超声在超声衍射时差法信号处理中的应用

发布于:2021-06-11 11:10:02

第29卷第1期 2010年2月

声学技术
TechnicaI Acoustics

V01.29,NO.1
Feb.,2010

分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用
杨书荣1,吴伟1,邬冠华2,王伏喜3
(I.南昌航空大学航空检测与评价航空科技蓖点实验审,南昌330063:2.南昌航守大学无损检测技术教育部重点实验室,南昌330063: 3.中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471039)

摘要:超声衍射时差(TOFD)方法因具有普通超声检测和射线检测的优点而被广泛应用于中厚板的焊缝检测与缺陷定 量中。TOFD技术检测的是相对微弱、指向性差的衍射波信号,被检测材料所产生的结构噪声也会降低检测信号的信 噪比,影响了TOFD检测的精度。将分离谱技术用于超声TOFD检测信号的处理,采用线性*均、极值阈值、极值 阈值+最小值、晟小值等四种恢复算法进行比较,并在最小值算法的基础上引入最小值选中次数加权算法恢复信号。 结果表明:与传统的滤波方法相比,该方法能有效地提高了回波信号的信噪比,减小了TOFD检测中的缺陷定量误差。 关键词:TOFD检测;信号处理:结构噪声;分离谱;定量精度 中图分类号:TB556 文献标识码:A 文章编号;1000.3630(2010).01-0044—04

DOI编码:10.3969巧.issnl000-3630.2010.01.010

Application

on

split.spectrum technique in ultrasonic

ToFD signal processing
YANG Shu—ron91,WU W色i1,、矿U Guan.hua",W:A NG Fu-xi’
(1.Aeronaut出Scienugey[.46晰幼y。加AeronauticTestingandEvaluation,Nanchang 330063;2.KeyLaboratoryofNon.d蕊maiueTesting,Na,圮/mn&330063;

3.脚增ShipMatarialResearchInstitute,Luoyan&471039,tte'nan,China)

Abstract:With

the advantage of precise quantification,ultrasonic time—of-flight?diffraction(TOFD)technique has been widely using in weld detection and defect quantification of middle thick plate.The signals detected by using TOFD technique are relatively weak diffraction wave signals with poor directivity,and the structure noise generated by the de— tected material will also reduce me signal-to.noise ratio and therefore affect the detection sensitivity of TDFD tech-

nique—ne

split-spectrum technique is used for processing the ultrasonic TOFD detecting signal in this paper.Four restoration algorithms,i.e.the linear average,the maximal threshold,the maximal threshold+minimal value and the minimal value,are adopted for comparison.In the end the weighted algorithm of minimal number selected based on the minimal value algorithm is used to restore the signal.Compared with the traditional filtering method,the results show that this

method can effectively

increase the signal-to-noise ratio of echo signal

and reduce the defect quantitative

error

of

TOFD detection. Key words:TOFD testing;Signal processing;Structure noise;Split-spectrum;Quantitative precision

的检测与缺陷定量中,国内也在积极*裕希疲姆 1

引言
TOFD超声波衍射时间差(time.of-flight—diffrac.

法代替射线检测的标准。TOFD法依赖于超声波与

缺陷端部的相互作用而在较大角度范围内发射的 衍射波,检出衍射波就能确定缺陷的存在,而信号
传播的时间差就是缺陷高度量值。缺陷尺寸根据衍

tion。ToFD)测量技术Iu是一种可以精确定量的检测 技术,该方法通过测量缺陷边缘的衍射超声波信号 之间传播的时间差,对缺陷的位置和大小进行测 量。该技术融合了超声波检测和射线检测的优点,
能够对缺陷准确地定性和定量。在发达国家,TOFD

射信号传播的时间而非幅度来测量。因此,对端部 衍射信号的时间差测量就成为TOFD缺陷定量的关 键。但是超声信号容易受到材料的结构噪声以及仪 器电噪声等噪声影响,且由于TOFD技术检测的是 相对微弱且指向性差的衍射波信号,导致端点衍射
回波容易被杂波所淹没或者波幅太低难以识别,使 信号的时间差测量误差增大,从而使缺陷定量时的

检测技术*年来已被广泛应用于中厚板对接焊缝

收稿日期:2009-02,15;修回日期:2009-04-22 基金项目:航宅基金(200700186)、江西省教育厅科技项目 (EP200608010)、南昌航空大学研究生创新基金(YC2007020) 作者简介:杨书荣(1977.),男,安徽人,硕士研究生。研究方向为无损 检测技术及仪器。 coin 通讯作者:杨书荣。E-mail:ysr

误差相应增大。因此,采用有效的信号处理方法来 抑制噪声信号Ⅲ,提高衍射回波信号的信噪比对缺
陷定量以及TOFD成像就显得尤为重要。

万方数据

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杨书荣等:分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用

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目前,处理超声回波信号的方法有互相关法和 小波变换法。当信号噪声为高斯白噪声,接收信号 与参考信号一致时,互相关法比较适合p’41。小波变 换在处理超声信号时用得比较广泛,但是,在低频 信号时,它的时间测量精度低;在高频信号时,它 的频率测量精度低。本文在分离谱技术的基础上采 用最小值被选中次数加权算法去除TOFD检测信号
中的结构噪声,与传统的带通滤波法相比,可以有 效提高TOFD的定量精度。

在信号分离阶段,高斯形带通滤波器比较适合 处理服从正态分布的信号,并且其时频特性均比较 理想;信号恢复阶段是整个分离谱技术的关键所
在,它是指对所有的分离信号引人非线性相关运

算,以达到降低噪声、提高信噪比的目的。目前常
用的恢复算法有最小值算法、极性阈值法、线性*

均法和最小值加极性阈值算法几种峥1。文献[7】证实, 以上算法中最小值算法对于提高信号的信噪比具 有明显的作用,但它的缺点是对滤波器数目比较敏
感,导致此算法不够稳定。

2分离谱技术的算法原理
超声检测信号中电噪声的幅度和相位均是随
机的,而且各次测量所得的结果互不相关,采用基

本文采用等带宽高斯型窄带通滤波器构成的
滤波器组对原始信号进行分离,信号恢复是在最小

值算法的基础上,采用分离信号被选中次数的加权 恢复算、法【驯进行信号恢复。该方法本质上类似于维
纳滤波器的传递函数,无需信号和噪声频谱的先验 知识,对滤波器的数目也不敏感,从而能自适应地 处理宽带的目标反射脉冲波,达到滤波精度的要求。 最小值被选中次数加权恢复算法的原理瞵1为: 首先将检测到的信号做傅立叶变换得到信号的幅 度谱,并在一定的幅度能量频带内设置若干不同中 心频率的窄带滤波器,假定这些滤波器的数目为Ⅳ

于时间*均的同步叠加法可以使干扰信号在很大 程度上正负抵消。结构噪声是材料中的晶界及组织 不均匀对超声波的散射作用而引起的散射回波,它
是与特定频率有关的相干噪声,当频率不同时,其 幅度、相位等均有显著的变化。 分离谱法ppl就是利用结构噪声和目标回波对 频率变化敏感性上的差异而建立起来的解相关方 法。当超声波频率变化时,材料结构引起的结构噪 声回波幅度将发生较大的变化,而缺陷回波的幅度 变化将相对较少。因此,若对ToFD探头发射的宽 声束超声波信号进行谱分离,那么在不同频谱段的 结构噪声回波信号幅度会有明显的不同,而缺陷回 波的变化幅度则相对稳定,这样就可以利用分离谱

个,待处理的数字信号含有M个采样点,采样周期
为Z,则数据的长度为(M一1)Z,可以从Ⅳ个带通 滤波器输出端得到Ⅳ个备选的窄带信号五(f),i=1, 2,…,Ⅳ,每个窄带信号都有各自特定的中心频率。最 小值法的原理就是在M个采样点分别对Ⅳ个窄带 信号五p)求最小值,并以此最小值作为各瞬时点的

技术来提高TOFD衍射信号的信噪比。分离谱算法
的具体实现过程如图l所示。
确 定 信 号 带 宽

信号输出,此时输出为州=z,∞,k,∽I-{呲∽|),
个窄带信号被选中的次数为m,则总选中次数为:

i=1,2,…肌(符号与原符号相同),也就是说,需要在
M个采样点处进行M次选最小值的运算。如果单

●——

IFFT[?

◆l瓣I 哑芦 ◆l瓣l 网驾 ◆|瓣I 同攀
I....一
图1分离谱算法流程圈




计 ◆

信 号 重 建

M=巩+%+…+觋+…+mⅣ,由此可定义各窄带信号



计 算

五的权值wi=mi/M。在统计意义上,高信噪比频带 信号被选中的次数是最多的,因而,在较大的现处, 该频带信号置(f)所对应的中心频率处将有一个较 高的峰值。如果我们根据信噪比对信号进行加权, 对具有较高信噪比的分离信号赋予较高的权值Ⅵ,
_v

F培l

Flow Cllal't of split-spectrum

a蛳trm

首先将接收到的数字化超声信号作快速傅立 叶变换,得到信号的全频谱,并在一定的信号频带 内设置若干不同中心频率、等带宽的窄带滤波器, 超声信号通过这些窄带滤波器后将得到一系列中 心频率不同的窄带信号,这个过程称为信号分离; 再以分离后的不同中心频率的窄带信号为变量进 行统计运算,从而得到经过非线性滤波处理的输出
信号,也即信号的重建。

也即重建后的信号yO)=Ew薯(f),那么按此方法恢 ir
复出来的信号必然能够达到较高的信噪比。

3实验结果及分析
按照TOFD检测标准,实验所用试块为150mm
X 200m_mX

30rnm(长X宽X高)的钢样块,试块的侧

万方数据









2010笠

3(b卜3(e)所示,线性*均算法的处理效果最差,而 极性阈值算法和最小值+极性阈值算法虽然滤波效


Fig.2

N N

果很明显,但信号的失真现象比较严重,最小值算

皑z—一 旷
图2试块尺寸不葸图
Schematic diagram of

法既满足了信号增强的要求,又能减少信号的失 真。但最小值算法的最大缺点是对滤波器的数目比
较敏感,不同的滤波器数目将产生差别较大的处理 结果,这个缺点使得最小值恢复算法的应用受到很

speciInm size

面从上到下分别打上直径为妒、邸、啦毫米的横 穿孔,见图2。采用美国声学物理公司的IPRl210 发射接收卡,射频输出口接到工控机上的PCI8002
数据采集卡。采集卡的采样频率为40MHz。探头选

大的限制。而本文采用的最小值选中次数加权恢复 算法(结果如图3(0所示)与最小值算法对信号的处
理效果相差不大,甚至本文的算法对信号的增强效 果更为明显。而且最小值选中次数加权算法无需信 号和噪声频谱的先验知识,对滤波器的数目也不敏 感,具有一定的自适应能力,从而很好地弥补了最

用标*嵌任叮埃埃行钠德恃≡裎担停龋
直径为6mm的TOFD探头。探头分置于试块模拟 缺陷的两边,使模拟缺陷刚好位于两探头的中间, 探头间距为S=I.73d,其中d=22mm为最大埋深,

小值算法的缺陷。 另外,与传统的带通滤波法相比,基于分离谱 技术的最小值选中次数加权算法能够有效地减少 结构噪声对衍射回波的干扰,使缺陷端部衍射回波
能够被准确识别,减少了时间测量的不确定性对定

即缺陷轴线高度离板材表面距离。实验采集到的原
始信号及分离谱算法处理后的结果如图3。
之O 魁 馨-o 时间/岬
(a)原始信号

位和定量精度的影响,从而保证了TOFD法中缺陷 定位和定量的准确性。假定反射波的中心频率没有
时间/肛s
(b)线性*均算法处理结果

发生漂移,与发射波的中心频率相同,则可以用一
个中心频率为5MHz的带通滤波器对反射波进行滤 波,其通频带宽通常取2MHz。滤波后的波形与最

之0

越0 馨 时间,岬 时间/岫

小值选中次数加权算法处理后波形比较如图4。
(c)极性阈值算法处理结果(d)极性阈值+最小值算法处理结果

时间/峪
(e)最小值算法处理结果∞最小值选中的次数加权算法处理结果 图3分离谱算法处理结果
Processing resulm of the spfit-spectram

隐3

a190rithms

O 05

从图3(a)的原始信号波形可以看到,受噪声的
影响,原始信号的信噪比是比较低的,各目标回波


人,越馨
O 0 5 r● ● p● ●L
nv

的波形也无法分清,影响了TOFD法的定位和定 量。下面采用分离谱算法对原始信号进行处理。 根据分离谱算法的原理,实验采用Ⅳ-:15个等 带宽的高斯窄带通滤波器组成的滤波器组对预处 理后的信号进行分离(起始滤波器中心频率为
0.9MHz;相邻滤波器中心频率间隔为0.4MHz;滤

图4最小值加权算法与传统的带通滤波法处理后的信号波形

F螂Signal waveforrns

after proc船smg by weighed minimum

a蜘

nthm and=adifional band-p雒s丘ltering me也od

波器带宽为O.8MHz),滤波器带宽为相邻滤波器中
心频率间隔的2倍,窄带滤波器所覆盖的处理频阈

从图4(a)中可以看出,由于材料对超声高频部
分的衰减使反射波的中心频率比发射波的中心频

宽度为信号频谱的3dB带宽,由此得到中心频率各 不相同的15组窄带信号。在信号恢复阶段采用线 性*均、极性阈值、极性阈值+最小值、最小值等 四种恢复算法进行信号的重建,所得结果分别如图

率更小,而且原始信号能量最大的频带并不是信噪 比最高的频带,导致滤波效果较差,无法准确识别 出目标回波,影响了缺陷定量的精度。而经过最小 值选中次数加权算法处理后的信号(见图4(b)),各

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杨书荣等:分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用

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目标回波的波形清晰,时间关系明显,减少了时间
测量不确定性对测量精度的影响。为了说明这~
?

分离可以提高检测信号的信噪比; (2)分离谱分离TOFD信号后的不同恢复算法
对信噪比影响较大;

点,根据公式:d


2+锄岔】.,式中:



(3)基于最小值算法的最小值选中次数加权算 法,能够有效地去除材料的结构噪声,大大地提高
了信号的信噪比。

c.纵波在材料中的声速(实测为5765m/s)
△f-孑L的端部衍射波与侧向波的时差 J.两探头入射点间距的一半 d孑L的埋藏深度(与板面的距离) 将各参数代入后计算两种方法处理后的检测 结果,如表1所示。
表1经本文算法和带通滤波法处理后定位结果的比较
Tabel l Comparison
of positioning

(4)采用合适的信号处理方法可以提高TOFD 定量的精度。 本文为超声TOFD检测信号的处理提供了一种 有益的尝试,并取得了不错的实际效果。

results between the algorithm



考文



算法————
实际埋深值/mm检测埋深N/mm 孑L 1孑L 2孑L 3孔1孔2孑L 3


used in this paper and the

band-pass盈tering method

误觏嚣

【1】李衍.超声衍射时差法探伤和定量技术忉.无损检测,2004,2,tgD:
47.53. LI Yah.TOFD detection and quantitative structive

techaiques叨.NonDe-

O l l 4 9 8 2 1 9 7 7 4O l 3 1 O 1 8 7 7 7 6 O l Z6 l t 6 1 8 6 7 9 7 7 5 4 1 4 O 3 2O 4 2 5 8 O 6 3 O 7 舢O 2 9 9 6

Testing,2004,26(1):47-53.

【2】邬冠华.小波变换对超声检测信号去噪效果的分析佣.无损检测,

带滤本算 通波文法

8 O l l4 9 8 2 l

2007.29(D:167-172.

Ⅵ哪Cruanhua.The
167-172.

analysis

of

denoismg for ultrasonic

testing

si;即al啦;ing wavelet[J].NonDestructive

Testing,2007,29(1):

由表l可知,基于分离谱技术的最小值选中次 数加权算法相比与传统的带通滤波法而言,不仅可

以大大地提高信号的信噪比,而且可以增强缺陷定
量的准确性,减小了测量的误差。

【3】Honarvar E Sheikhzadeh H,Moles M.Improving the lutinn and signal-to-noise ratio of ultrasonic NDE signals叨.U1-
Uasonics,2004,41:755—763.

time-脚

【41

Loutridis S J.Damage detection in mode

gear

systems

using眦删

decomposition[J].Eng面矧玛Smactm岱,2004,拍:

1833.1841.

4结论
TOFD技术是一种可以精确测量缺陷埋深和自 身高度的超声检测技术,为评价被检测件的可靠性 提供试验数据,而信号处理的目的就是为了减小噪 声对目标回波的干扰,使目标回波的波形更加清 晰,以提高TOFD定量的精度。 本文针对结构噪声的特点,采用分离谱技术对 TOFD检测信号进行谱分离,在信号恢复阶段采用 线性*均等四种恢复算法进行信号的重建,结果表 明,以最小值恢复算法的处理效果最好,但最小值 算法的最大缺点是对滤波器的数目比较敏感,导致 该算法不够稳定,因此本文在最小值算法的基础上 引入了最小值选中次数加权算法,得到以下结论: (1)采用分离谱技术对TOFD检测信号进行谱

【5】5

Santiago Zazo Bello,Luis Vergara Dominguez,Paez ap】rrallo Jose

M.A constrained optimization algorithm in split-spectrum tem niquesIA].Proc ICASSP’95[C].Detroit M-I:1995.1037—1040. 【6】刘镇清,景勇刚.增强超声探伤信号的分离谱处理方法叨.无损检 测,2001,23(3):132-135.
LIU Zhenamg,JING Yonggang.Split?spectrum processing for the

improvem∞t of ultrasonic sigaals[j].Non.Destructive Testing, 2001。23(3):132?135. 【7】 刘镇清.用于增强超声检测信号的分离谱处理性能分析【J】.声学 技术,1997,16(1):32-35.
LI'U z'henqmg.Performance
Sot

for ultrasonic

signal

evaluation of Split-specmma proces? elthallcement明.Acoustic Technology,

【8】

1997,16(1):32-35. 臂华明.基于最小值选中次数的分离谱加权算法的超声信号处理 方法研究们.无损检测,2005,27(2):68-71,82.
LEI Huaming.Research rithra based
011 on

the

split-spectrum processing

algo-

minimization statistic times for ultrasonic signal

鲫Dccssing叨.Notd)esmactive Testis8,2005。27(2):68?71,82.

万方数据

分离谱技术在超声衍射时差法信号处理中的应用
作者: 作者单位: 杨书荣, 吴伟, 邬冠华, 王伏喜, YANG Shu-rong, WU Wei, WU Guan-hua, WANG Fu-xi 杨书荣,吴伟,YANG Shu-rong,WU Wei(南昌航空大学航空检测与评价航空科技重点实验室,南 昌,330063), 邬冠华,WU Guan-hua(南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,南昌 ,330063), 王伏喜,WANG Fu-xi(中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳,471039) 声学技术 TECHNICAL ACOUSTICS 2010,29(1) 0次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(8条) 1.李衍 超声衍射时差法探伤和定量技术--焊缝超声检测最新欧洲标准介绍[期刊论文]-无损检测 2004(1) 2.邬冠华.吴伟.王铮.卢超 小波变换对超声检测信号去噪效果的分析[期刊论文]-无损检测 2007(1) 3.Honarvar F.Sheikhzadeh H.Moles M Improving the time-resolution and signal-to-noise ratio of ultrasonic NDE Signals 2004 4.Loutridis S J Damage detection in gear systems using empirical mode decomposition 2004 5.Santiago Zazo Bello.Luis Vergara Dominguez.Paez Bprrallo Jose M A constrained optimization algorithm in split-spectrum techniques 1995 6.刘镇清.景永刚 增强超声探伤信号的分离谱处理方法[期刊论文]-无损检测 2001(3) 7.刘镇清 用于增强超声检测信号的分离谱处理性能分析[期刊论文]-声学技术 1997(1) 8.雷华明.聂文滨.阙沛文 基于最小值选中次数的分离谱加权算法的超声信号处理方法研究[期刊论文]-无损检测 2005(2)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sxjs201001010.aspx 授权使用:兰州理工大学(lzlgdx),授权号:af80eef6-9ed3-4d69-85e4-9de600c0c8b0 下载时间:2010年9月3日


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