数字化超声回波时域信号拟合技术的初探

　　1　前言

　　超声检测技术广泛应用于机械制造、冶金、电子、航空、宇航、航海、石油化工、铁路、交通等广大的领域,而且在物理学、电学、生物科学、医学等多种学科领域中也起到了重要的作用。

　　超声检测中应用最广泛的是脉冲超声波,一个脉冲波可以看作是由无限多个不同频率的正弦波(谐波)组成的。超声波在介质中传播时,遇到缺陷便有缺陷回波,毫无疑问,缺陷回波提供了判断缺陷性质的源信息。但由于超声回波信号具有时变特性,在数学上不能满足傅立叶分析的条件,从广泛应用的频谱图形上也不能有效地提取缺陷特征。研究发现,从时域方面可提供一种理想的分析非稳态信号的途径,即用数学模型对数字化超声回波时域信号进行拟合,以便进一步提高检测的效率和精度。本实验就是以JB/T 10062-1999标准DB—H1试块中不同深度的横通孔的超声回波信号为研究对象,探索应用信号分析与处理技术建立数字化超声回波时域信号的数学模型,为更复杂的回波信号的拟合打基础。

　　2　实验装置

　　实验装置如图1所示,硬件系统由CTS-21型超声波探伤仪(经调整其垂直线性为4%～6%,水平线性为1%)、标称频率为2.5MHz的窄脉冲直探头、F508B型高速数据采集卡(采样频率为20MHz/s)、IBM/PC计算机、打印机等共同构成。鉴于主要目的是研究信号处理技术,也由于条件的限制,接收探头暂仍以窄脉冲探头代替宽频探头。

　　3　时域信号的获取及真实性分析

　　实验选用超声波脉冲反射技术,以机油作耦合剂,为保证探头与样品表面良好的耦合效果,将重约1kg的圆环套在探头上。在同一检测灵敏度条件下,对JB/T 10062-1999标准DB-H1试块中不同深度的4个横通孔的超声回波连续模拟信号分别采样3次,并将各次采样所得的64个(此即为以后公式中的N值)反映一次回波特征的样本点输入计算机中,从而得到数字化超声回波时域信号。采样所得各孔的数字化信号波形如图2所示(依次对深度为10mm、20mm、30mm、60mm的各孔编号为1,2,3,4)。

　　经过对各种不同形状脉冲信号分析研究后认为,在一个脉冲内能采得5～7个点,谱的幅值和相位的误差就可以控制在很小的范围内。由图2可见:在幅值较大处,每个周期里的采样点数为9～10,幅值较小处的采样点更为密集;在波峰处,总是连续出现两个采样点,故可以认为本次采样信号是原连续模拟信号的重现。

　　4　信号的预处理及模型拟合

　　4.1　信号的预处理

　　预处理即对信号进行均值化处理和零均值化处理。所得数字化时域信号中不可避免地含有随机噪声和结构噪声,均值化处理有利于减弱噪声的干扰,接着再进行零均值化处理,是为了简化分析中所用的公式和计算。