī)進(jìn)行離散傅立葉變換和信號(hào)處理時(shí)，因運(yùn)算時(shí)間和儲(chǔ)存容量的限制，只能處理有限的樣本容量。適用FFT的樣本值數(shù)列的長(zhǎng)度，通常是2的整數(shù)次冪。截?cái)嗑褪菍o(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間函數(shù)乘以有限寬的窗具體函數(shù)，相當(dāng)于原時(shí)間函數(shù)與一個(gè)高為1、長(zhǎng)度為的矩形時(shí)間窗函數(shù)相乘。但是，對(duì)時(shí)域信號(hào)截?cái)鄷?huì)導(dǎo)致頻域內(nèi)附加一些頻率分量，從而給頻譜帶來(lái)誤差，這種誤差通常稱為泄露誤差。為了減少泄露誤差，可以采取以下途徑：①增長(zhǎng)矩形窗函數(shù)的寬度，即增長(zhǎng)樣本長(zhǎng)度；②加主瓣能量集中、旁瓣小、衰減速率快的其他窗函數(shù)。

加零處理是在原信號(hào)的末端補(bǔ)加一些零，這相當(dāng)于人為地增加了時(shí)域截?cái)嚅L(zhǎng)度T，也就能在頻譜形式不變的情況下，變更譜線的位置，減小譜線間隔，以便有可能看到原來(lái)看不到的頻譜分量。所以，加零可以提高頻率分辨力。如實(shí)驗(yàn)中采集的時(shí)域波形數(shù)據(jù)為1000個(gè)，采用212（=4096）個(gè)數(shù)，需加零。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在下拉菜單中選擇命令Set Column Volues>Row（1000）to Row（4096）數(shù)值設(shè)為0。endprint

4.信號(hào)加窗處理。對(duì)時(shí)域函數(shù)施加非矩形窗的實(shí)質(zhì)，是對(duì)被分析信號(hào)的不同部分給予不同的加權(quán)，這些窗函數(shù)的頻譜主瓣越細(xì)、旁瓣越小越好。由于這兩點(diǎn)不會(huì)同時(shí)達(dá)到最佳效果，選取窗函數(shù)時(shí)通常采取折衷的原則。常用窗函數(shù)主要包括以下幾種類型：（1）冪窗—采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其他時(shí)間t的高次冪；（2）三角函數(shù)窗—應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成的復(fù)合函數(shù)，如漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗等；（3）指數(shù)窗—采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)（如e-at形式），例如高斯窗等。不同窗函數(shù)，產(chǎn)生泄漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)截?cái)鄷?huì)產(chǎn)生能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是可以通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)對(duì)它們的影響進(jìn)行抑制。對(duì)于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求綜合考慮，才能選擇出最合適的窗函數(shù)。頻譜分析實(shí)驗(yàn)中，我們一般選用Hanning窗。選擇菜單命令A(yù)nalysis>Signal Processing>FFT>FFT>Open Dialog，在開(kāi)啟的設(shè)置框中的Options選項(xiàng)，選擇加窗類型Window>Hanning（Hanming，Welch，Blackman），不勾選Unwrap Phase選項(xiàng)，在Preview中選Amplitude/Phase選項(xiàng)。

5.幅度譜與相位譜分析。幅度譜表示在整個(gè)頻域內(nèi)的強(qiáng)度的分布，用以說(shuō)明頻域成分的分布。信號(hào)相位值隨頻率變化，對(duì)應(yīng)的譜圖稱之為相位譜。周期信號(hào)的頻譜由幅度譜和相位譜組成。幅度譜和相位譜在超聲檢測(cè)信號(hào)分析中具有非常重要的地位，應(yīng)用非常廣泛。在有些情況下，相位譜還可以對(duì)幅度譜提供的信息進(jìn)行補(bǔ)充。

從圖6和圖7的比較中可以看出，在不提高采樣頻率的前提下，可以通過(guò)增大樣本總量的方法來(lái)提高頻域分辨力。即在數(shù)組中補(bǔ)充若干數(shù)值為零的數(shù)據(jù)，使得樣本總量增大。補(bǔ)零前后信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅度譜譜線間隔變密，但形狀沒(méi)什么變化，而相位譜則發(fā)生了改變。

三、結(jié)論

在超聲數(shù)據(jù)信號(hào)處理過(guò)程中，Origin軟件直觀簡(jiǎn)便，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過(guò)程，在繪圖同時(shí)還可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形分析，充分發(fā)揮軟件快捷、高效、精度高等特點(diǎn)。另外，通過(guò)超聲頻譜分析實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐，學(xué)生了解超聲信號(hào)數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)組成以及各儀器的性能，掌握實(shí)驗(yàn)技能和具體數(shù)據(jù)處理方法，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)信號(hào)處理的重視程度，牢固地樹(shù)立了利用計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行超聲檢測(cè)信號(hào)處理的意識(shí)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和鞏固。

參考文獻(xiàn)：

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[10]蔣志年，王春霞.Origin軟件在楊氏模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）：101-102.

[11]林莉，楊冰，趙建強(qiáng)，李喜孟.超聲無(wú)損表征30Mn2SiV鋼復(fù)雜混合組織探討[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，12（8）：662-666.

作者簡(jiǎn)介：李春艷（1976-），女，河北滄州人，博士，工程師，主要研究方向超聲波頻譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。endprint

4.信號(hào)加窗處理。對(duì)時(shí)域函數(shù)施加非矩形窗的實(shí)質(zhì)，是對(duì)被分析信號(hào)的不同部分給予不同的加權(quán)，這些窗函數(shù)的頻譜主瓣越細(xì)、旁瓣越小越好。由于這兩點(diǎn)不會(huì)同時(shí)達(dá)到最佳效果，選取窗函數(shù)時(shí)通常采取折衷的原則。常用窗函數(shù)主要包括以下幾種類型：（1）冪窗—采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其他時(shí)間t的高次冪；（2）三角函數(shù)窗—應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成的復(fù)合函數(shù)，如漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗等；（3）指數(shù)窗—采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)（如e-at形式），例如高斯窗等。不同窗函數(shù)，產(chǎn)生泄漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)截?cái)鄷?huì)產(chǎn)生能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是可以通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)對(duì)它們的影響進(jìn)行抑制。對(duì)于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求綜合考慮，才能選擇出最合適的窗函數(shù)。頻譜分析實(shí)驗(yàn)中，我們一般選用Hanning窗。選擇菜單命令A(yù)nalysis>Signal Processing>FFT>FFT>Open Dialog，在開(kāi)啟的設(shè)置框中的Options選項(xiàng)，選擇加窗類型Window>Hanning（Hanming，Welch，Blackman），不勾選Unwrap Phase選項(xiàng)，在Preview中選Amplitude/Phase選項(xiàng)。

5.幅度譜與相位譜分析。幅度譜表示在整個(gè)頻域內(nèi)的強(qiáng)度的分布，用以說(shuō)明頻域成分的分布。信號(hào)相位值隨頻率變化，對(duì)應(yīng)的譜圖稱之為相位譜。周期信號(hào)的頻譜由幅度譜和相位譜組成。幅度譜和相位譜在超聲檢測(cè)信號(hào)分析中具有非常重要的地位，應(yīng)用非常廣泛。在有些情況下，相位譜還可以對(duì)幅度譜提供的信息進(jìn)行補(bǔ)充。

從圖6和圖7的比較中可以看出，在不提高采樣頻率的前提下，可以通過(guò)增大樣本總量的方法來(lái)提高頻域分辨力。即在數(shù)組中補(bǔ)充若干數(shù)值為零的數(shù)據(jù)，使得樣本總量增大。補(bǔ)零前后信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅度譜譜線間隔變密，但形狀沒(méi)什么變化，而相位譜則發(fā)生了改變。

三、結(jié)論

在超聲數(shù)據(jù)信號(hào)處理過(guò)程中，Origin軟件直觀簡(jiǎn)便，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過(guò)程，在繪圖同時(shí)還可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形分析，充分發(fā)揮軟件快捷、高效、精度高等特點(diǎn)。另外，通過(guò)超聲頻譜分析實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐，學(xué)生了解超聲信號(hào)數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)組成以及各儀器的性能，掌握實(shí)驗(yàn)技能和具體數(shù)據(jù)處理方法，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)信號(hào)處理的重視程度，牢固地樹(shù)立了利用計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行超聲檢測(cè)信號(hào)處理的意識(shí)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和鞏固。

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[8]陳旭紅.用Origin軟件的線性擬合和非線性曲線擬合功能處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[J].江蘇技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（2）：85-90.

[9]牟中飛，吳福根，胡義華，王銀海.Origin軟件在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2009，7（4）：60-62.

[10]蔣志年，王春霞.Origin軟件在楊氏模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（8）：101-102.

[11]林莉，楊冰，趙建強(qiáng)，李喜孟.超聲無(wú)損表征30Mn2SiV鋼復(fù)雜混合組織探討[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，12（8）：662-666.

作者簡(jiǎn)介：李春艷（1976-），女，河北滄州人，博士，工程師，主要研究方向超聲波頻譜分析技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。endprint

4.信號(hào)加窗處理。對(duì)時(shí)域函數(shù)施加非矩形窗的實(shí)質(zhì)，是對(duì)被分析信號(hào)的不同部分給予不同的加權(quán)，這些窗函數(shù)的頻譜主瓣越細(xì)、旁瓣越小越好。由于這兩點(diǎn)不會(huì)同時(shí)達(dá)到最佳效果，選取窗函數(shù)時(shí)通常采取折衷的原則。常用窗函數(shù)主要包括以下幾種類型：（1）冪窗—采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其他時(shí)間t的高次冪；（2）三角函數(shù)窗—應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成的復(fù)合函數(shù)，如漢寧窗、海明窗、布萊克曼窗等；（3）指數(shù)窗—采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)（如e-at形式），例如高斯窗等。不同窗函數(shù)，產(chǎn)生泄漏的大小不一樣，頻率分辨能力也不一樣。信號(hào)截?cái)鄷?huì)產(chǎn)生能量泄漏，而用FFT算法計(jì)算頻譜又會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)，從原理上講這兩種誤差都是不能消除的，但是可以通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)對(duì)它們的影響進(jìn)行抑制。對(duì)于窗函數(shù)的選擇，應(yīng)考慮被分析信號(hào)的性質(zhì)與處理要求綜合考慮，才能選擇出最合適的窗函數(shù)。頻譜分析實(shí)驗(yàn)中，我們一般選用Hanning窗。選擇菜單命令A(yù)nalysis>Signal Processing>FFT>FFT>Open Dialog，在開(kāi)啟的設(shè)置框中的Options選項(xiàng)，選擇加窗類型Window>Hanning（Hanming，Welch，Blackman），不勾選Unwrap Phase選項(xiàng)，在Preview中選Amplitude/Phase選項(xiàng)。

5.幅度譜與相位譜分析。幅度譜表示在整個(gè)頻域內(nèi)的強(qiáng)度的分布，用以說(shuō)明頻域成分的分布。信號(hào)相位值隨頻率變化，對(duì)應(yīng)的譜圖稱之為相位譜。周期信號(hào)的頻譜由幅度譜和相位譜組成。幅度譜和相位譜在超聲檢測(cè)信號(hào)分析中具有非常重要的地位，應(yīng)用非常廣泛。在有些情況下，相位譜還可以對(duì)幅度譜提供的信息進(jìn)行補(bǔ)充。

從圖6和圖7的比較中可以看出，在不提高采樣頻率的前提下，可以通過(guò)增大樣本總量的方法來(lái)提高頻域分辨力。即在數(shù)組中補(bǔ)充若干數(shù)值為零的數(shù)據(jù)，使得樣本總量增大。補(bǔ)零前后信號(hào)對(duì)應(yīng)的幅度譜譜線間隔變密，但形狀沒(méi)什么變化，而相位譜則發(fā)生了改變。

三、結(jié)論

在超聲數(shù)據(jù)信號(hào)處理過(guò)程中，Origin軟件直觀簡(jiǎn)便，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過(guò)程，在繪圖同時(shí)還可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形分析，充分發(fā)揮軟件快捷、高效、精度高等特點(diǎn)。另外，通過(guò)超聲頻譜分析實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐，學(xué)生了解超聲信號(hào)數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)組成以及各儀器的性能，掌握實(shí)驗(yàn)技能和具體數(shù)據(jù)處理方法，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)信號(hào)處理的重視程度，牢固地樹(shù)立了利用計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行超聲檢測(cè)信號(hào)處理的意識(shí)，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解和鞏固。

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