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北京工业大学 硕士学位论文 基于DSP技术的超声波无损检测研究 姓名：焦标强 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：史耀武
摘要摘要本研究采用先进的数字信号处理技术，对超声检测原始信号进行变换和处 理，试图从超声检测信号中挖掘出可用于表征材料特性的有用信息，达到提高超 声检测可靠性的目的。本课题的研究对象是铜．钢异种材料摩擦焊接头和汽车用 镀锌钢板点焊接头。 在对铜－钢异种材料摩擦焊接头的超声无损检测中，采用聚焦探头水浸法，利 用小波分析技术对接头采样点超声Ａ信号进行消噪及小波包分解，并利用“能 量－缺陷”分析方法，对接头质量与接头界面超声反射信号能量分布关系进行研 究。调查发现，超声Ａ信号经小波包变换后，根据各个频带上的能量分郝规律 可以直接反映出接头局部区域的剪切强度，进一步判断接头的结合质量。 在对汽车用镀锌钢板点焊接头的超声无损检测中，采用超声直接接触法提取 接头超声Ａ信号，采用快速傅立叶变换对检测到的超声波Ａ信号进行变换，分 析信号的频域特性。研究表明，高频信号幅度值随焊核直径和接头强度的增加而 下降。根据傅立叶变换后高频部分的幅值，不但可以判断镀锌板点焊试样焊核的 大小以及试样拉伸强度的高低，而且可以区分虚焊试样和有焊核试样。 对铜．钢异种材料摩擦焊接头和汽车用镀锌钢板点焊接头超声检测信号的研 究表明．对超声检测过程采用适当的数字信号处理技术可以有效的提高超声检测 的可靠性。关键词无损检测：超声；数字信号处理：焊接接头北京Ｔ业人学Ｔ学赖Ｉ＋学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｗｏｒｋ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ＤＳＰ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｓｉｇｎａｌｓ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｆｒｏｍ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｉｓ ｔｏ ｆｉｎｄ ｕｓｅｆｕｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈＣａｌｌｓｈｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎ－ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｙ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｃｏｐｐｅｒ―ｓｔｅｅｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ―ｗｅｌｄｓ ａｎｄｃａｒｂｏｄｙ’Ｓｃｏａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ 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的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能。包括探测材料或构件中是否有 缺陷，并对缺陷的形状、大小、位置、取向、分布和内含物等情况进行判断；还 能提供组织分布、应力状态以及某些机械和物理量等信息。无损检测技术的应用 范围十分广泛，己在机械制造、石油化工、造船、汽车、航空航天和核能等工业 中被普遍采用。 无损检测具有悠久的历史，长期以来人们在实践中形成了许多有用的无损检 测方法。它的发展大致经历了三个阶段…。早期称为无损探伤，它的作用是在不 损坏产品的前提下，发现人眼无法直接观察到的缺陷，以满足制造业与使用的要 求。第二阶段称为无损检测，它不但检验最终产品，而且要检测加工过程的工艺 参数，是１７１前国内外最流行的术语。第三阶段为无损评价，这是随着现代工业的 发展，对产品质量要求的提高和断裂力学等原理用于材料和工件的极限寿命的设 计思想的出现，由原来的探伤技术发展成为测伤技术，不仅要探出缺陷的有无及 位置，而且还要测出缺陷的类型、尺寸、形状、取向以及对力学行为的影响等， 以便用断裂力学的方法对被检测产品做出检修周期和使用安全性的结论。因此， 无损评价包含无损检测的内容，但比无损检验更具综合性１２】。 现代意义上的无损检测技术是随着各种测试技术、材料科学、电子技术与物 理科学的发展而发展起来的。制造业中的无损检测与评价技术，对于改进产品质 量，保证材料、零部件、产品的可靠性和生产过程的安全性，以及提高劳动生产 率等都起着关键作用。无损检测技术应用于产品的整个制造、服役过程中，它在 产品的设计加工制造、成品检验以及设备服役的各个阶段都发挥着重要作用。无 损检测技术的重大意义还在于它在新材料和新加工方法研究中的关键性作用。现 代制造业的发展，对具有不同优良性能的新材料提出越来越高的要求，这些新材 料和相应的加工方法往往由于材料本身的原因或加工工艺过程的特点，必须进行 无损检测。实践表明，研究新的检测方法可以使新材料、新工艺的优化设计变的 更加有效。 由此可知，无损检测在现代制造业的各个方面都有着广泛的应用，是现代制北皋丁业人学Ｔ学颂Ｌ学位论史造业的重要内容。在一定程度上，无损检测技术的高低反映了一个国家的制造业 水平。因此，各国对无损检测技术的研究都非常重视。例如，美国为了保持它在 世界上科学技术的领先地位，在１９７９年的政府工作报告中，提出要成立六大技 术中心，其中之一就是无损检测技术中心。Ｒ本认为现在工业是建立在无损检测 的基础上的，工业中坚持普遍采用无损检测技术，才能使其产品质量大大提高， 占领国际市场。德国是应用无损检测评价技术方面较为先进的国家，这是德国的 机器制造业保持领先水平的重要因素。前苏联对无损检测也很重视，政府把资余 拨给九个无损检测中心，无损检测技术的发展直接支持了前苏联工业产品和武器 生产，特别是国防工业和航空航天领域的发展。发展中国家为了建立本国的工业 基础，也把无损检测作为提高产品质量的有力工具。例如，拉丁美洲８个发展中 国家组成无损检测联合体来互相支援发展工业。我国随着制造业发展的需要，无 损检测技术也得到迅速发展，很多工业部门近年来都在加强无损检测技术的应用。无损检测技术带来的经济效益是明显的。据测算，我国企业不良产品的年损 失约２０００亿元。若能在生产过程中广泛采用无损检测技术，及早发现不良产品， 可以将损失减小到最小程度。如上海热电行业大量采用无损检测技术后，每年的 经济效益以百万元计。另外，无损检测的经济效益还表现在产品的竞争能力上。 在无损检测技术的支持下提高产品的质量和可靠性，是保障产品进入国际市场的 决定性因素之一。以汽车工业为例，同本小汽车生产中３０％的零件采用无损检测 后质量迅速超过美国，销售市场扩大而且严重威胁美国的汽车工业。德国奔驰汽 车公司对汽车的几千个零件全部进行无损检测后，运行公里数增加～倍，大大提 高了产品在国际市场上的竞争能力。 无损检测的方法很多，最常用的无损检测方法有五种：超声检测、射线检测、 涡流检测、磁粉检测和渗透检测。他们已成为生产中的常规无损检测技术。另外， 还有各种新型的检测方法，如激光全息照相、声振检测、红外检测等１３】。１．２数字信号处理技术１．２．１数字信号处理的概念及组成信号可定义为一个承载信息的函数，通常表示为时间，的函数。对于幅度和 时间都取连续值的信号称为模拟信号或时域连续信号；对于幅度值取连续值，而 时间耿离散值的信号成为时域离散信号；而对于幅度和时问均为离散值的信号称 为数字信号【４Ｊ。我们所研究的超声回波信号就属于幅度和时间均为离散值的信 号，亦称为超声回波的数字信号。 数字信号处理是一个新的学科领域，它是把数字或符号表示的序列，通过计笫１荦绪论算机或专用处理设备，用数字方式去处理这些序列，以达到更符合人们要求的信 号形式。例如对信号的滤波、信号有用分量的提取和增强、无用分量的削弱以及 对信号某些特征参数的估计。总之，，’Ｌ是用数字方式对信号进行滤波、变换、增 强、压缩、估计、识别等都是数字信号处理的研究对象【５，们。１．２．２数字信号处理的特点由于数字信号处理的直接对象是数字信号，处理的方式是数值运算方式，使 它相对模拟信号处理具有许多优点，归纳起来有以下几点： （１１灵活性 数字信号处理系统的性能取决于系统参数，这些参数存储在存储器中，很容 易改变，因此系统的性能容易改变，甚至通过参数的改变，系统变成了另外完全 不同的系统。灵活性还表现在数字系统可以分时复用，用一套数字系统分时处理 几路信号。 （２）高精度和高稳定性 数字系统的特性不易随使用条件变化而变化，尤其使用了超大规模集成的 ＤＳＰ芯片，设备简化，更提高了系统的稳定性和可靠性。运算位数又由８位提高 到１６、３２、６４等位，在计算精度方面，模拟系统是不能和数字系统相比拟的。 为此，许多测量仪器为满足高精度的要求只能采用数字系统。 （３１便于大规模集成 数字部件具有高度的规范性，对电路参数要求不严，容易大规模集成和大规 模生产，这也是ＤＳＰ芯片发展迅速的原因之一。由于采用了大规模集成电路， 数字系统体积小、重量轻、可靠性强。 （４１数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能的指标参数 以上优点更加使数字信号处理不再仅仅限于对模拟系统的逼近上，它可以完 成许多模拟系统完不成的任务。例如，电视系统中的画中画、多画面、各种视频 特技（包括画面压缩、画面放大、画面坐标旋转）演员特技制作、特殊的配音制 作、数字滤波器严格的线性相位特性，甚至非因果系统可通过延时实现等。 因此，数字信号处理的理论和技术一出现就受到人们的极大关注，发展非常 迅速。国际上一般把１９６５年作为数字信号处理这一新学科的开端，仅仅４０年， 这门学科就基本上形成了一套完整的理论体系，其中也包括各种快速的和优良的 算法。随着各种电子技术及计算机技术的飞速发展，数字信号处理的理论和技术 还在不断丰富和完善，新的理论和技术层出不穷。可以说，数字信号处理是应用 最快、成效最显著的新学科之一，目的己广泛地应用在语音、雷达、声纳、地震、 图像、通信、控制、生物、医学、遥感遥测、地质勘探、航空航天、故障检测、 自动化仪表等领域。可以说，数字信号处理的理论和技术是目前高新技术的基石。北京Ｔ业人学工学硕ｌ‘学位论史１．３超声波无损检测技术的优势与国内外发展概况１．３．１超声波无损检测的优点在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表 面缺陷，对试件内部的裂纹不敏感。射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但 是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的 防护设备，因而大大限制了该方法的应用范围。 超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。它不仅对 平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无 害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛。 超声检测方法除了具有设备简单，使用方便和安全性好，检测范围广等根本 性的优点外，超声检测产生的时域波形信号形式，使得计算机信号处理、模式识 别和人工智能等技术能够方便的用于检测过程。计算机在超声检测中的应用，也 使得超声检测的可靠性越来越高１７ｌ。目前已经超过了射线检测，成为最普遍应用 的无损检测方法。普遍采用超声检测的另外一个原因，是为了采用断裂力学和损 伤力学的知识对检测对象进行寿命估计，超声检测对微型裂纹敏感的特点Ｊ下符合 这种需要。１．３．２超声检测技术的产生与国内外进展利用超声波检测物体内部的缺陷最早是由莳苏联的Ｓｏｋｏｌｏｖ［８１于１９２９年提出 来的，１ ９３ １年德国Ｍｕｌｈａｕｓｅｒｌ８１在其专利中提出来声波强度检测方法的工业应用 方案。受到了射线检测方法的启发，Ｍｕｌｈａｕｓｅｒ把透过被检测工件的超声波强度 计算后由电表读出，根据电表指示值的大小对被检测工件内部的特性做出判断。 这种强度测定法使用一定频率范围内的连续超声波，参考因驻波引起的干涉问 题，被检测工件中的三维驻波场的振动节主体位置由驻波的频率和工件的尺寸共 同确定，当工件的尺寸或超声波的频率有少量变动时，会使接受到的超声波强度 发生很大的变化。 第二次世界大战后，由于雷达技术和电子技术的发展，才使超声波检测技术 真丁Ｆ进入工业应用领域。１９４４年英国Ｆｉｒｅｓｔｏｎｅｔ９ｌ发表了采用超声脉冲探伤仪的报 告，１９４６年英国Ｓｐｒｏｕｌｅｌ９ｌ也独立地研制成功Ａ型脉冲反射式超声探伤仪，并把 该探伤仪应用于钢材的探伤。脉冲超声探伤仪除了能避免被检测工件中的驻波干 涉现象，从而测出较小尺寸的缺陷外，还可由声波的传播时间确定缺陷的位罱， 到上世纪五十年代基本上取代了穿透法超声探伤仪，被广泛应用于钢铁、机械制 造和船舶工业部门。笫ｌ币绪论２０世纪７０年代至９０年代是国际超声波无损检测技术发展的兴旺时期，其 特点是新方法和新技术不断出现，超声波无损检测仪器的改进也得到了进一步的 提高。超声波电视装置、Ｂ扫描、Ｃ扫描、超声全息成像装置、超声显微镜、具 有多种信息处理和显示功能的多通道发射检测系统，以及采用自适应网络对缺陷 波进行识别和分类，采用模／数转换技术将波形数字化以便存储和处理的微机化 超声检测仪均己开始应用。微型计算机在数据处理和过程的自动化控制两个方面 得到了广泛的应用，从而使某些项目达到了在线和实时检测的水平Ｉｌ…。 在超声信号的评价中，信号分析处理技术也有了进一步的发展，例如：（１） 信号平均技术：它可以在改变探伤参数时，使散射信号随机变化，而缺陷信号基 本不变，对多个信号取平均值，可以提高信噪比…，挖】。（２）数字滤波技术：通过 低通、高通、带通以及中值滤波等对信号处理，获得最佳的信号。（３）反卷积：能区分两个很近的信号，提高超声信号分辨率㈣。（４）频谱分析㈦”ｌ：多用傅立叶变换（ＦＦＴ）的方法将信号变换，观察频谱图、相位图等。（５）时频域分析【１６１７１：多用裂谱法【１８１、小波法㈣２０１等对超声信号分析。在信号的识别技术方面有：（１）模式识别技术，通过分析、判断、归类、识别出事物与哪一个供模仿的标本相似［２１Ｊ。（２）人工神经网络及专家系统：主要是按照生物神经系统的处理方法处理真２，实的客观事物，由于人们对于事物的认识不同，这个系统的结构功能差别很大｛２２３】。（３）超声波成像技术：这一技术包括数据采集和图像重建两个过程，是解决定 量无损检测的一个最有前途的方法口４’”２６１。１．４本论文研究的内容及目的将信号分析与处理技术和超声无损检测与评价技术相结合，是解决对被检对 象缺陷信息（特征）进行深层挖掘的必经之路。目前，信号分析与处理技术主要 用于对裂纹和缺陷超声波信号的分析和识别，但对材料超声波信号特征值的提 取、特征值规律的确定及评价方法仍处于摸索阶段。 本课题利用数字信号处理技术，对铜．钢异种材料摩擦焊接头和汽车用镀锌 钢板点焊接头这两种目前在无损检测行业很少有人涉足的焊接接头质量进行超 声波无损检测及评价。直接研究焊接接头强度与超声波检测特征信号的关系，以 期找到更加方便、快捷、可靠的针对特定焊接接头的质量评价方法，以适应不同 加工方法对无损检测技术的需求。研究方案如图１．１所示。幽１．ｊ研究方案流程图Ｆｉｇ．１?１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆｔｈｅ ｓｔｕｄｙｐｒｏｊｅｃｔ?６?第２章超声波无损检测系统超声检测是一种常规的无损检测技术，它利用超声波在材利中传播时，遇到 界面（如裂纹、气孔缺陷）反射回来声讯号的特征，或声能在不同介质中衰减特 征不同等性能，通过电子显示仪器显示出反射波（或透射波）信号或图形，对被 检对象进行检测【２７】。超声检测的基本原理如图２．１所示。产生Ｈｊ丁 检测的超 卢信号 发射与介质（包括 介质中缺陷） 相互作＿ＬＩｊ 传｝番超声信号 的接收、处 理平｜】显示 接受检山介质 特性和缺 陷 判别幽２．１超声检测过程的基本原理Ｆｉｇ．２－１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓ２．１超声检测方法及原理按声波类型区分，超声检测可以分为连续波法和脉冲波法，连续波法中又分 为透射法和谐振法；在脉冲波法中可以分为脉冲反射法和脉冲透射法两种。下面 简单介绍三种较常用的检测方法。２．１．１脉冲反射法２．１．１．１工作原理脉冲反射法是利用超声脉冲波入射到两种不同介质交界面上 发生反射的原理进行检测。采用同一换能器兼作发射和接收，接收信号显示在荧 光屏上。基本原理和波形如图２―２所示。 当工件中无缺陷时，接收波形如图２－２ａ）所示，荧光屏上只有始波Ｔ和底波Ｂ； 当有小于声束截面的缺陷时，有缺陷波Ｆ出现，Ｆ波在时基轴上的位置取决于缺陷声程ｂ可由此确定缺陷在试件中的位置。缺陷回波的高度，取决于缺陷的反射面积和方向角的大小，借此可评价缺陷的当量大小。由于缺陷使部分声能反射， 从而使底波高度下降，如图２－２ｂ）所示；当有大于声束截面的大缺陷时，全部声 能将被缺陷反射，届时将仅有始波和大的缺陷波出现在荧光屏上。一ａ） ａ）完蚶试样ａ）Ｐｅｒｆｅｃｔ ｓａｍｐｌｅ乙―１■’ｌ―?■――――――－－一ｂ）ｂ）缺陷试样 ｂ）Ｆｌａｗ幽２－２无缺陷试样和由缺｛５｝ｊ试样中的超卢回波Ｆｉｇ．２－２ Ｅｃｈｏｓ ｆｒｏｍ ｐｅｒｆｅｃｔ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ ｆｌａｗ ｓａｍｐｌｅ２．１．１．２脉冲反射法的特点与透射法相比，脉冲反射法有以下优点： １．灵敏度高，当反射声压达到晶片起始声压的ｌ％时即能检侧，因此，可发 现较小的缺陷： ２．缺陷定位精度高。它是利用缺陷波的传播时间，通过调节扫描速度，即 调节时基轴与声程的比例来对缺陷定位的。因此只要仪器水平线性好，缺陷定位 就准确； ３．适应范围广，改变耦合、探头和波型可实现不同方法的检测； ４．操作方便，脉冲反射波一般不需要专门的扫查装置，这就为各种场合下 的检测作业带来了极大的方便和灵活性。 但脉冲反射法也有一定的不足之处： １．存在一定盲区，对近表面缺陷和薄壁工件不太适用； ２．对于声束轴线不垂直的缺陷反射面，由于折射的结果，使探头往往收不 到缺陷回波信号，容易造成漏检； ３．因声波往返传播，对于高衰减材料的检测不适用。２．１．２脉冲透射法２．１．２．１工作原理脉冲透射法是将发射、接收探头分别置于被检试件的两侧， 并使两个探头的声轴处在同一条直线上，同时保证探头与试件之间有良好的声耦 合，这样就可以根据超声波穿透试件后的能量变化情况来判断试件内部质量。当 试件中无缺陷时，荧光屏上显示始波Ｔ和具有一定幅度的回波脉冲Ｂ：当有小缺 陷时，声波被缺陷遮挡，接收到的回波信号幅度减小；而当试件中缺陷面积造成 的声影大于声束截面时，荧光屏上只显示起始脉冲Ｔ，无回波信号，如图２―３所第２章超声波光损榆测系统不。笈射探头 接收探头旦 蔓ａ） ｂ）图２．３超声穿透法示意幽 ａ）无缺陷试样ａ）Ｐｅｒｆｅｃｔ ｓａｍｐｌｅｂ）有缺陷试样ｂ）Ｆｌａｗ ｓａｍｐｌｅＦｉｇ．２－３ Ｓｃｈｅｍｍｉｃ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ２．１．２．２脉冲透射法的优缺点脉冲透射法的主要优点： １．工件中不存在盲区，适宜探测薄壁工件； ２．与缺陷取向无关，不管缺陷取向如何，只要它遮挡声束传播路径，接收 探头就能发现； ３．在透射法中，声波是单声程传播，故适合检测高衰减的材料。 脉冲透射法的缺点： １．探测灵敏度低，仅当入射声压变化大于２０％以上时，才能被接收探头检出；２．不能确定缺陷的深度位置，仅能判断缺陷的有无和大小；３．对发射和接收探头的相对位置要求严格，需专门的探头支撑装置，因而 操作不方便。２．１．３共振法依据试样的共振特性，来判断缺陷情况和工件厚度变化的方法称为共振法。 若声波（频率可调的连续波）在被检工件内传播，当试样的厚度为超声波的半波 长的整数倍时，由于入射波和反射波的相位相同，将引起共振，一起显示出共振 频率，用楣邻的两个共振频率之差，出以下公式算出试件厚度：式中五一工件的固有频率批＂一２瓦丽（２－１２。＾ｎＣ ２＂Ｃ ２ ｔ｛，一｛，．、、。ｆ０）工，Ｚ一。一相邻两共振频率ｃ 工 Ｊｎ一被检试样的声速 一波长 一试件厚度一共振次数当试样内存在缺陷或工件厚度发生变化时，将改变试件的共振频率。当测得 共振频率，和共振次数Ｈ后，即可求出厚度。由于共振法设备简单，测量精确， 常用于壁厚测量。此外，若工件中存在较大缺陷或当工件厚度改变时，将导致共 振现象消失或共振点偏移，可利用此现象检测复合材料的胶合质量、板材点焊质 量、均匀腐蚀量和板材内部央层等缺陷。 由于超声脉冲反射检测法灵敏度高、缺陷定位精度高、适应范围广等优点， 因此本课题中采用超声脉冲反射法来对试样进行检测和研究。２．２超声检测系统本课题采用的超声检测系统为美国物理声学公司（ＰｈｙｓｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）生产的ＵｌｔｒａＰＡＣ ＩＩ超声检测仪，图２－４为该系统的实物照片。 该系统是一个可以进行Ａ扫描、Ｂ扫描、ｃ扫描以及Ａ―Ｂ．ｃ扫描的超声无损 检测自动机，由计算机、ＡＤ－ＩＰＲ一１２１０超声脉冲发生／接收卡、步进电机控制卡、 三坐标扫描架及信号采集与处理软件等几部分组成。ＡＤ．ＩＰＲ一１２１０是集超声脉冲 产生和高频数据采集于～体的集成板卡，它的最高采样频率为１００ＭＨｚ。 整个仪器由超声检测仪器和超声处理分析仪器两部分组成。检测部分是通过电振荡（方波脉冲）加于换能器――探头，激励探头发射超声波，同时将探头送回的电信号进行放大，通过计算机的软件显示出来，从而得到检测信息。通常机 电换能器是一种可以将电能转化为机械能，反之亦可的装置，对于频率超过 ２００ＫＨｚ的超声检测，常用压电换能器。检测杆装有聚焦探头，计算机的数据采 集软件，可以调节检测参数、移动的速度及采集范围的确定、检测参数的设定、 以及采集信号存储。ＡＤ．ＩＰＲ．１２１０超声脉冲产生／接收卡、电机控制卡以及超声 脉冲发生／接收卡在工控机内，由工控机内的超声发射接收卡产生脉冲，经过探 头及超声发射接收线发射并接收（本试验采用单探头发射接收），采集的模拟信 号通过工控机内的ＡＤ．ＩＰＲ．１２１０超声脉冲产生，接收卡，可以实现超声波信号的 数字化，检测的图形显示在计算机显示器上，图形及信号可分别存为图形文件和 二进制数据文件。图２－４ ＰＡＣＩＩ超声检测系统Ｆｉｇ．２－４ ＰＡＣ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｃ－ｓｃａｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ１支架２水箱３聚焦水浸探头４电源箱７５电动机６超声发射接收线ｒ控机８显示器本课题采用的检测探头（换能器）为点聚焦探头和平探头两种，分别针对铜 一钢摩擦焊接头和汽车车身用镀锌钢板点焊接头的检测过程。在铜一钢异种材料摩 擦焊接头超声检测时，使用点聚焦探头来进行水浸超声检测，检测过程原理图如 图２－５所示。点聚焦探头型号ＩＵｌ０Ｇ２，频率是１０ＭＨｚ，晶片直径为Ｄ＝１２．７ｍｍ， 水中焦长Ｆ＝３８．１ｍｍ，焦点直径为０．５４ｍｍ，焦柱长为０．９ｒａｍ。幽２．５超卢水浸扫描检测原理图Ｆｉｇ．２－５ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ汽车车身用镀锌钢板点焊接头的检测过程使用平探头进行直接接触检测，检 测过程原理如图２－６所示。平探头型号１０Ｃ６Ｎ，频率是１０ＭＨｚ，直径６ｒａｍ窄脉 冲探头，对应宽频带。北京丁业人学Ｔ学顾Ｉ：学位论土耦台剂剧２－６超声直接接触法检测原理图Ｆｉｇ．２－６ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ２．３本章小结（１）介绍了超声波无损检测的常用方法及其原理； （２）介绍了本课题研究过程中所使用的超声检测设备的构成以及所使用的 检测方法。第３常数字信Ｉｊ处理技术肇础第３章数字信号处理技术基础信号可定义为一个承载信息的函数，通常表示为时间，的函数。对于幅度和 时间都取连续值的信号称为模拟信号或时域连续信号；对于幅度值耿连续值，而 时间取离散值的信号成为时域离散信号；而对于幅度和时间均为离散值的信号称 为数字信号。我们所研究的超声回波信号就属于幅度和时Ｉ‘日Ｊ均为离散值的信号， 亦称为超声回波的数字信号。 数字信号处理是一个新的学科领域，它是把数字或符号表示的序列，通过计 算机或专用处理设备，用数字方式去处理这些序列，以达到更符合人们要求的信 号形式。例如对信号的滤波、信号有用分量的提取和增强、无用分量的削弱以及 对信号某些特征参数的估计。总之，儿是用数字方式对信号进行滤波、变换、增 强、压缩、估计、识别等都是数字信号处理的研究对象。 时域信号到频域信号的转换是进行超声波频谱分析的基础。频谱分析是对信 号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率为坐标的相关物理量的谱线或曲线。３．１傅立叶变换频谱分析的主要理论基础是傅立叶变换。从信号分析的理论可知，任何信号 只要满足傅立叶变换条件，总可以分解为不同的谐波分量，而每一个谐波分量可 由其振幅和相位来表征。各次谐波可以按其频率高低依次排列起来成为谱状，按 照这样排列的各次谐波的总体称为频谱。信号中所宙的各次谐波幅度（振幅）值 的全体成为幅度（振幅）谱，它表征信号的幅值随频率的分布情况；各次谐波相 位值的全体成为相位谱，它表征信号的相位移随频率的分布情况：而表达各次谐 波能量（或功率）的全体成为能量谱（功率谱）。利用频谱分析方法，找出该信 号的频谱或功率谱，并且可以根据测量得到的信号谱来分析检测信号的特征。 自从快速傅立叶变换ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）出现以后．谱分析技术从模拟转向数字，从非实时转向实时处理，进入一个新的阶段并得到很快的发展。 所谓数字谱分析，即利用数字的方法求信号序列的离散近似谱。 基于ＦＦＴ的谱分析方法的简洁性与实用性，现代频谱分析主要是基于离散 傅立叶变换的谱分析。众所周知，任何形状的信号都可以视作无限个不同频率的 『Ｆ弦交变信号的叠加，在数学上它用傅立叶序列来表述。假设有一周期信号ｘ（０， 其周期为丁，那么它的傅立叶序列为：ｎ１』（３＿１）ｘ（ｒ）＝詈＋吾∑（巩ｃｏｓ２ｎ＇ｆ．ｔ＋“ｓｉｎ２ｒｃｆ，ｔ）北京工业人学＂１２学硕ｔ＿－ｑｚ位论文式中ｃ２０、ｃ／ｎ、ｂｏ一傅立时系数，Ｚ一各次谐波的频率。常规的超声检测信号一般可认为是有限时间的瞬态信号，而对于某一瞬态信 号ｘ（ｒ），可设定其周期了’趋向无穷大，这时序列可以化为：ｘ（ｆ）＝ＩＸ（ｆ）ｅｊ２ｎ：／ｔａＴ（３－２）这里傅立叶系数变为连续的频率函数：。巴Ｘ（ｆ）＝ｌｘ（ｔ）ｅ一’２。“ｄｔ（３．３）式（３－３）Ｂ１１是著名的傅立叶变换，式（３―２）是傅立叶反变换，其中厂代表频率，砌为一复函数，其幅?频和相．频关系为：Ｉｘ（厂）Ｉ＝√Ｒｅ【ｘ（Ｉ厂）】２＋Ｉｍ【ｘ（，）］２（３―４）町ｍｒｃｔａｎ（意譬潞法通常为离散傅立叶变换法。睁ｓ，它们分别表示超声回波信号声压随频率变换的关系，以及被检材料对不同频 率超声波的滞后效应。将信号ｘ（ｆ）经Ａ／Ｄ采样后变成数字信号序列ｘ（ｎ），则对照 式（３―２）、（３－３）可得出相应离散傅立叶变换对，在微机上数字实现信号频域转换方离散傅立叶变换法是将离散的时间序列转化为离散的频率序列，设在超声检 测中接收的离散信号为ｘ（Ｈ），则离散傅立叶变换可表达成：彳（ｋ）＝∑ｘ（ｎ）ｅ１２““（拓ｏ＇ｌ，．１”，Ⅳ＿１）（３－６）ｘ（Ｈ）＝÷∑Ⅳ（女）Ｐ正“…（ｎ＝ｏ，１，…，Ｎ－１）议妁为ｚ（Ｈ）的傅立叶变换。（３―７）式中ｎ，ｋ为序列号，．ｖ为数字信号序列的点数，ｘ（Ｈ）为Ⅳ点离散时间序列，实现式（３．６）须舻次复数乘法运算．运用ＦＦＴ快速算法，可使乘法运算量由Ｎ２降为芸ｌ０９２Ｎ。ＦＦＴ算法有很多种，但基本上可以分成两大类：即时间抽取法和频率抽取法， 原则上，只要Ⅳ是复数，即可得到快速算法，我们在超声波频谱分析进程实现时，采用的是频率抽取基――２ＦＦＴ算法。频率抽取法是将频率坦∞的序号ｋ按奇、偶分开。对式（３．６）的离散傅立叶变 换（ＤＦＴ），先将硝胛）按疗的顺序分成前后两半，得：Ⅳ（七）＝∑Ｊ（肝）Ｗ‘＋∑ｆ（疗）Ｗ。＝∑工（Ⅳ）蝶“＋∑Ｘ（１ｌ＋Ｎ１２）Ｗ，ｖ‘睇“２＝∑［ｘ（”）＋蝶＋ｘ（ｎ＋Ⅳ／２），蝶。（ｋ＝ｏ，Ｊ，．１－．，Ｎ一１）（３．８）式中畔”＝（一１）。，分别令ｋ＝２ｒ，ｋ＝２ｒ］Ｌ，，，＝醴，，”＂，Ｎ／２一』，得：Ｘ（２ｒ）＝∑［ｘ（行）＋ｘ（＂＋．、ｒ／２）］崂：：”２０… ）９―３（ Ｎ，２一Ｉ…’Ｘ（２ｒ＋１）＝∑［ｘ（ｎ）－ｘ（ｎ＋Ⅳ／２）】暇：：睇７令：嬲三黧＋一ｘ（ｎ＋…Ｎ／２）ｘ（ｎ ＋／２）］暇 Ｎ删ｈ（ｎ）＝【ｘ（ｎ）一（３．１０）、Ｘ（２ｒ）＝∑ｇ（ｎ）蝶：：则：”０Ｍ―ｌ（３一１１）Ｘ（２ｒ＋１）＝∑自（ｎ）蝶：：这样将一个Ｎ点的ＤＦＴ分成两个Ｎ／２点的ＤＦＴ。分的方法是将ｘ（曲按序号 ｋ的奇、偶分开。式（３―１１）运算关系可用图３－１所示的蝶形运算来表示。由于Ｎ／２ 仍是一个偶数，因此仍可以按照上述分解法继续分下去，直到最后剩下全部是两 点的ＤＦＴ。这个过程即是傅立叶变换的过程。ｘ（＂）ｘ（ｎ＋Ｎ１２）【ｍ）一ｘ（ｎ＋Ｎ１２）】阡Ｚ图３．１频率抽取法的蝶形运算Ｆｉｇ．３－ｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｂｓｔｒａｃｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ北京丁业人学丁学坝｛ｊ学位论文ＩＩＩＩ图３－２给出了一个８点的完整频率抽取ＦＦＴ结构。Ｘ０删州Ｘ，』２删 删 珊 羽 炯 姗豳３－２Ｎ＝８的频率抽取ＦＦＴ幽Ｆｉｇ ３－２ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｂｓｔｒａｃｔ ＦＦＴＺ３Ｊ４Ｘ５Ｘ６Ｘ７ｄｉａｇｒａｍ（Ｎ＝８）３．２小波变换及去噪理论小波理论是从上个世纪８０年代后期逐步发展起来的一种用于信号处理的数 学工具，经过十几年的探索研究，它已经成为～个独立的数学理论体系。小波变 换是小波理论的重要内容，是一种能同时完成时域、频域局部化的时．频域分析 方法，它具有『Ｆ交性、方向选择性、可变的时．频域分辨率及分析数据量小等优 良特性，被认为是傅立叶分析发展的新阶段。 离散小波变换将信号逐层精细化为逼近信号和细节信号，用较少的系数表征 原始信号。在进行离散小波变换时有多个系列的小波基可供选择，这大大丰富了 离散小波变换的内容。小波包变换是在离敞小波变换的基础上发展而来的，它在 逐层分解信号时不仅对逼近信号进行再分解，而且还对细节信号进行再分解，所 以小波包分解信号具有更精细的特点。提升框架属于第二代小波，它在框架基的 构建和选择上具有更大的灵活性，也易于编程实现。这三种变换都是小波变换的 基本形式。 研究表明，第～，在用小波变换分解信号时，随着分解层数的加深，噪声渐 渐的集中到高频系数上，从而实现了信号与噪声的分离：第二，小波变换不但能 对信号进行分解，还能实现信号的精确重构。基于这两个结论，对信号进行分解， 去除或压缩由噪声控制的小波系数，再由重构算法得到去噪信号，这个过程叫做小波去噪【２８１。３．２．１小波函数定塞２：！设妒（ｒ）是一个平方可积函数，即少（ｔ）ｅ上２（Ｒ），若傅立叶变换∥（０２）满足条件：Ｃ：ｆ！竺！竺！！ｄ∞＜一（３－１２）：甜则称∥（，）为一个小波函数，或小波基，并称式（３－１２）为小波容许性条件。 小波函数的时域波形具有如下特点：（１）定义域是紧支撑的，因此小波函数 具有局部化的时窗，有速降性；（２）由容许性条件得，当∞＝Ｏ时，必有ｖ（∞）＝ｏ，即弦＠）衍＝０，说明小波和时问轴所围成的面积为０，即小波函数具有正负交替的波动性。将小波母函数＿；ｆ，（，）进行伸缩平移可得到一族函数：％。（，）＝日一ｊ∥（尘兰），“ａ＞Ｏ，ｂｅＲ，其中ａ为尺度因子，ｂ为平移因子，根据这一思想人们构造了多种 小波函数，如正交小波、紧支集小波等。最简单的小波函数是Ｈａａｒ小波．其它 常用的小波函数有Ｄａｕｂｅｅｈｉｅｓ小波、Ｃｏｉｆｌｅｔｓ小波、Ｓｙｍｌｅｔｓ小波等。３．２．２小波变换小波变换实质上是将任意一个信号Ｊ，（，）以小波函数为基底进行展开，或者说 将信号，《，）表示为小波函数的线性组合。定塞２：２设∥（，）∈ｒ（Ｒ）是母小波，对任意函数Ｊ，（ｆ），则称∥驰湖＝（舶抛（删２去ｐ少（等）魂为苁，）的连续小波变换，式中ａ为尺度因子，ｂ为平移因子。 机实现，需要对小波函数中忆．。（ｔ）中的口、ｂ进行离散化。（３＿１３）连续小波变换中存在冗余信息，为了减少小波变换系数的冗余度和便于计算定竖２：３设∥（，）芒Ｌ２（Ｒ）是母小波，对任意函数Ａｔ），则称：ｐ｝７一（日，ｂ）＝ａ０４”Ｉ。，厂（，）∥（《“，一ｂ）ｄｔ为，（ｆ）的离散小波变换。ｏｏ＞ｏ，口，ｂｅＺ（３－１４）定塞２：垒设∥（，）∈Ｌ２（Ｒ）是母ｄ、波，对任意函数Ａｔ），则称喝（２ ７，６）＝（厂（叭％ｕ）＝百１￡，（，）．；ｆ，（等瑚（３－１５）北京ｑ－业人学Ｔ＝学坝小学位论文为．／Ｉｔ）的二进小波变换。 二进制小波和离散小波相比，只是对尺度参数进行了离散化，而对时间上平 移参量仍保持连续变化，因此，二进小波没有破坏连续小波变换的时移不变性， 这是它较离散小波变换所具有的独特性。３．２．３多分辨率分析多分辨率分析（Ｍｕｌｔｉ．Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ，又称为ＭＲＡ），又称多尺度分析， 不仅为正交小波的构造提供了一种简单的方法，而且为『Ｆ交小波变换的快速算法 提供了理论依据。因此，多分辨率分析是小波理论中的精髓，具有非常重要的地 位。定竖２：５设｛ｖ：Ｊ∈ｚ｝是Ｌ２（Ｒ）上的一个子空侧序列，如果｛ｒ；Ｊ∈ｚ）和函数∥（，）∈Ｌ２（Ｒ）满足如下条件： Ｉ．～致单调性：…ｃ―ｃ■＋ｌｃ…ＶｉｅＺ２．渐进完全性：ｎ¨＝｛ｏ／ＪＥＺＵ一＝ｒ（Ｒ）ＪｅＺ３．伸缩规则性：ｆ（ｘ）∈ＶＩ§ｆ（２ｘ）∈ｙ…４．平移不变性：，（ｘ）∈％§ｆ（ｘ―ｋ）∈ＫＶ，∈ＺＶｋ∈Ｚ５．Ｒｉｅｓｚ基存在性：存在妒（ｘ）∈％，使｛妒０一ｔ）ｆｔ∈Ｚ｝构成％的标准正交 基 ６．类似性：令ＡＪ是用分辨率２＇逼近信号以ｘ）算子，在分辨率为２１的所有 逼近函数ｇ（ｘ）中，Ａ，ｆｉｘ）是最类似于苁ｘ）的函数，即对任意的ｇ（ｘ）∈巧有慨ｘ）一ｆ（ｘ）ＩＩ≥∽厂（ｘ）一／（ｘ）４逼近算子＾是在向量巧上的『Ｆ交投影，则称｛巧．，∈Ｚ｝是由函数妒（，）生成的一个正交多分辩分析（其中妒（，）称为尺度函数）。 由上述分析可知，多分辩率分析的所有尺度空间｛巧／∈ｚ）都是由同一尺度函 数妒（ｒ）在不同尺度下组成的，但由于｛”；，Ｅ Ｚ）相互包含不具有『Ｆ交性，因此尺度 函数在不同的尺度下的伸缩和平移伊。＝２叫２ｐ（２…，一七）不能构成Ｌ２（月）的正交基。为此，定义％为巧在巧＋１中的Ｊ下交补空间，即巧＋严巧审彬，嘭上巧，因此，｛％；，∈Ｚ｝ＭＡＴ￡２（胄）的一系列正交予空问，即￡２（Ｒ）＝ｑⅣ，。设｛％．＾；Ｊ∈ｚ）Ｊｔ‘是空问％的一组正交基，且满足小波容许条件，则它的伸缩和平移集合｛∥，』＝２－，／２∥（２一’，一七）√∈Ｚ，ｋ∈Ｚ）必然构成三２（月）的一组正交基，其中∥时（，）成 为小波函数，孵成为尺度为，的小波空间。 从多分辨率分析的定义中看出，它与人类的视觉惊人的相似。当人在观察某第３常数７信峙处理技术基础一目标时，可设他与目标之间的距离为尺度，当他在远处观察目标时，对应大尺 度空间，只能看到目标概貌，当他走近目标时，对应于小尺度空间，可以对目标 进行细致观察。由远及近，尺度相应的由大变小，可以对目标进行多尺度的由粗 到细的观察，如图３．３所示。’Ｆ秽，Ｊ阳幽３．３多尺度分析类比示意幽Ｆｉｇ．３－３ Ａｎａｌｏｇｙ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｍｕｌｔｉ―ｓｃａｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ３．２．４Ｍａｌｌａｔ塔式算法Ｍａｌｌａｔ在多分辨率分析的基础上提出了诈交小波变换分解与重构的快速算 法，也叫塔式算法，它被誉为小波变换中的ＦＦＴ，使小波变换的优良特性得以充 分的发挥。 算法原理：信号ｆｉｔ）的Ｊ层小波分解使将月ｆ）以尺度＿，变换到空问Ｌ２（Ｒ）的两个Ｊ下交子空阳ｊ巧和彬上，由巧得到离散逼近值吗，由彤得到离散细节值ｃ毋，下一层分解中是以尺度，＋ｌ在将ｃ４分解到子空间吁，和彬＋／上，这样按式（３－１６）不断分解下去，实现对信号的多分辨率分解。ｆｉｔ）２ｃ Ａｉ＋ｃＤｊ＝ｃ４＋ｃ毋＋ｃ功．／＋…＋ｃＤ：＋ｃＤｌ（３－１６）＝ｃＡＨ＋ｆ￡ｋ＋ｃＤ．，，＋…＋ｃＤ２＋ｃＤｊ分解过程如图３－４所示，“，为逼近信号或平滑信号，它对应着信号的低频 成分：ｃＤｊ为细节信号，它对应着信号的高频成分。ＨＩ）――――一ＡＩ―――．．ｃ＾：…――――?ｐＡＪ．～―――．?工Ａ ｎ＼吨＼嘎＼Ｅ＼瓯幽３－４分解算法示意幽重构过程是分解过程的逆运算，相应的重构算法如式（３―１７），整个过程如图北京工业人学丁学碗Ｉ’学位论义３―５所示。 ｃ■。＋ｃＤ。＋ｃＤ．．，＋…＋ｃＤ２＋ｃＤＩ＝ｆｉｔ）（３－１７）ｃＡｑ｛～－ｌ～－”Ｐ．．，Ａｌ――－提”ｃＤ／／ｃＤ．／／ｃＤ：７／ｃＤ’７／幽３－５重构算法示意幽Ｆｉｇ．３－５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ小波分解与重构塔式算法的数学表达式如式（３?１８），若五为信号苁，）的离散采 样数据，＾－－－－ｃＡｏ．ｔ，则信号奠ｆ）的小波分解公式为：Ｉ ｃＡＨ＝∑ｃＡＩ－Ｉ，ｎ％Ⅲ ｛ 二ｌｃＤ小＝∑ｃＤｊ“…ｇＬ”ｋ＝０，ｌ，２，…，Ⅳ一ｌ（３－１８）２ｋ式中（３．１８）：ｃＡ．。为逼近系数，ｃＤ肿为细节系数，Ｊ为分解层数，Ｎ为离散 采样点数，ｈ为低通滤波器。ｇ为高通滤波器。 小波变换的重构过程是分解过程的逆运算，相应的重构公式为：吗吐。＝∑叫。巩。。＋∑ｃＤ。ｇ一。＂ ｎ（３―１９）３．２．５小波包算法设ｊ下交小波函数∥（ｆ）、尺度函数妒（，）ｉ蔫足双尺度方程：ｆ妒（，）＝压∑九妒（２卜”）Ｉ∥（，）＝，１２ｙ，ｇ（ｐ（２ｔ―Ｈ）Ｉ １１ＥＺ（３－２０）记／２０（ｒ）２妒（，），∥一（，）２ｙ（，）。定竖２：鱼称由公式ｆＰ２ｋ（，）＝√２∑％“（２ｔ一＂）ｉ，Ｍ２ｋ＊Ｉ（ｆ）＿压∑岛／２。（２ｔ一”）ＩⅢＥＺ（３－２１）所定义的函数集合｛从（，）），。心．为／－ｔｏ（ｒ）＝妒（，）确定的小波包。第３章数‘一信呼处理技术基础ＩＩ３．２．６小波变换的去噪理论在工程应用中，待分析的信号可能包含许多尖峰或者突变部分，并且噪声也 不是平稳的白噪声，对这种信号进行分析时，首先需要对信号进行预处理，将噪 声去除，提取出有用的信息。对这种信号去噪时，用传统的傅立叶分析就显得无 能为力，因为傅立叶分析是将信号完全分解在频域中，是对信号进行平滑处理， 在消除噪声的同时，也展宽了波形，模糊化了信号的突变点，使得突变点所携带 的信息受到损失，而且信号在时问轴上的任何一个突变，都将影响到信号的整个 频谱图，造成锚误的分析结果。但是小波分析由于能同时在时频域中对信号进行 分析，所以它能有效的区分信号中的突变部分和噪声，从而实现对信号的有效去噪。３．２．６．１小波去噪的一般原理小波变换时～个线性变换，可以压缩信号的缓变部分，突出信号的突变部分，从而为实现与噪声的分离提供了理论依据。设信号ｓ（ｔ）＝月，）＋月（ｆ）为含有加性噪声的噪声信号，取小波变换则有： 彬（ｂ，ｎ）＝ＶＣ（ｂ，玎）＋Ｗｎ（ｂ，口）（３－２２）如果ＩＷｎ（ｂ，口）ｆ＞＞Ｉ玎丁（６，口）Ｉ，则彬（６，口）中噪声成分居多，去噪时应将这部分 小波系数剔除或压缩；如果ＩＷｆ（ｂ，口）ｌ＞＞ｌ肌？（６，ｄ）ｆ，则彬（ｂ，口）中的信号成分是主要的，就予以保留或增强，这样在小波变换域中通过改变小波系数就实现了噪声 的抵消，使得所保留下来的小波系数主要是由信号所控制，再通过逆小波变换就 可以重构或恢复出信号。基于小波变换去噪的原理如图３－６所示：图３－６小波去噪原理幽Ｆｉｇ．３－６ Ｗａｖｅｌｅｔ ｄｅｎｏｉｓｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ小波去噪与传统滤波去噪的不同是在小波去除噪声的过程中，不会丢失信号 的突变点（边缘）信息。小波去噪的关键问题有两个：第一，选择适当的小波基 函数，使得信号的背景噪声在小波变换域能够最大程度的分离；第二，在小波变 换域设计出最佳压缩噪声小波系数的方案，使得按该方案修改以后的小波系数能 使信号得到最大程度的恢复。３２．６．２小波变换域去噪方法设∥（ｒ）为具有，＋ｌ阶消失矩且紧支撑的正交小波基函数，Ｓ（ｔ）是一个信号并有：叫）叫０）＋趴咖＋掣“…＋掣“ｇ（ｆ）（３－２３）Ｚ： ｒ！研究表明，ｓ（，）和ｇ（ｆ）具有相同的小波变换，这说明具有ｒ＋ｌ阶消失矩的小波北京Ｔ业人学Ｔ学顺ｆ。学位论文可以压缩掉信号中的，阶多项式部分，而仅保留了不币则部分甙，）的信息。换句话说，小波变换能抑制低频部分，而保留相对的高频部分。这是基于小波变换去噪的理论基础。在进行小波去噪时，小波函数消失矩的大小是选择小波函数的～ 个重要参数，一般选用消失矩大的小波函数，且小波的消失矩和它的币则性呈『Ｆ比关系。３．３Ｍａｔｌａｂ软件简介ＭＡＴＬＡＢ是一种建立在向量、数组和矩阵基础上，面向科学与工程计算的高级语言，它集科学计算、自动控制、信号处理、图像处理编程等于一体，具有 很高的工作效率。ＭＡＴＬＡＢ软件主要由主包、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和工具箱三大部分组成， 主包一般包括ＭＡＴＬＡＢ语言、工作环境、句柄图形、数学函数库、应用程序接 口。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一种应用于动念系统仿真的交互式系统。它允许用户绘制模拟一 个系统，并能动态控制该系统。系统包括线形、非线形、连续、离散、多变量以 及多级系统。工具箱是ＭＡＴＬＡＢ用束解决各个领域特定问题的函数库，它是开 放式的，它可以直接应用，也可以自己扩展。它的内容涉及数学、控制、通信、 信号处理、图形处理、地理等方面。具体信号处理与分析功能，主要通过采样后 二迸制格式数据文件的读入，数据的转换，信号的分析处理。一方面可以在主包 中通过ＭＡＴＬＡＢ语言，对信号处理的算法，及处理的方法进行程序的编制，对 转换的数据进行手工信号处理，另一方诬，应用信号处理菜单，可以实现信号的 变换、滤波、谱估计、滤波器的设计，线形系统的分析等功能，如对信号进行归 ～化处理、消除各类噪声处理、时域滤波处理、频谱分析、小波分析（包括小波 包分析）。归～化处理，可以对信号进行去除支流分量和归一化处理，以便于使 后续的信号处理不受特定信号强度变化的影响。噪声分析，包括对电噪声、脉冲 噪声、脉动噪声、结构噪声等常见的噪声分析处理、消除算法。时域滤波算法， 包括低通滤波、高通滤波、带通滤波，滤波器可以自行设计。频谱分析，包括傅 立叶变换、功率谱密度和综合频谱分析。小波包分析主要是时频域分析。在进行 信号处理时，算法的执行需要一些参数，如消除脉冲噪声时需要的脉冲噪声临界 值，时域滤波时的滤波器通带范围，小波函数的分解尺度等，这些参数在实际应 用时可以在对话框中输入，而且具有缺省值。此外还包含了示例库，给出了典型 的信号及处理算法的特点，并进行了说明，给研究提供了参考，软件的使用方法、 信号处理和分析的算法及源程序，和软件的所有程序的文本都在帮助文件中列出１２９’３０，３ｌｌ。ＭＡＴＬＡＢ提供了一个基于ＷＩＮＤＯＷＳ的信号处理平台，能和ＷＩＮＤＯＷＳ 配合使用，把信号的采集、分析处理、评价等集成在一起，汇集了各种信号分析 的算法，使得使用更加方便Ｊｊ“。第３市数‘一仿ｑ处理技术耩础３．４本章小结本章主要介绍了信号处理技术中常用的傅立叶变换的基本概念、变换方法以 及小波理论的基本概念、变换方法和去噪理论。在介绍小波变换的过程中，首先 给出小波函数的定义，以此为基础介绍了连续小波变换、离散小波变换和二进制 小波变换。其次定义了多分辨率分析，它不仅为丁Ｆ交小波的构造提供了一种简单 的方法，而且为『Ｆ交小波变换的快速算法提供了理论依据。第三，在多分辨率思 想的基础上给出了Ｍａｌｌａｔ算法，它相当于傅立叶变换中的ＦＦＴ，是进行小波分析的基础。第四，介绍了小波包分解算法。第血，介绍了第二代小波分析方法一提升框架，这种方法不仅能够实现传统小波分析的功能，而且简单易懂，易于实现。 第六，后在小波理论的基础上分析了小波去噪理论的基本思想和方法。本章的内 容是对点焊和摩擦焊接头超声检测信号分析处理的理论基础。本章最后还介绍了 课题研究中所使用的信号分析与处理软件ＭＡＴＬＡＢ。北京下业人学Ｔ学碳Ｊ＋学位论义第４章铜一钢异种材料摩擦焊接头的超声波无损检测４．１摩擦焊技术原理及发展在近百种焊接方法中．大致可以分成两大类：熔化焊接方法和非熔化焊接方 法。熔化焊接方法是在添加或不添加外来材料的情况下，利用各种类型的热源将 被焊材料（母材）熔化而达到冶会结合的焊接方法。常用的熔化焊接方法有：手 工电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、Ｃ０２焊、等离子束焊、电子束焊、激光焊等。 非熔化焊接方法也称为固相焊接方法，它是在不熔化母材前提下形成冶金结合的 焊接方法。摩擦焊接就是固相焊接方法中的一种，它利用被焊材料的相对运动摩 擦产生热量，使摩擦面及其附近材料达到塑性状态，同时施加压力使接头达到冶 金结合的焊接方法。 由于摩擦将两段材料结合在一起的现象由来已久，比如在切削加工过程中钻 头和工件粘结在一起，滑动轴承由于烧瓦而卡住等。因此长期以来．人们都在设 法避免这样的情况发生，而利用摩擦加热使两个工件实现可靠焊接的想法始终受 到怀疑，直到１９５６年才真正利用摩擦焊接方法将两段圆钢牢固的焊接在一起。 在众多的焊接方法中，摩擦焊属于生产效率最高的一种，具有很大的技术潜 力和广阔的应用村景。通常焊接过程只需要几秒至十几秒的时｜１日Ｊ，所需功率仅为 传统工艺的２０％左右。从焊接性角度来讲．摩擦焊接方法母材不熔化，焊缝为锻 造组织，晶粒细化，组织致密，夹杂物弥散分布，不产生与熔化和凝固有关的焊 接缺陷和相关的焊接脆化现象。同时，摩擦焊表面的“自清理”作用亦有利于保 证焊接接头的质量。摩擦焊接方法具有广泛的工艺适应性，可以进行同质会属材 料，异质金属材料，金属与非会届材料，以及非金属材料与非金属材料的焊接。 许多很难或不能用熔化焊接方法连接的材料都可以考虑利用摩擦焊接方法进行 连接。一些新型材料，难熔材料的连接也可以通过摩擦焊接来完成。另外．摩擦 焊接过程可控性好，有利于焊接参数及焊接过程的自动控制。 异种材料摩擦焊是近年来摩擦焊技术的重要研究方向，它在航空、核工业中 有着极其重要的应用。由于材料物理性能的差异以及焊接参数的波动，即使在最 佳参数下仍可能在界面产生焊接缺陷。对于在非常重要场合使用的异种材料摩擦 焊接头，接头焊后质量的无损检测显得尤为重要１３３１。目前，国内外许多研究都限 于异种材料摩擦焊的应用和工艺研究，对接头焊后质量的无损检测与评价研究却 少有报道。因此，很有必要对异种材料摩擦焊接头的焊后超声波无损检测技术进 行研究和探索”ｏ”’３ｅ，Ｉ。第４章铜－钢异种村料摩擦焊接头的超声波无损检测４．２异种材料摩擦焊工艺参数对结合质量的影响本次试验所用摩擦焊试样是通过惯性摩擦焊方法实现的，惯性摩擦焊的工艺 参数主要有三个：飞轮的转动惯量、飞轮转速和轴向压力。前两个参数决定焊接 可用的总能量，轴向力大小取决于被焊材质和接合面的面积。在进行异种材料惯 性摩擦焊时还应考虑材质差异而对焊接接头产生的影响。 飞轮的能量可由下式确定：Ｅ＝５５×１０～Ｉ－门２ｆ４―１１式中Ｅ一能量（Ｊ） ，一飞轮系统转动惯量，（ｋｇ．ｍ２）： ｍ一飞轮系统的质量（ｋｇ）卜一回转半径（ｍ），＝卅．ｒ２Ｈ一瞬时速度（ｒ／ｍｉｎ）从式（４．１）看出，改变飞轮的转动惯量（即改变飞轮的形状尺寸和质量）或改 变其转速都可以改变焊接可用的能量。 在焊接过程中，飞轮因释放其所储能量而降低速度，待飞轮停止（转速为零）， 飞轮的能量就全部传递给焊接接合面而转变为热能。在轴向压力作用下使接合面 发生连接。 焊接能量、转速和轴向压力对摩擦焊接的加热状态和飞边形状的影响如图４．１所示Ｍ。（１）飞轮的转动惯量 在一定转速和轴向压力下焊接的可用能量与飞轮的转动惯量成正比。增大飞 轮的转动惯量，可用能量增加。当能量增加时，接合处呈塑性状态的金属量增加， 顶锻后接合面挤出的会属也增加。这时加热状态均匀，但能量过大，使金属大量 变成飞边而浪费，图４．Ｉａ）示出了用低、中、高焊接能量的对接缝端面形状。 焊接循环后期的顶锻量除取决于加热压力和顶锻压力外，还取决于飞轮开始 顶锻时的剩余能量。大的飞轮能延长顶锻阶段，小的飞轮则顶锻过程不足以压实 焊缝和从接合面上挤出杂质。 （２）飞轮的转速 旋转的作用是使焊件接合面产生相对线速度。对实心圆棒，其圆周线速度中 心处为零，外圆周处最大，呈线性变化。对每种会属材料都存在一个能使接头具 有最佳性能的外圆周速度，对于焊接实芯铜棒时，推荐的工件初始外圆周速度范 围为２．５ｍ／ｓ～７．６ｍ／ｓ。如果速度太低，中心部分的热量不足，难以使整个截面形 成接合，而且飞边也粗糙不均，见图４―１ｂ）。若用中等转速，从】．５ｍ／ｓ～４．１ｍ／ｓ变 化时，接合面的加热状态从呈细腰状渐变得较平坦。过高的转速时，焊缝呈鼓形，北京丁业大学Ｔ学硕｛ｊ学位论文中心处比外壁厚。曰日目 曰日目低 中等ａｌ高低中等ｂ１高目目目低 中等ｃ）高幽４．１焊接参数对摩擦焊缝成形的影响 ａ）能鼙的影响ａ）Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｉｎｐｕｔ ｅｎｅｉＴ：，ｙｂ）速度的影响ｏｎｃ）压力的影响ｃ）Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅＦｉｇ ４－１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｂ）Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｃｉｒｃｕｍｖｏｌｖｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ（３）加热压力 加热压力对接合面加热状态的影响与转速的影响恰好相反，加热压力较低 时，焊缝呈鼓形，中心处厚，压力过大时，在接头中，ｔｂ处接合不良，且焊缝顶锻 量大，焊缝呈细腰形，见图４一ｌｃ）。对中碳钢网棒焊接，有效的材料加热压力范 围为１５０―２１０ＭＰａ。 （４）材质的影响 摩擦学原理中，Ｂｏｗｄｅｎ粘着理论指出，当两个金属表面在载荷作用下发生 接触时，表面上的某些接触点（微凸体尖端），因为单位压力很大，产生塑性屈服 和塑性流动，这些点将牢固焊合，使两个表面形成一体，这种现象称为粘着。如 果一个表面比另一表面硬一些，则硬表面上的微凸起将会在软表面上形成犁沟， 这种产生犁沟的力构成了摩擦力的变形分量。摩擦副双方互溶性越好，其粘着倾 向越大。同种金属最易发生粘着，相近的金属次之，有色金属不易发生粘着。因 此异种材料摩擦焊过程中，由于两种材料的硬度不同，更容易在较软的表面产生 犁沟。焊接时母材中的硫化物夹杂随同母材会属一起向焊缝发生塑性流动，改变 其原来的平行于轴线的方向，成为垂直于轴线分布，且总体长条形貌并未能改变， 至多被压扁压裂，并分布于摩擦所产生的犁沟之中，这是造成异种金属摩擦焊接笫４章铜．钢异种利料摩擦焊接叉的超声波无损榆测焊缝韧性降低的原因之一。由于硫化物主要来自母材，因此需要严格控制被焊材 料的含硫量。选用含硫少，杂质元素含量低的钢，降低硫化物的生成条件ｆ３８】。４．３试验方法介绍整个试验可分为如下四大部分： （１）试样制备 利用惯性摩擦焊设备进行铜和钢的焊接，然后将焊接好的摩擦焊试样加工成 为能够进行超声无损检测的试样。 （２）信号提取 采用数字超声波无损检测系统，对铜．钢摩擦焊接头的界面缺陷进行检测和 信号存储（包括摩擦焊接头的超声Ｃ扫描特征和Ａ信号采样结果）。（３）微剪切实验㈣对进行过Ａ信号采样的部位截取微型剪切试样，进行微剪切实验，得到试 样局部区域的强度信息。 （４、结果分析 利用数字信号处理的方法，研究超声检测结果和铜．钢摩擦焊接头微剪切强 度之间的关系，从而对摩擦焊接头的质量和可靠性进行评价。４．３．１超声检测用摩擦焊试样的制备超声检测使用的棒状摩擦焊试样由兵器工业第５９研究所提供，共有６对。 摩擦焊材料为紫铜和碳钢，形状为圆柱体，长度均为５０ｍｍ，焊前铜棒直径为 ３０ｍｍ，钢棒直径为２８ｍｍ。铜．钢惯性摩擦焊实验参数如表４－１所示。表４．１铜一钢异种材料岸擦焊Ｊ：艺参数表Ｔａｂｌｅ ４－１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ试样 序号１转动惯茸ｋｇ．ｍ‘ ０．３２５摩擦阶段 转速 压力ＭＰａ４４００ ２顶锻转速２５００压力ＭＰａ４保压时间烧损耸备注５】４．０９２ ３ ４ ５ ６Ｏ ３２５ Ｏ．３２５ Ｏ．３２５ ０．３２５ ０．３２５４４００ ４０００ ４０００ ４０００ ４０００２ ２ ２ １．５ １．５２５００ ２５００ ２５００１４５ ５ ５ ５ ５１ ２ ６２ １０ ７４ １２．０５ １０．５６ １０．４１钢侧焊接 面术加Ｉ：４ ４４５００１ ５００４前４个试样的摩擦焊工艺参数基本一致，所不同的是试样１烧损量最大，试 样２和试样４烧损量基本一致．但试样２在焊接前钢侧焊接面没有进行加工清洗。 试样３烧损量较小。试样５和试样６在焊接时降低了摩擦阶段的摩擦压力和摩擦 阶段铜棒的转速，其烧损量与试样３相当。 异种材料摩擦焊试样的超声波检测中使用的是能够进行局部区域检测的聚 焦探头，所以必须保证从试样表面到摩擦焊接头界面之间的厚度要小于所使用的 聚焦探头的焦距长度。因此，焊接完成后，还要对试样进～步加工以满足实验中 检测的需要。 在试样制备前，应该首先粗略计算聚焦探头至水浸检测试件表面的距离。即 探头声透镜曲面顶点至检测表面的距离Ｓ，如图４―２所示。凹４－２聚焦原理Ｆｉｇ．４－２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｆ＝墨１一（巴／ｃ，）（４―２），?：Ｆ一三鱼Ｃ２ Ｓ＝Ｆ’－Ｌ（４―３） （４－４） （４―５）ｓ：Ｆ一￡鱼一￡Ｇ ｃ３为检测材料（Ｃｕ）中的声速（６２６０ｍ／ｓ） Ｃ２为水中的纵波声速（１４８０ｍ／ｓ） Ｃ１为透镜中的声速 ￡检测部位具工件表面的距离 尺透镜曲率半径 Ｆ透镜焦距 本试验所用探头透镜的焦距Ｆ＝３８ｍｍ，计算出Ｓ与三的关系式为第４章钢?俐异种利料摩擦焊接头的超声波尤损榆测Ｓ－－３８――Ｌ ６２６０（４－６）１４８０由于探头声透镜曲面顶点至检测表面的距离Ｓ的最小值为０ｍｍ，由公式可 知ｓ的最大值为３８ｍｍ，所以确定探头声透镜曲面顶点至检测表面的距离Ｓ时， Ｓ的取值范围为０ｍｍ．３８ｍｍ，所需检测部位至工件表面的距离上为９．２ｍｍ．０ｒａｍ。 将焊好的试样去除飞边，统一加工成审２８Ｘ１０ｒａｍ，使焊缝位于试样中间部位（即 Ｌ＝５ｍｍ），加工后将试样上下表面磨光，以降低表面对超声能量的散射，最终试 样形状如图４．３所示。仨ｉ／制棒｝＜二―土焊接界面 卜一１一悍磺夼回＼―――～―～钢棒豳４－３超声检测的试样形状（总厚为１０ｒａｍ，铜、钢备５ｍｍ）Ｆｉｇ．４－３ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｓｈａｐｅ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ（ｔｏｔａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ １０ｍｍ，ｃｏｐｐｅｒ ｉｓ ｈａｌｆｏｆｔｈｅ Ｉｏｔａｌｈｉｃｋｎｅｓｓ）４．３．２超声检测参数的确定在对试样开始进行超声检测之前，必须确定检测参数。在进行异种材料摩擦 焊接头的超声检测时，检测参数主要包括，检测的增益和信号门槛值、Ｃ扫描的 扫描范围、检测步长、采样频率等。要根据实际情况选取一组比较合适的参数， 因为在试验过程中要使用统一的参数，以便在后续的处理中对结果进行比较。 由于试样尺寸已经确定，所以Ｃ扫描的范围实际上已经确定，即扫描范围 能包含摩擦焊接头横截面积的区域即可。 检测时使用的是１０ＭＨｚ的聚焦探头，所以根据采样定理采样频率至少应该 大于２０ＭＨｚ，本次实验为了得到更好的采样效果，我们选取信号采样频率为５０ＭＨｚ。检测步长代表了检测的精度，对同一个试样进行Ｃ扫描，检测步长越小， 得到的Ｃ扫描图形越大，分辨率越高，但同时带来的缺点就是检测速度的降低。 因此在确定检测步长时既要保证Ｃ扫描结果有足够的分辨率，又要兼顾保证检 测速度不致太低。经过多次实验。最终确定检测步长为０２，即扫描图像大小是 试样实际大小的５倍。 在实验中通过对不同增益和门槛值的检测结果进行比较，优选一个比较恰当 的值，而后各个试样统一使用这一组参数，以便比较。 当增益较小时，超声波检测的回波信号较小，同时噪声信号也相对较小；当 增益较大时，超声波检测的回波信号较大，噪声信号也相应的增加。图４－４是不北京１二业人学ｊ＿＝学顿士学位论文ＩＩＩＩ同增益值时同一试样的Ｃ扫描图形。在进行信号的时域分析时，需要对超声波 检测的Ｃ扫描图形和反射幅值进行分析，所以选择合适的增益值非常重要。增 益值过大，噪声信号也增加，使得图形中的干扰颜色增加，不利于对信号的分类； 增益值过小，则图形中颜色区分不明显，各种颜色信号相互交叉，同样不利于信 号分类。从本试验的不同增益Ｃ扫描信号图中可以看出，当增益为３０ ｄＢ时，图 中不同颜色区域有明显的区分，因此选取超声检测增益为３０ｄＢ。ａ）ｂ）ｃ）幽４－４同一试样不同增益时所得到的超声Ｃ扫描结果 ａ）增髓为２５ｄＢ ｂ）增蕊为２８ｄＢｃ）增益为３０ｄＢＦｉｇ．４－４ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｉｎａ）Ｇａｉｎｉｓ ２５ｄＢ ｂ）Ｇａｉｎｉｓ ２８ ｄＢ ｃ）Ｇａｉｎｉｓ ３０ｄＢ增益确定后，采样时还必须确定界面回波信号的门槛值，以提取信号采集范 围。门槛值的大小，决定了超声波所能检测的部位。当需要采集界面信号时，门 槛值就应根据界面处的回波信号确定。门槛值的大小一般应能以滤除噪声为好。 当门槛值过大时，一部分信号会被滤除，而过小时噪声与信号又难于区分。图 ４―５为同一增益（３０ｄＢ），不同门槛值时的Ｃ扫信号图。根据对试样的检测分析， 采用的信号采集门槛值为４％。ａ）ｂ）ｃ）幽４．５同一增益不同门槛值时所得到的超卢Ｃ扫描结果 ａ）门槛值为１３％ｂ）门槛值为１０％ｃ）ｆ Ｊ槛值为４％Ｆｉｇ．４－５ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｇａｉｎ ｂｕｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａ）Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｉｓ １ ３％ｂ）Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｉｓ １ Ｏ％ｃ）Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｉｓ ４％第４章铜?钢异种材料摩擦焊接头的超声波无损棉测４．３．３微型剪切位置的确定由于焊接接头各区域组织的不同及分布的不均匀性，导致了它们在力学性能 上的差异，微型剪切试验是将微型试样从铜．钢摩擦焊接头中切取下来，通过对微型试样的剪切，获取一系列的材料剪切性能参数，如微型剪切强度“、微型剪切屈服强度Ｔ。等。 当接头试样的超声Ｃ扫描以及Ａ信号采样完成后，需对不同的采样部位进 行微型剪切实验。为此，首先要确定剪切试样取样区域。取样位置的确定和信号 提取主要包括几个方面：１、对试样的Ｃ扫描图形进行选点，记录该点的坐标（Ｘ， Ｙ）及反射幅值（Ｐ）（图４－６）；２、将此点的Ａ信号以ＡＳＣＩＩ形式进行存储。根 据每个试样信号的反射幅值，确定不同区域的选点位置。然后，将扫描的图形及 存储的点与实际试样相对照，标出测试点在试样端面上的具体位置，做好标记以 便微型试样截取加工【４…。幽４－６信号的采集界面Ｆｉｇ．４－６ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔ４．４实验过程４．４．１超声Ｃ扫描以及Ａ信号采样检测方法为自动无损检测中广泛使用的超声水浸聚焦探头Ｃ扫描法，使用 中心频率为１０ＭＨｚ的纵波聚焦探头，探头直径为１２．７ｒａｍ，水中焦距为３８ｍｍ。北尿【业人学Ｉ学坝｛。学位论文实验中将闸门放置在摩擦焊接头界面位置，门槛值高度定为４％，增益值取３０ｄＢ， 设备的采样频率为５０ＭＨｚ。 试验参数设定完成后，对试样进行超声检测，首先在试样的铜端面进行坐标 标注，然后将试样垂直放置在水槽中，应尽量保持待检测接合面水平。进行水平 调节时，通过调节扫描仪ｘ、Ｙ轴的移动，观察信号是否在时间轴移动，如果信 号移动说明试样不够水平，应该进一步调节放置。 下一步进行焦距调整，因为超声波探头产生的超声波会通过声聚焦透镜在耦 合介质水中会聚，会聚声束遇试样表面发生反射与透射，进入会属内部的声束在试样内进一步会聚聚焦，最终在一定深度处聚成焦点，焦点处的超声波能量最舶 集中，检测灵敏度也最高。因此要想得到理想的Ｃ扫描检测结果，必须使超声 波束的焦点位于摩擦焊接头的结合面上。具体方法是：首先通过计算，进行粗略调节、聚焦，通过调节扫描仪ｚ轴，将聚焦探头的焦距聚焦在靠近试样的结合茴 处，粗调后确定了探头与试样的大致距离，再通过观察并调节结合面处超声反射 幅值的变化，应该使接头结台面处的超声波反射幅值达到最大，这时声束焦点刚 好位于摩擦焊接头的结合面处。 然后，将超声波检测设备的闸门设置在接头结合面位曼，聚焦声束在机械扫 描装置的驱动下在样品内部扫描，如遇到缺陷或声学特性不均匀介质时，便会产 生反射，由于铜．钢材料本身声学阻抗的不匹配性，即使焊接质量非常好的试样， 其接头界面部位仍然会有超声波反射产生，因此对异种材料接头进行Ｃ扫描时， 闸门设置的要比同种材料检测时高。高于闸门门槛的反射回波会被检测到并转换 成电信号，经信号处理后在显示器上呈现出反映介质声学不均匀性的图像。ｃ扫 描结束后要根据Ｃ扫描结果在不同的色彩区域进行Ａ信号采样，以便于进一步 的信号处理与分析。 图４―７至图４－９是对６个铜．钢摩擦焊接头试样进行超声波ｃ扫描检测所得 到的结果。Ｃ扫描结果以不同的色彩来区分不同扫描区域的超声波反射回波幅 度，白色代表反射率为０，红色代表反射率为１００％。图中标注数字的位置是一 部分进行过Ａ信号采样并且要进行微剪切试样加工的位置。ａ、ｃ１图４―７试样ｌ干¨２的ｃ扫描结果 ａ）试样１ ｂ）试样２ Ｃ）Ｃ扫描色彩与界面超卢反射幅值的对照关系ｂ１ Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ２Ｆｉｇ．４－７ Ｃ?ｓｃａｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｌ ａｎｄ ２ ａ）Ｓｐｅｃｉｍｅｎ １Ｃ）Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆＣ―ｓｃａｎ ｃｏｌｏｒ ａｎｄ ＵＴ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅａ）ｂ）图４－８试样３和４的Ｃ扫描结果 ａ）试拌３ ａ）Ｓｐｅｃｉｍｅｎ３ｂ）试梯４ｂ）Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ４Ｆｉｇ．４－８ Ｃ－ｓｃａｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ ３ ａｎｄ ４ａ）ｂ）幽４－９试样５和６的Ｃ扫描结果 ａ）试样５ ａ）Ｓｐｅｃｉｍｅｎ５ｂ）试样６ｂ）Ｓｐｅｃｉｍｅｎ ６Ｆｉｇ．４－９ Ｃ－ｓｃａｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎ ５ ａｎｄ ６．３３－北京Ｔ业人学Ｔ学硕ｌ‘学位论文图４－７至图４－９中所标注点的超声Ａ信号分别如图４．１０至图４－１５所示。ｉＯＰａ¨¨一矿一培罂蒜谜０５Ｕ叫１炒～ ｒ―小一芒覃｝挲苫谨Ｈ Ｍａ惦ｌ¨一 笆¨５ ｊ曼罂（Ｉ¨ 善 世一‘Ｊ＾抄―叫―斗―ｇ一车菩按世３一ｌ【）：时Ｕ问计图４．１０试样１的部分采样点Ａ信号 ａ）采样点１ ｂ）采样点２ ｃ）采样点３ ｄ）采样点４Ｆｉｇ．４－１０Ａ－ｓｉｇｎａｌ ｏｆｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔｆｒｏｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎ １ａ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ １”Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ２ Ｃ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ３ ｄ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ４ｎｉ拿）｜ｇ善鲁嘣ｎ一ｇ一１Ｉ｝善霉皑。时ｏ～Ｋ问曲０ｎ一一毒ｌＪ 善葚世ｊｈ¨：时 问’一一０１Ｊ｝毒害堪州ｌ － ｛¨时问（ｕ Ｈ）ｃ）ｄ１幽４－ｌＩ试样２的部分采样点Ａ信号 ａ）采样点１ ｂ）采样点２ ｃ）采样点３ ｄ）采样点４Ｆｉｇ．４－１１ Ａ－ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｆｒｏｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ２ａ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｌ ｂ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ２ ｃ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ３ ｄ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ４．３４，Ｉ＾ｌＪ忙一．岔一毪翟毒毯ｒ―叫一‘＿）晕喜甚世＾％】ｇ甚每避ｌ一 『卜…加―巾暑，｜翠馨杂世Ｈｃ）Ｄ幽４．１３试样４的部分采样点Ａ信号 ａ）采样点１ ｂ）采样点２ ｃ）采样点３ ｄ）采样点４ｆｒｏｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ４ Ｆｌｇ．４－１ ３ Ａ?ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ４ ａ１ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｌｂ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ２ ｃ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ３ ｄ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ－３Ｓ．也一４一ｇ譬摇堪蚺岍…４ ｋ―叫忙｛ ｈ加～”～―１肌ｈ刊；）｜罨薯茸巡卜叫一一ｇ～箸童蜜嗵ａ）叫＾ｏｇ肇蠢垲¨卜―寸■ ＾ ’ ｎ ¨ ‘ ●时间｛ｕ ｓ）ｕＪ闸（ｕ Ｈ）ｃ）ｄ）ｊ兰ｊ ４．１５试样６的部分采样点Ａ信号 ａ）采样点ｌ ｂ）采样点２ ｃ）采样点３ ｄ）采样点４Ｆｉｇ．４－１５Ａ―ｓｉｇｎａｌ ｏｆｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｆｒｏｍ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ６ａ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ １ ｂ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ２ ｃ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ３ ｄ）Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ４．３６．第４章铜－钢异种材料摩擦焊接头的超声波无损检测４．４．２微剪切试验超声ｃ扫描结束后，对试样中进行过Ａ信号采样的点进行局部结合强度实 验，即进行微剪切实验，从而得到采样点的最大剪切强度和剪切屈服强度。实验 所用的微型剪切装置如图４－１６。主要包括剪切夹具系统、剪切刀头、精密试样螺 旋进给装置，加压和数据的记录是在ＭＴＳ ８１０材料试验系统上完成的。图４－１６微剪切试验装置Ｆｉｇ ４－１６ Ｓｅｔｕｐ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｉｎｇ１试样送进螺钉２试样夹具３剪切刀具４夹具框架５加载傅置测试时将剪切装置放入ＭＴＳ材料试验系统中，由计算机采集和保存剪切载 荷（Ｐ）随剪切刀头位移（ｓ）变化的数据。试样的一端固定在试样夹头２之内， 一端悬空，刀具３自上而下切入试样，直至剪断。试验在常温下进行，剪切速度 为ｌｍｍ／ｍｉｎ，剪切纵向移动量是通过螺旋进给装置１实现的。 具体方法是：对Ｃ扫描结果中不同色彩的典型区域（即超声波界面反射波 幅值不同的区域）进行坐标标注．然后根据Ｃ扫描图像中标注的坐标，找到摩 擦焊试样上与其相对应的区域，利用线切割技术将需要进行微剪切的区域从试样 切出，微剪切试样横过铜钢接头结合面，然后再进行精磨，加工成正方形截面的 微剪切试样，试样尺寸为１．５ｍｍ×１．５ｒａｍ×１０ｍｍ，如图４－１７所示。加工完毕后 进行微剪切实验。图４－１７微剪切试样形状Ｆｉｇ．４－１７ Ｓｈａｐｅ ｏｆｍｉｃｍｓｈｅａｒ ｓｐｅｃｉｍｅｎ北京Ｔ业大学Ｔ学坝ｌ：学位论史４．５检测结果分析４．５．１微剪切结果分析图４－１８为微剪切实验中得到的局部最大剪切强度以及局部剪切屈服强度与 铜－钢摩擦焊接头界面采样点超声波反射幅值的对应关系。目量Ｚ２００｛Ｆ■丽甄而广１ 薯｛匕＿幽些缝ｊ一 型 囊 墨 器 捉 堪０１０ ２０ ３０ ４０ ５０争ｊ．、‘？蓉，∞１葛 零Ｉｊ１ １锄避５０１ｊ?’－、∞番。Ｌ．．．．：三二：：＝二＝：：．７００ １０ ：３０ ４０ ５０ ６０ ７０反射幅值（嘲反射幅值ｌ吲ａ） ｂ） 幽４－１８铜一钢摩擦焊接头界面处超声波反射幅值与微剪切强度的关系 ａ）摄人剪切强度ｂ）剪切屈服强度Ｆｉｇ．４－１８ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆｃｏｐｐｅｒ－ｓｔｅｅｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈａ）Ｍａｘｉｍｕｍ ｍｉｃｒｏｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｂ）Ｍｉｃｒｏｓｈｅａｒ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ从图４一１８中可以看出，在反射幅值小于】８％时，剪切强度值随着反射幅值 的增大而缓慢减小；当反射幅值介于１８％和３０％之间时，剪切强度值随反射幅 值的增大迅速减小；而反射幅值大于３０％的区域在进行微剪切实验之前已经断 裂，剪切强度为０，说明幅值大于３０％的区域为未焊合区域。４．５．２Ｃ扫描检测结果分析试样１采用的是Ｊ下常的焊接参数，摩擦阶段转速为４４００ｒ／ｍｉｎ，顶锻阶段转 速为２５００ｒ／ｍｉｎ，摩擦压力为２ＭＰａ，顶锻压力为４ＭＰａ，而且试样１在焊接过程 中烧损量较大，达到１４．０９ｍｍ。从Ｃ扫描结果来看，因为色彩较浅且色彩均匀， 说明该试样整体上焊接质量良好，由于烧损量大所以接头界面清洁，看不到金属 流线以及犁沟的痕迹，试样芯部已经完全焊合，只有局部地区超声波反射率稍高。 试样２的焊接参数为，摩擦阶段转速为４４００ｒ／ｍｉｎ，顶锻阶段转速为 ２５００ｒ／ｍｉｎ，摩擦压力为２ＭＰａ，顶锻压力为４ＭＰａ，烧损量为１２．６２ｒａｍ，但该试 样在焊接前钢棒的焊接面没有进行加工和清洁。观察试样２的Ｃ扫描结果，发 现焊接界面靠近边缘的区域上弥散分布有较多的点状超声波高反射区，这可能是 因为焊接过程中由于没有对焊接面进行清洁，导致金属氧化皮或者其它杂质混入第４荦锌４－钢异种村科摩擦焊接三Ｌ的超声波无损枪测焊缝，而且设定的烧损量不足以使杂质随烧损的金属排出焊接界面。整体上看其 焊接质量不如试样１，且中心附近有少量环状超声波高反射区，这部分区域可能 还有未焊合缺陷。 试样３的焊接参数为，摩擦阶段转速为４０００ｒ／ｍｉｎ，顶锻阶段转速为２５００ｒ／ｍｉｎ， 摩擦压力为２ＭＰａ，顶锻压力为４ＭＰａ，烧损量为１０．７４ｍｍ。由于摩擦阶段的转 速每分钟降低了４００转，所以焊接过程热输入量降低，这导致在试样中出现了两 块严重的未焊合区域（红色区域），由于烧损量少，所以界面状态不均匀，Ｃ扫 描结果明显的分成了几个区域。 试样４的焊接参数为，摩擦阶段转速为４０００ｒ／ｍｉｎ，顶锻阶段转速为 ２５００ｒ／ｍｉｎ，摩擦压力为２ＭＰａ，顶锻压力为４ＭＰａ，烧损量为１２．０５ｒａｍ。同试样 ３一样，试样４也有两块未焊合区域，但由于增大了烧损量所以未焊合区域相对 较小，并且界面状态比试样３均匀，能看到金属向外流动的痕迹。 试样５和试样６的焊接参数为，摩擦阶段钢棒转速为４０００ｒ／ｍｉｎ，顶锻阶段 转速为１５００ｒ／ｍｉｎ，摩擦压力为１．５ＭＰａ，顶锻压力为４ＭＰａ，烧损量也都在１０．５ｍｍ 左右。在这两个扫描结果中可看到焊接界面上会属发生塑性流动的痕迹，芯部及 其芯部附近的环状红色区域焊接质量差。再向外的浅色环状以及右边的长条状色 彩不连续区域可能与其它区域的组织性能不同，很可能含有缺陷。 对微剪切结果以及Ｃ扫描采样结果综合分析说明，超声波Ｃ扫描的方法可 以从整体上大致估计出铜．钢摩擦焊接头质量，但它只能根据超声信号的反射幅 值粗略的判断摩擦焊接头是否焊台，进而粗略判断接头强度。４．６基于小波分析的异种材料摩擦焊接头超声检测信号处理众所周知，由于超声检测过程中不可避免的会引入噪声信号，这些噪声信号 会对检测结果产生不可预知的干扰。另外，对于均匀材料而言，超声波反射率可 以表示焊接质量的好坏，但对于存在声学界面的异种材料摩擦焊接头而言，情况 要复杂得多。由于异种材料接头界面处本身存在一定的声阻抗差异，所以即使焊 接质量良好的接头界面也仍然会有反射发生，这就使得从界面超声回波信号中判 断缺陷的存在变得十分困难。因此要想对异种材料摩擦焊接头的强度进行准确的 评价，就必须对超声信号进行更深层次的分析和挖掘，以提高检测结果的准确性、 可靠性和抗干扰性。 在此我们选用小波分析方法对铜．钢摩擦焊接头超声检测信号迸行进一步的 分析处理，以求更精确的判断焊接接头的质量。 小波分析属于时．频分析的一种，传统的信号分析是建立在傅立叶变换的基 础上的，由于傅立叶分析使用的是一种全局的变换，要么完全在频域，要么完全 在时域，因此无法表述信号的时－频局域性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最北京Ｔ业人学Ｔ学碗，Ｉ：学位论文根本和最关键的性质。小波变换是一种信号的时间．尺度（时域．频域）分析方法， 它具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力， 是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。它在低频部分有较高 的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频具有较高的时间分辨率和较低的频率 分辨率．很适合探测正常信号中央带反常现象并展示其成分，利用小波变换进行 非平稳信号的检测具有良好的效果。 小波分析包括小波变换和小波包变换。小波变换与小波包变换的区别在于， 小波变换中，将原信号分解成主干和支流，然后对主干再进行同样的分解，一直 到主干中不再含有高频成分或满足分析要求为止。而小波包分析中，将原信号分 解成主干和支流后，不但对信号的主干部分进行分解，而且对支流也进行了分解。 小波变换提供的变窗技术中，由于测不准原理限定了最小时频窗口面积，分析信 号的高频成分时，时间窗口变窄必然带来频率窗口的变宽，使时间分辨率提高的 同时频率分辨率变低。小波包分析弥补了这一缺陷，在分析信号的高频成份时， 保持良好的频率分辨率，得到了原信号中更为细节的信息。 有研究表明，摩擦焊接头中，缺陷的厚度一般为１０一ｒｎ／ｎ～１０．３Ｆｎｌｎ数量级， 其组成是空气，或是空气、钢和氧化物的机械混合物。 当缺陷厚度为１０。２ｍｍ数