合金弹头超声检测缺陷特征提取方法研究

时间：2024-08-31

刘卉芳，王召巴，陈友兴

（中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

0 引言

在一些生产过程中，生产设备、工艺以及生产环境等因素，可能会使合金弹头表面及内部出现裂纹、夹杂、气泡等不同类型的缺陷，例如，在温挤压过程中，表面温度升高产生软化现象，从而造成模腔表壁出现麻点、局部堆塌或凹陷等现象；若温挤压润滑不良所产生的磨损则使模具表面出现划伤、粘结、压坑、尺寸超差等；工作时加载速度过低或过高将致使模具软化或塑性变形乃至开裂失效[1]。这些缺陷会影响产品质量，使产品的使用性能降低，更为严重的可能会引起安全故障[2]。因而,有必要对其进行无损检测,一方面确保产品质量和使用过程中安全无隐患,另一方面还可以将检测结果反馈回生产，完善产品的生产流程和工艺的改进，提高生产和经济效率。

本文研究合金弹头超声检测缺陷特征提取方法，进行超声回波信号特征提取，能够有效地判断出合金弹头内部及表面缺陷所存在的位置，有利于进行合金弹头缺陷识别，从而可以确保这类产品质量，减少使用中的安全隐患。因此，本文的研究具有重要的应用价值。

1 检测原理和方法

一般合金弹头由管状结构和棒状结构组成，实验采用的合金弹头试件管壁外径为39.40mm，管壁内径为24.60mm，壁厚为7.4mm，合金弹头试件实物图如图1所示。

图1 合金弹头试件实物图

由于水浸式的超声检测方法有利于实现检测过程的自动化,通过水介质时容易收敛声束,超声回波信号的信噪比高，而且适合于试件坯料检测，所以采用水浸式聚焦探头对合金弹头内部和表面的缺陷进行检测[5-6]。

合金弹头近表面以及内部缺陷的检测原理如图2所示。检测时，将探头偏置，超声波探头发出纵波，以水作为耦合介质传播到合金弹头身管下表面，在入射点处发生超声波的反射、折射及波形转换。通过调整声波的入射角，使得声波在管状试件的近表面和内部形成近表面横波和内部横波。如果试件近表面和内部存在缺陷，折射声波将在缺陷处发生反射或散射，而反射的声波沿原路返回被探头接收，形成缺陷回波。根据缺陷回波的有无判断试件内部和近表面有无缺陷，并根据回波信号接收时刻来确定缺陷在合金弹头中的位置，从而实现对合金弹头的缺陷识别[7]。

图2 合金弹头缺陷超声检测原理

2 实验结果及分析

对合金弹头试件进行超声检测实验，实验采用采样频率为100MHz的超声采集卡连接探头进行数据采集。采集到的回波信号如图3所示。

图3 采集的回波信号

从采集的回波信号中很难准确识别或提取缺陷回波信号的特征，进而判断合金弹头缺陷所在的位置。因此，需要将回波信号进行处理。首先对采集的回波信号做傅里叶变换，其结果如图4所示，可以看出，傅里叶变换将信号分解为一系列正弦波的叠加，没有时间信息，无法判断出回波信号的接受时刻。然而小波理论突破了Fourier分析在时频域内分辨率差的缺陷，它具有良好的时频局部化特性[8]，能够把任何平稳或非平稳测量信号映射到一个由小波伸缩而成的一组基函数上，在通频带范围内得到分布在各个不同频带内的分解序列。

图4 回波信号的傅里叶变换结果

小波分解层数越高，回波信号的低频信息和高频信息越清晰，且低频信息越接近原始信号。高频分量可以反映出超声信号在试件内部及近表面传播过程中所携带的信息，因此对高频细节进行分析就能够得出是否有缺陷以及缺陷所在的位置。通过对小波基的比较，本文选用dB6小波对被检信号进行小波分析。对回波信号进行3层小波分解，所得回波信号的各层细节信息图如图5-7所示。

图5 第一层低频细节分量

图6 第二层低频细节分量以及高频细节分量

图7 第三层低频细节分量以及高频细节分量

从图7中的第三层的高频细节分量中，可以清楚观察到突变信号，因此可以判断超声信号中发生突变信号的时刻，从而判断试件中缺陷所在的位置。由于可以观察到回波信号的高频信息里有突变信号，说明了试件中存在缺陷，且突变信号出现在180×0.01微秒处附近，同样地可以看到下表面回波出现在80×0.01μs处附近，则根据超声波在合金弹头中的横波传播速度约为3080m/s，可以计算出缺陷的位置在距离下表面3.08mm处。按此规律，让被检合金弹头旋转360°，则可以判断出其它缺陷的位置，再让探头沿试件横向检测一遍，那么整个缺陷就可以被确定下来了。