数字相关法在超声应力信号处理中的应用

　　1 引言

　　超声检测作为一种无损检测方法在工程实际中已有具体的应用,同时针对超声检测信号处理的研究也日益活跃。由于超声信号的周期性和相关性,数字相关法在超声信号处理中可以用来抑制噪声[1-2],进行回波时间读取,传播时间差分析等[3-6]。目前国内外相关法在超声信号分析中的应用主要集中在超声探伤及其信号处理上,而针对超声应力检测中的超声波传播时间差采用相关法读取的研究较少。在超声应力检测中,不同应力水平下对应的超声波传播时间差值很小,一般在纳秒级,且超声信号中还存在噪声,人工读取时间差不仅耗时而且误差较大。为解决这一问题,本文采用相关法对超声应力检测中表面波的传播时间差进行读取,同时优化了算法,利用样条插值运算提高了分析精度,为超声应力无损检测提供了可靠的数据分析方法。

　　2 时间差的相关分析方法

　　同一过程中产生的不同信号之间具有相似或相关性。在信号分析中,可用相关系数来描述两个信号波形的相似程度。假设s1(t)和s2(t)是能量有限的信号,R12为s1(t)和s2(t)的相关系数

　　对于离散信号,归一化相关系数为

(2)

　　在超声应力检测中,通过检测表面波在有应力和无应力时的弹性体表面上传播的时间差,可分析计算出表面应力的大小。用表面波检测应力时,100MPa的应力引起的表面波波速变化仅为0.1%(铝)和01001%(钢)[7]。对时间的测量精度要高于1ns,因此时间差的精确读取是超声应力检测的关键技术之一。

　　由于应力水平不同对应的弹性体中表面波传播速度不同,表面波的信号在时域上会产生平移,但是信号之间具有较强的相关性。设s1(t)、s2(t)分别为有应力和无应力作用时弹性体表面传播的表面波信号。s1(t)和s2(t)之间存在一个延时S。可以通过相关运算求得时间差S,并由实验对声弹性系数进行标定,获得弹性体表面的工程应力或残余应力。

　　在数字信号处理中,设采样周期为Δt,对表面波信号进行截取、滤波后,取s1(t)的前m个离散点s1(t)~s1(m)与s2(t)的前m个离散点s2(i)~s2(m+i)进行相关计算,记m为相关计算的窗长。计算的步长为Δt,循环得到相关系数的系列,最大相关系数Rmax对应的时间步长记为I,IΔt即为表面波的传播时间差τ,算法原理见图1。

　　3.1 正弦信号的相关法模拟验证

　　为验证算法的可靠性,采用正弦信号y=sin(t)和模拟的超声信号进行算法分析验证。采样频率fs=1000Hz,两列正弦信号之间的延时为τ=0.436s,截取正弦信号的长度为一个周期,如图2(a)所示;两列模拟的超声信号之间的延时为τ=0.021s,如图2(c)所示。采用上述算法,相关窗口长度分别为3.14s和0.03s,对图2(a)、图2(c)所示的信号分别进行相关计算。