蘭姆波檢測中缺陷定位的難點(diǎn)

蘭姆波檢測中缺陷定位的難點(diǎn)

缺陷定位的確定由于激勵(lì)模型的色散特性，蘭姆波至少存在兩種類型，每個(gè)模型的群速度隨激發(fā)頻率的變化而變化，即色散。這使得信號(hào)中常存在多種模式,它們相互疊加,從時(shí)域中常常無法識(shí)別出各自的模式,使得缺陷位置的定位存在諸多難點(diǎn)。雖然蘭姆波在傳播過程中遇到缺陷后的作用機(jī)理還未研究透徹,但是從宏觀上仍然可以把它視為一個(gè)以一定速度向前傳播的波陣面,只不過這個(gè)波陣面的傳播速度是隨頻厚積而變化的。當(dāng)這個(gè)波陣面遇到缺陷反射體時(shí),會(huì)發(fā)生折射、反射以及衍射,還會(huì)產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換。當(dāng)采用單發(fā)單收的方式來激發(fā)和接收蘭姆波時(shí),接收到的蘭姆波信號(hào)是由傳播的蘭姆波遇到缺陷反射后得到的。因此可以提出一個(gè)假設(shè),即蘭姆波檢測時(shí)缺陷位置可采用常規(guī)超聲波的基于脈沖反射原理的聲程法進(jìn)行定位。本文通過試驗(yàn)研究,證明了這一假設(shè)是可行的,并采用時(shí)域和時(shí)頻域兩種算法進(jìn)行缺陷定位計(jì)算,都取得了較好的缺陷定位精度,同時(shí)比較了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。1關(guān)注低場社區(qū)過程中的相速度頻散曲線描述蘭姆波波動(dòng)特性的方程是瑞利—蘭姆(Rayleigh-Lamb)方程,用Matlab編程對(duì)瑞利—蘭姆方程進(jìn)行數(shù)值求解,得到蘭姆波在Q235熱軋鋼板中的相速度頻散曲線(圖1),計(jì)算中取縱波速度cl=5940m/s,橫波速度cs=3240m/s。根據(jù)相速度頻散曲線可以得到群速度頻散曲線以及激發(fā)角曲線。由圖1可知,蘭姆波的相速度是隨著頻厚積的變化而變化,且不同的模式有不同的頻散特性。2信號(hào)時(shí)變的時(shí)—時(shí)頻分析理論從統(tǒng)計(jì)的角度來看,各階統(tǒng)計(jì)量與時(shí)間無關(guān)的信號(hào)稱為平穩(wěn)信號(hào),而某階統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)間改變的信號(hào)則稱為非平穩(wěn)信號(hào)。分析和處理平穩(wěn)信號(hào)最常用也是最主要的方法是傅里葉變換,但是傅里葉變換只能確定哪些頻率存在,而不能確定在特定某一時(shí)間哪些頻率存在以及頻率分量能量的集中程度。在現(xiàn)實(shí)生活中時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)是非常普遍的,蘭姆波也是典型的非平穩(wěn)信號(hào),單獨(dú)使用時(shí)間分析和頻率分析都不能充分描述非平穩(wěn)信號(hào)的特性,這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)—頻聯(lián)合描述。短時(shí)傅里葉變換(STFT)是研究非平穩(wěn)信號(hào)最廣泛使用的方法,其中的概念簡單、意義明確,許多情況下,給出了與直觀感知相符得很好的時(shí)—頻構(gòu)造。將信號(hào)時(shí)域局部化,并將各個(gè)局部化的時(shí)域信號(hào)加窗函數(shù)(本文選擇用Hamming窗)后進(jìn)行傅里葉變換。蘭姆波的群速度頻散曲線是在速度-頻率空間上描述蘭姆波不同模式的能量傳播特性。將群速度頻散曲線轉(zhuǎn)換到時(shí)間—頻厚空間,可得到各模式蘭姆波的理論時(shí)頻分布曲線。圖2所示為傳播距離為656mm時(shí)的理論時(shí)頻分布曲線。3單收、鋼板和通孔模擬缺陷的檢測圖3是實(shí)驗(yàn)示意圖。對(duì)一塊4.8mm厚的鋼板,采用中心頻率為2.5MHz的斜探頭(入射角為53.2°)來檢測,采用單發(fā)單收的方式來激發(fā)和接收蘭姆波。實(shí)驗(yàn)中使斜探頭位于鋼板沿長度方向的中心軸線上。在沒有制作人工缺陷前,對(duì)板進(jìn)行檢測,測得的波形數(shù)據(jù)如圖4(a)所示。然后在鋼板中制作一個(gè)孔徑為4mm的通孔模擬缺陷,通孔位置如圖3中所示,測得的波形數(shù)據(jù)如圖4(b)所示。經(jīng)測量探頭入射點(diǎn)距離板右端面為328mm,記作L2,距離孔中心距離為80mm,記作L1。4脈沖反射波的測定觀察圖4,在信號(hào)的0μs～30μs之間的那個(gè)波包是由初始脈沖產(chǎn)生的,具有較寬的頻帶,會(huì)干擾信號(hào)的頻域描述。在進(jìn)行頻譜分析前應(yīng)人為地將時(shí)域信號(hào)中0μs～30μs的數(shù)據(jù)清零,以消除初始脈沖的干擾。圖4(a)是沒有缺陷之前的波形圖,根據(jù)蘭姆波也可采用基于脈沖反射原理的聲程法進(jìn)行缺陷定位的假設(shè),可把時(shí)間軸上大約225μs處的波包當(dāng)作是入射蘭姆波遇到板右端面后反射回來的端面反射波包。圖4(b)是有缺陷之后的波形圖,端面反射波包的位置幾乎沒有變化,只是幅值發(fā)生了比較大的衰減。在大約58μs處的波包顯然可當(dāng)作入射蘭姆波遇到通孔缺陷之后反射回來的缺陷回波。下面采用兩種算法來驗(yàn)證這一假設(shè)。4.1時(shí)間標(biāo)記的計(jì)算由圖4(b)可知,將第一個(gè)波包當(dāng)作通孔缺陷的反射波包,其最大幅值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)為59.5μs;將第二個(gè)波包當(dāng)作板端面的反射波包,其最大幅值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)為225μs。根據(jù)式(1)、式(2)可以計(jì)算L1的大小。2L1=T1×V(1)2L2=T2×V(2)得到:L1=T1T2×L2(3)L1=Τ1Τ2×L2(3)把T1=59.5μs,T2=225μs,L2=328mm代入到式(3)中得到L1=86.74mm。即通過時(shí)域算法計(jì)算得到缺陷反射波包對(duì)應(yīng)的缺陷位置與探頭入射點(diǎn)之間距離為86.74mm,而實(shí)測的距離L1等于80mm,相對(duì)誤差為8.4%。4.2基于脈沖反射的時(shí)頻分布實(shí)驗(yàn)根據(jù)孔型模擬缺陷不易使傳播的蘭姆波信號(hào)產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換的結(jié)論,端面反射波包和通孔缺陷發(fā)射波包均屬于同一模式的蘭姆波。為分析方便對(duì)板中無缺陷時(shí)的信號(hào)取其30μs以后的信號(hào)部分進(jìn)行傅里葉變換分析其頻譜組成,發(fā)現(xiàn)在頻厚積為10MHz·mm左右集中了信號(hào)大部分的能量,而在其它頻厚積位置處存在許多干擾噪聲,為了提高信噪比,進(jìn)一步為時(shí)頻分析打下基礎(chǔ),需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。這里采用無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器(IIR)中的Butterworth濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波,濾波器的階數(shù)為6階,帶通濾波截止頻率為:[1.82.3]×2/fs,其中fs為采樣頻率,等于10MHz。圖5(a)、圖5(b)分別是對(duì)無缺陷時(shí)檢測信號(hào)進(jìn)行濾波處理前后的時(shí)域波形圖和功率譜圖,通過比較發(fā)現(xiàn)信號(hào)經(jīng)過帶通濾波處理之后,濾掉了其他頻帶上的干擾噪聲。再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換,得到時(shí)頻分布譜圖,通過與理論時(shí)頻分布曲線對(duì)比,結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出有兩種模式疊加在時(shí)頻譜最大位置處,由于信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短,加上短時(shí)傅里葉變換分辨力的限制,使得無法識(shí)別出信號(hào)中究竟是S1模式還是S2模式或者是兩種模式的疊加,但是這并不妨礙進(jìn)一步的分析。時(shí)頻分布中兩種模式的蘭姆波在某一頻厚積處疊加在一起,說明這兩種模式蘭姆波在此頻厚積處的群速度相同,只有這樣它們的到達(dá)時(shí)間才會(huì)一致,從而產(chǎn)生信號(hào)疊加?？梢酝ㄟ^時(shí)頻分布圖提取出信號(hào)能量最大處(渲染顏色最深的位置)的頻厚積和時(shí)間坐標(biāo)。得到頻厚積和時(shí)間坐標(biāo)為[9.85226.30]。通過頻厚積坐標(biāo)值,對(duì)照蘭姆波理論群速度曲線可以得到實(shí)驗(yàn)中蘭姆波的群速度值為2818m/s,即為蘭姆波的傳播速度?，F(xiàn)在來分析圖4(b)有缺陷后的檢測波形,信號(hào)的第一個(gè)波包幅值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)記作T1,等于59.5μs。通孔缺陷中心的離探頭入射點(diǎn)的距離用L1來表示,波速用V來表示。根據(jù):2L1=T1×V,就可以確定L1等于83.84mm。這與實(shí)測的數(shù)據(jù)80mm相當(dāng)接近,相對(duì)誤差只有4.80%。由此可見,兩種算法都能較好地驗(yàn)證“蘭姆波也可采用基于脈沖反射原理的聲程法進(jìn)行缺陷定位”這一假設(shè)。第一種缺陷定位法計(jì)算簡單,無需確定蘭姆波傳播速度,但是僅適用于有端面反射波的場合;而且精度相對(duì)較低,特別是當(dāng)探測距離較長時(shí),由于蘭姆波的頻散使得信號(hào)在時(shí)間軸上散得很開,使得定位精度更低。第二種缺陷定位方法處理過程相對(duì)復(fù)雜些,但精度相對(duì)較高,若是激發(fā)的蘭姆波模式較為單一,信噪比較高時(shí)可以達(dá)到更高的定位精度。5不同探測距離的時(shí)間軸定位精度1)蘭姆波缺陷位置的定位方法和常規(guī)超聲波類似,即可以通過聲程來確定。2)時(shí)域缺陷定位法計(jì)算簡單,但是精度相對(duì)較低,特別是當(dāng)探測距離較長時(shí),由于蘭姆波的頻散使得信號(hào)在時(shí)間軸上散得很開,