利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在超聲波無損檢測技術(shù)領(lǐng)域中超聲波傳播時(shí)間的測量方法，具體 是涉及一種利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波是無損檢測中應(yīng)用最廣泛的方法之一，在超聲波無損檢測中，常用的方法 是依據(jù)超聲波在待測材料中的傳播時(shí)間或傳播速度（等于傳播距離除以傳播時(shí)間）測定待 測材料的動(dòng)態(tài)楊氏模量、密度、含水率、裂縫和孔洞等，由于這種方法具有實(shí)現(xiàn)簡單、使用方 便等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，因此準(zhǔn)確測量超聲波在待測材料中的傳播時(shí)間具有非 常重要的學(xué)術(shù)和實(shí)際意義。
[0003] 超聲波在待測材料中的傳播時(shí)間與超聲波的穿透能力密切相關(guān)，線性調(diào)頻信號(hào)具 有較大的時(shí)間帶寬積，利用線性調(diào)頻信號(hào)激發(fā)超聲波脈沖，不僅能夠提高超聲波的穿透能 力還可以提高超聲波檢測的時(shí)間分辨率。利用線性調(diào)頻信號(hào)激發(fā)超聲波脈沖，超聲波經(jīng)過 待測材料內(nèi)部后到達(dá)接收端時(shí)，首先需要在接收端采用脈沖壓縮和匹配濾波，脈沖壓縮的 本質(zhì)是計(jì)算接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的復(fù)共軛之間的相關(guān)函數(shù)，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是：在頻域中 實(shí)現(xiàn)時(shí)，先要將接收信號(hào)的傅立葉變換FFT值與發(fā)射波形的傅立葉變換FFT值的復(fù)共軛相 乘，然后再變換到時(shí)域獲得，這樣需要進(jìn)行兩次傅立葉變換FFT、一次傅立葉反變換iFFT和 信號(hào)乘法運(yùn)算；如果在時(shí)域中實(shí)現(xiàn)時(shí)，則需要更大的運(yùn)算量。從而造成實(shí)現(xiàn)方法整個(gè)過程時(shí) 間長、效率低、準(zhǔn)確率不高。
[0004] 因此，需要提出一種新型的超聲波傳播時(shí)間測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種運(yùn)算量小、時(shí)間短效 率高以及準(zhǔn)確率高的利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法。
[0006] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的 方法，在待測材料兩端分別放置發(fā)射換能器和與該發(fā)射換能器匹配的接收換能器，并在該 發(fā)射換能器一側(cè)放置線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，
[0007] 所述方法包括以下步驟：
[0008] S1首先通過所述線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)；
[0009] S2該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過所述功率放大器放大后激勵(lì)所述發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，放 大后的激勵(lì)信號(hào)的能量能夠激勵(lì)所述發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，該發(fā)射超聲波信號(hào)表示為 ux(t)，
[0011] 式中，A為信號(hào)幅度，&為中心頻率，B為帶寬，T為信號(hào)持續(xù)時(shí)間；
[0012]S3所述發(fā)射超聲波信號(hào)ux(t)穿過待測材料后被所述接收換能器接收；
[0013]S4對(duì)所述接收換能器接收到的超聲波信號(hào)再進(jìn)行小波濾波處理，得到處理后的超 聲波信號(hào)表不為uy(t);
[0014]S5利用短時(shí)能量方法估算超聲波的傳播時(shí)間f并將處理后的超聲波信號(hào)uy(t)左 移％得到再次處理后的超聲波信號(hào)Uy'（t)，
[0015]uy' (t) =uy (t+t〇) (2)；
[0016] S6將再次處理后的超聲波信號(hào)uy'（t)與所述發(fā)射超聲波信號(hào)ux(t)相乘得到乘 積f目號(hào)um(t)，
[0017]um(t) =ux(t)*uy，（t) (3)
[0018]S7對(duì)所述乘積信號(hào)um(t)進(jìn)行傅立葉變換FFT，得到該乘積信號(hào)um(t)的幅度譜并 利用最大值函數(shù)確定該幅度譜中峰值的頻率fp;
[0019]S8計(jì)算超聲波在待測材料中的傳播時(shí)間t，計(jì)算公式如下：
[0021] 進(jìn)一步地，所述步驟S4具體包括以下步驟：
[0022] S41首先采用dbl小波基對(duì)所述接收換能器接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行三層分解；
[0023]S42然后對(duì)每一層小波系數(shù)進(jìn)行軟閾值處理；
[0024]S43最后用處理后的小波系數(shù)重構(gòu)所述接收換能器接收到的超聲波信號(hào)，重構(gòu)后 的超聲波信號(hào)表示為Uy (t)。
[0025] 進(jìn)一步地，所述步驟S5中利用短時(shí)能量方法估算超聲波的傳播時(shí)間具體包括以 下步驟：
[0026]S51從左至右采用矩形滑動(dòng)窗口計(jì)算處理后的超聲波信號(hào)uy(t)的短時(shí)能量 E(t)，計(jì)算公式如下：
[0028]式中，tQ為矩形滑動(dòng)窗口的長度；
[0029]S52如果E(t) >人，人為預(yù)先設(shè)定的閾值，則令f= h
[0030] 進(jìn)一步地，所述閾值A(chǔ)不少于2000,所述矩形滑動(dòng)窗口的長度h為不少于0.lus。
[0031] 進(jìn)一步地，所述步驟S5中如果該超聲波的傳播時(shí)間f大于所述信號(hào)持續(xù)時(shí)間T的 0? 4 倍，令 =z' - 0.4r，否則令T。= 〇。
[0032] 有益效果：本發(fā)明提出的方法與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有的優(yōu)點(diǎn)是：
[0033] 1、與傳統(tǒng)的脈沖壓縮技術(shù)相比，本發(fā)明只需要進(jìn)行一次傅立葉變換FFT和信號(hào)乘 法運(yùn)算，運(yùn)算大大降低，從而實(shí)現(xiàn)方法周期短、效率高；
[0034] 2、本發(fā)明采用線性調(diào)頻信號(hào)激發(fā)超聲波脈沖，提高了超聲波的穿透能力和超聲波 檢測的時(shí)間分辨率，從而提高了本發(fā)明方法的檢測準(zhǔn)確率。
【附圖說明】
[0035] 圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0036] 圖2是本發(fā)明利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法流程圖。
[0037]圖 3 是當(dāng)A= 100v，fQ= 1. 15MHz，B= 2.lMHz，T= 50us時(shí)發(fā)射超聲波信號(hào)ux(t) 的頻譜圖。
[0038] 圖4是發(fā)射超聲波信號(hào)ux(t)穿過厚度為6mm的木板后，接收換能器接收到的超 聲波信號(hào)頻譜圖。
[0039] 圖5是對(duì)接收換能器接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行小波濾波處理，得到處理后的超聲 波信號(hào)uy(t)的頻譜圖。
[0040] 圖6是將再次處理后的超聲波信號(hào)uy'⑴與所述發(fā)射超聲波信號(hào)ux⑴相乘得到 乘積信號(hào)um(t)的頻譜圖。
[0041] 圖7是對(duì)乘積信號(hào)um(t)進(jìn)行傅立葉變換FFT，得到該乘積信號(hào)um(t)的幅度譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0043] 本發(fā)明提出的利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖如圖1所示，在待測材料的兩端分別放置發(fā)射換能器和與該發(fā)射換能器匹配的接收換能 器，采用發(fā)射換能器可實(shí)現(xiàn)在待測材料表面激發(fā)超聲波脈沖信號(hào)，該超聲波脈沖信號(hào)穿過 待測材料內(nèi)部與待測材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)相互作用，并經(jīng)過界面的多次反射后，到達(dá)接收換 能器，超聲波脈沖信號(hào)到達(dá)接收換能器后信號(hào)幅度被衰減，相位產(chǎn)生延遲；并在發(fā)射換能器 一側(cè)放置線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，所述線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器通過所述功率放大 器與所述發(fā)射換能器連接，在所述接收換能器一端放置前置放大器和數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù) 據(jù)采集卡通過所述前置放大器與所述接收換能器連接，所述數(shù)據(jù)采集卡與工業(yè)計(jì)算機(jī)連接 并且所述數(shù)據(jù)采集卡受工業(yè)計(jì)算機(jī)的控制，所述線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器與工業(yè)計(jì)算機(jī)連接并 且所述線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器受工業(yè)計(jì)算機(jī)的控制；
[0044] 本發(fā)明提出的利用線性調(diào)頻信號(hào)測量超聲波傳播時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖2 所示，首先通過所述線性調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)；接著該激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過所述功率放 大器放大后由放大后的激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)所述發(fā)射換能器發(fā)射超聲波，能夠激勵(lì)所述發(fā)射換能 器發(fā)射超聲波的激勵(lì)信號(hào)的能量必須足夠大，所述發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波信號(hào)表示為 ux(t)，
，式中，A為信號(hào)幅度，&為中心頻率，B為帶寬，T為信 號(hào)持續(xù)時(shí)間；
[0045] 接著發(fā)射的超聲波信號(hào)ux(t)穿過待測材料后到達(dá)所述接收換能器，所述接收換 能器接收到的超聲波信號(hào)此時(shí)幅度被衰減，相位產(chǎn)生延遲；接著所述接收換能器接收到的 超聲波信號(hào)通過所述前置放大器到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡完成采集超聲波信號(hào)工 作后，由工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)超聲波信號(hào)對(duì)所述接收換能器接收到的超聲波信號(hào)再進(jìn)行小波濾波 處理，得到處理后的超聲波信號(hào)表示為uy(t)，進(jìn)行小波濾波處理具體包括以下步驟：首先 采用dbl小波基對(duì)所述接收換能器接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行三層分解；然后對(duì)每一層小波 系數(shù)進(jìn)行軟閾值處理；最后用處理后的小波系數(shù)重構(gòu)所述接收換能器接收到的超聲波信 號(hào)，重構(gòu)后的超聲波信號(hào)表示為uy(t);
[0046] 接著利用短時(shí)能量方法估算超聲波的傳播時(shí)間f并將處理后的超聲波信號(hào)uy(t) 左移％得到再次處理后的超聲波信號(hào)Uy'（t)，uy'（t) =+(〖+%)，利用短時(shí)能量方法估 算超聲波的傳播時(shí)間具體包括以下步驟：1、從左至右采用矩形滑動(dòng)窗口計(jì)算處理后的超聲 波信號(hào)Uy(t)的短時(shí)能量E(t)，
，式中，h為矩形滑動(dòng)窗口