小波分析在超声测厚信号特征提取中的应用

刘晓蕾,王召巴,陈友兴,金 永,赵 霞

(中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

火箭发动机绝热层超声测厚技术是发动机质量评价研究的热点。由于发动机壳体是经过旋压而成,所以壳体外表面留有旋压纹理,造成超声回波信号的噪声较大,不易提取厚度特征,对厚度的测量带来困难。因此,研究超声测厚信号的特征提取具有重要意义。

1 板波诱发波测厚原理

超声板波(兰姆波[1])在板(壳体)中传播时,既有横波,又有纵波。板中的质点基于这两种振动的合成,在其平衡位置附近做椭圆形运动,波动前进方向与板平行。若板的一侧粘有其它材料,板波在向前传播时,其中的横波会将部分声波透射到周围介质中去。A 0,S0型板波中的横波分量的能量集中在板的上下表面处,该特点可使壳体中传播的板波最大限度地将能量透射入绝热层中,即透射率最大,以增大绝热层中的回波幅值。笔者基于板波的这一特性,研究了将其用于测量绝热层的厚度,检测原理[2]如图1所示。

图1 板波诱发波超声测厚原理

为在壳体中产生相速度为cp的A0,S0型板波,将超声发射探头与接收探头耦合于发动机壳体的外表面,选择探头入射角αi,使其满足：

式中 αi——声波在探头透声楔中纵波入射角;

cl——透声楔中纵波速度;

cp——A0,S0型板波的相速度。

该板波沿水平方向向前传播,称为板波Ⅰ(图1)。由于壳体下方粘有绝热层,板波Ⅰ在向前传播时,横波成分将部分声波以纵波的形式透射入绝热层中,该纵波称为板波诱发波。同纵波从透声楔到壳体中满足式(1)产生板波一样,壳体中的板波透射入绝热层时应满足：

式中 β——绝热层中诱发纵波的折射角;

c2——绝热层的纵波声速。

由式(1)和(2)得：

可见,诱发纵波以折射角β的方向在绝热层中传播,其被绝热层底面反射后,一部分声波再次进入壳体中,形成与板波Ⅰ模式相同的板波,称为板波Ⅱ。当这两个板波到达接收探头时,就被接收。可以证明,板波Ⅰ与板波Ⅱ的时差Δt与包覆层的厚度d及板波的相速度cp有如下关系：

当被测对象确定后,cp和c2即确定,由上式可知A为常数。当测得板波Ⅰ与板波Ⅱ的时差 Δt时,便可算出包覆层的厚度d。

综上所述,板波诱发波超声检测技术是一种借助于筒壳中板波在低声阻抗材料中形成的诱发波实现超声检测的方法。诱发波形成的板波Ⅱ既携带了低声阻抗材料层的厚度信息,又携带了各层界面粘接信息,是一种理想的钢质筒壳火箭发动机内部绝热层质量检测技术。

图2 原始信号

板波沿着钢板表面传播,由于表面不光滑而造成的钢板厚度不均匀,从而造成对回波信号的影响,如图2所示。图中横坐标为采样点,纵坐标为振幅,从图中可以看出一界面回波的整个波程都在钢板中传播,因而受到表面不光滑的影响也比较大,界面特征不容易区分,而二界面回波在整个钢板中传播的波程比较短,受到的影响也比较小。对此笔者采用小波变换来处理一界面回波信号,提取界面位置信息,最后根据超声波在其中的传播速率及其两界面反射回波的时间差计算绝热层厚度。

2 小波变换在绝热层超声测厚中的实现

旋压壳体对测量绝热层厚度的超声回波信号造成干扰,不易确定界面回波位置。利用小波在时频域可局部化的特性及在处理数字信号方面的优势,所以采用小波变换对回波信号进行分析处理。

2.1 小波提取位置信息

首先先对原始信号进行降噪处理。小波消噪处理方式可分为强制消噪处理、给定软(或硬)阈值消噪处理和默认阈值消噪处理。这里采用wden函数产生的信号默认阈值,对绝热层超声原始回波信号进行降噪处理,降噪后的信号如图3所示。

图3 降噪后的信号

利用小波变换的多尺度特性对降噪后的信号进行分解,分别提取出其低频、高频系数,并重构,重构信号如图4所示。

根据图4可测出两界面之间的采样点之间的差值。为了提高测量的精确度,现采用不同的小波函数对信号进行分解重构。选取处理之后使两层界面比较明显的小波函数,读出两界面峰值处的采样点值,并计算出其采样点之间的差(表1),分解层数保持不变,始终分解3层。

图4 重构信号

2.2 绝热层厚度计算

根据介绍的测量原理及公式,需测出A0,S0型板波的相速度cp,绝热层的纵波声速c2。根据试验测得绝热层的纵波声速c2=1177.38m/s;板波的相速度cp=2974m/s。将c2,cp代入式(4),可求出A=1282.13m/s。根据两界面采样点之间的差值和已知的采样频率(100MHz),算出时间间隔,再由式(5)可计算出绝热层的厚度,见表2。

表1 两界面采样点之间的差

表2 厚度测量结果

可以看出,db7小波对测量绝热层超声回波信号的分析处理有比较好的效果,能够得到比较准确的结果。

3 结论

针对超声测厚信号的特征提取,采用小波技术对性质均一的绝热层的超声回波信号进行了小波降噪及提取高低频信号重构,可有效提取出两界面的位置特征信息,即一界面与二界面之间的采样点之间的差值,再运用相关公式,可计算出绝热层厚度。由此可实现绝热层厚度的超声无损检测,同时验证了小波分析方法在绝热层超声回波信号处理中的实用价值。

[1]《超声波探伤》编写组.超声波探伤[M].北京：电力工业出版社,1980：235-241.

[2]王召巴,路宏年.固体火箭发动机包覆层厚度超声测量新技术[J].兵学学报,1999,20(1)：88-90.