材料超声无损评价信号处理与分析系统

郭立伟 李佳恒 周昊 赵书逸

摘要：在如今的超声无损检测中，数字信号处理技术是其中应用最为广泛的技术之一，该技术不仅可以更加精确地对材料进行检测，而且运用这种技术，可以提高超声信号分析的可靠性。所以，超声无损评价最核心的部分就是超声信号的处理与分析。本文在MATLAB的基础上搭建了一个材料超声无损评价信号处理与分析系统。该系统拥有信号采集、信号分析处理以及信号图谱绘制等功能，可以在不同的分析域中对超声信号进行分析。

关键词：超声无损评价;信号处理;分析域

1 超声信号处理与分析系统

为了将超声无损检测和评价结合起来，使之容易被实现，本文基于MATLAB搭建一个材料超声无损评价信号处理与分析系统。该系统拥有信号采集、处理、分析等功能，可以实现对材料的缺陷识别和材料的性能评价。MATLAB意为矩阵实验室，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计算机语言

1.1 信号处理与分析系统的设计

根据系统的设计目的，在开发此系统时，首先要建立一个原型，即要先建立一个系统的框架，用来说明该系统的主要功能。该系统的整体框架主要可以分为两个部分：一为人机交互层，二为超声信号处理与分析层。

1.2 系统的开发环境

（1） 硬件环境：本系统是基于MATLAB进行开发，所以只需要选择可以运行MATLAB的计算机即可。根据超声检测的对象的不同以及检测的要求，要对选择的计算机设备做出相应的调整。

CPU：Intel Core i5-5200u

内存：4GB

系统类型：64位操作系统，基于x64的处理器

硬盘容量：128G

（2）软件环境：文件分配系统采用了如今主流的NTFS，以MATLAB 作为开发工具对该信号处理分析系统进行开发。超声无损评价信号处理与分析系统的最重要的功能就是对超声回波信号进行分析。

2 高铬铸铁回波信号频域分析原理

在对高铬铸铁试样回波信号进行分析时，主要采用的分析方法是频域分析法。在本实验中，采用了幅度谱、相位谱以及功率谱对高铬铸铁试样的回波信号进行分析。

（1）幅度谱

序列x（n）的点长记为N，对该序列进行离散傅里叶变换并且将其数值变成复数，幅度谱中常采用对数坐标201g|X（k）|对幅度值进行表示，其纵坐标的单位为分贝，模1相当于0分贝，20分贝代表十倍的增益，-20分贝对应衰减0.1。由于幅度谱是偶对称的图形，所以在使用时只需要一半即可。

（2）相位谱

相位谱用来表示不同材料对不同超声波的滞后效应。相位谱在含有大量地有关材料的信息。

（3）功率谱

功率谱反映了超声信号的能量的频率分布。实验中采用的功率谱参量主要为峰值频率和中心频率。

2.1 实验过程与分析

实验采用5MHz的纵波探头发射脉冲超声波对经过不同的热处理的试样进行超声无损检测。采集超声波脉冲回波信号并且使用超声无损评价信号处理与分析系统在频域中对其进行分析。

通过对高铬铸铁试样进行不同的热处理得到不同的时域波形图，并且对试样超声检测的一次回波、二次回波以及其中A段的时域波形进行了频谱分析，得出了这几段波形的中心频率和峰值频率。

频谱图反映了超声能量的分布。根据不同的试样所得到的不同的频谱图，可以得到超声波在不同的组织中的声衰减不同。从表2-1中可以得到：在试样A、B、C中，试样空冷处理时，回波信号的峰值频率最高，试样炉冷处理时，回波信号的峰值频率最低。试样F与试样G相比较，淬火温度为1000℃时超声回波的峰值频率最高，试样进行回火后，峰值频率有所下降。

高铬铸铁经过淬火处理之后，根据淬火温度的不同，对比试样，可以得到高铬铸铁的组织的峰值频率和声速的变化规律相反，并且由于各个试样的淬火温度有区别，导致马氏体的含量也有所区别，原来组织中的晶粒会被这些形成的马氏体打碎，使原来的晶粒尺寸变小，这会导致功率谱的峰值频率增大。并且由于马氏体自身的性质就是硬度高，所以不同的热处理方式对高铬铸铁的硬度有影响。

4 结论

基于MATLAB搭建一个材料超声无损评价信号处理与分析系统。该系统把信号处理、图谱绘制等功能集成在一起。通过这些经典的分析方法可以实现对材料的超声无损评价信号的处理与分析。利用该系统对高铬铸铁进行超声无损评价。高铬铸铁热处理的方式不同，影响高铬铸铁中马氏体的析出，而马氏体的析出会破坏高铬铸铁原本的晶粒，导致其散射体的晶粒尺寸也发生了变化，致使其频谱有所区别。

参考文献：

[1]张家骏.超声检测技术的某些进展[J].无损检测，1993，15（11）：324-327.

[2]李孟喜，林莉.超声波频谱分析技术[J].大连：大连理工大学材料工程系NDT教研室.

作者简介：郭立伟，女，1971年3月出生，籍贯黑龙江哈尔滨，博士研究生学位，单位：哈尔滨理工大学材料学院，职称：教授，单位邮编：150000。研究方向：材料科学与工程超声无损检测

作者简介：李佳恒，男，1999年5月出生，籍贯黑龙江哈尔滨，本科学历，在读：哈尔滨理工大学材料学院。研究方向：材料科学与工程超聲无损检测

作者简介：周昊，男，20000年2月出生，籍贯黑龙江哈尔滨，本科学历，在读：哈尔滨理工大学材料学院。研究方向：材料科学与工程超声无损检测

作者简介：赵书逸，男，1999年6月.出生，籍贯黑龙江省黑河市，本科学历，在读：哈尔滨理工大学材料学院。研究方向：材料科学与工程超声无损检测

哈尔滨理工大学材料学院 黑龙江 哈尔滨 150080