自适应滤波在多界面超声检测中的应用

    钢/橡胶多层粘接结构是一种典型的金属/非金属粘接结构,它在现代工业和国防事业中的重要应用迫切需要超声无损检测技术对它在生产和服役中的粘接质量做出 可靠的评价,其中对界面脱粘的检测是减少危害和损失的重要方面。然而,由于该结构的特殊性,在超声检测时还面临一些长期没有很好解决的困难,其中之一是反 映橡胶层中粘接界面脱粘的特征信号由于其相对比较微弱,且受钢层强反射信号的干扰大而很难识别,因此研究如何有效的提取和利用反映界面脱粘的信息特征,在 理论探索和工业应用两方面都有重要的意义。

    自适应滤波理论由Windrow B在1967年提出的,在工程上已得到广泛的应用。在超声检测领域中,自适应噪声抵消方法也成为目前检测的一种普遍的方法[1~3],但对于脱粘检测应用 中主要还是针对一层钢板下多层绝热层的研究。对于本文研究的钢/橡胶交替而成的多界面粘接结构,目前国内还很少有这方面的研究成果。本文以九层钢/橡胶交 替层叠而成的结构为检测对象,对结构进行多次检测,综合分析其结果,再利用自适应滤波信号处理方法提取出各界面的特征,从而判断出各界面的粘接状态。

1　检测原理

    本文研究的多界面粘接结构如图1所示,试件由5层钢和4层橡胶交替层叠粘接而成,试件中有4个脱粘区域,分别为一、二、三、四界面脱粘,这里的脱粘是指完全空气层脱粘。

    检测原理采用多次检测的方法综合分析,采用的是2·5M的纵波直探头。一种是采用双探头对射法探测,另一种是单探头反射法探测。双探头探测方式可以检测是 否存在界面脱粘,而单探头探测是用来进一步判定哪个界面存在脱粘。在检测中,根据超声波的穿透原理,先采用双探头检测界面是否存在界面脱粘,然后再利用单 探头检测哪个界面脱粘。

    根据上面的分析,采用单探头对试件的5个区域进行探测得到的数据。图1为探伤仪衰减在70dB的情况下探测的的波形。其中(f)图是相同条件下理想零界面 回波,这里定义零界面回波为探头与钢板接触界面的回波,即从试件上表面返回的超声波,而理想零界面回波则是探头直接接触空气的回波。

2　自适应滤波的信号处理

    观察图1的波形,可以看出各回波有一定区别,但不容易区分,主要是由于纵波在试件中经过多次反射,造成各界面回波叠加,另外各回波中还存在零界面回波。下面利用自适应滤波原理,对回波信号进行处理。

2·1　自适应滤波原理

    图2是自适应滤波的原理图,信号x₀(k)为参考信号,信号x(k)为输入信号,信号y(k)是自适应滤波器的输出,信号z(k)是最后系统的输出,e(k)称为误差信号。整个工作过程如下:信号x₀(k)经自适应处理器得到y(k),使y(k)模拟x(k)中的x₀(k)所代表的回波成份,最终得到的z(k)是x(k)-y(k)。原理上参考信号和所要提取出来的回波信号是线性关系的,因此这里采用的自适应处理器就采用系数可调的FIR滤波器。