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基于无损检测的激光超声信号分析

【摘要】本文采用了移动线光源扫描技术建立了检测激光超声的实验系统，

对实验中探头与金属边界距离不同的超声表面波提取出幅度、频谱等信息;通过

理论分析及实验数据的验证，得到金属边界反射对这些参数的影响。该文的研究

成果为金属表面缺陷无损检测时边界反射对检测的影响提供有效的说明。

【关键词】表面波;缺陷检测;扫描激光线源技术;激光超声;边界反射

1.引言

铝合金是现代工业中应用最为广泛的一种有色金属结构材料。在飞机制造、

造船、汽车制造等重工业领域，用铝合金代替传统工艺上的钢或者铸铁，能有效

减轻构件重量，提高构件的结构强度和散热性能[1]。在家用电器、建筑材料等

轻工业领域，铝合金的用途也非常广泛。但是，在将铝合金材料生产成各种零配

件的制造过程中，有可能因为材料本身有缺陷，或者生产工艺和环境影响等因素

使得零件产生缺陷，若不及时发现并排除，将引发产品质量问题，甚至给人员和

财产安全造成重大损失[2]。为了不破坏材料构件原来的形状，不改变其使用性

能，采用无损检测方法对铝合金材料进行缺陷检测是很重要的。

采用激光超声技术对缺陷进行检测，具有很多优点：可实现非接触的激发和

测量;频带宽;适用材料的范围很广;当工作于热弹机制下能实现非破坏性无损检

测;受表面状况影响小，测量准确度和分辨能力都很高[3];激光激发的声表面波尤

其是沿表面传播的瑞利波（RyaelihgWave）具有激发效率高，衰减小和易于检测

等优点，便于用来对缺陷进行检测和定位，具有显著的优势。

2.理论体系

2.1小波基的选择

直接针对几种特定的小波基，对这些小波基在工程应用中的效果进行评估，

以此选出最优者。该方法理论联系实际，可操作性较高。本文通过以下几方面来

比较各种小波性质以及它们在实际信号处理方面的效果差异，以此判断小波的实

用性，并作为选择小波基的理论依据。

（1）支撑长度：与时频局部化能力有关;

（2）对称性：能避免或减少相位失真;

（3）正则性：有利于重构的信号和图像获得较好的平滑效果;

（4）消失矩：对小波在信号压缩、信号降噪、信号奇异性检测等方面的应

用极为重要;

（5）是否存在尺度函数;

（6）是否具有正交性。

对几种常见小波函数的比较如表1所示：

表1几种常见小波函数的比较

小波函数紧支正交任意阶数失矩尺度函数存在正交分析准确重构对

称性快速算法

haar是是是是有

mexh是

morl是

DBN是是是是是有

symN是是是是是有

由表1可知，mexh小波和morl小波虽然具有对称性，但不具备紧支性和正

交性，也没有快速算法;Haar小波在紧支正交、尺度函数和快速算法等方面虽然

都符合要求，但它时域非连续，只适用于理论研究;DB小波和sym小波虽不具备

对称性，但其在紧支性、正交性等方面都优于前三种小波，同时具备快速算法，

可以用软件实现对检测信号的小波快速分解和快速重构。sym小波是对DB小波

的改进，在对称性方面优于DB小波，采用sym系小波对信号进行快速分解后重

构信号与原始信号的误差小于采用DB系小波所得的结果，因此在超声波信号处

理方面sym小波效果更好。本文对含噪超声检测回波信号，分别采用sym系小

波中的不同小波函数对其进行分析，经过多次比较，发现sym8小波在保留信号

高频细节成分上优于其它sym小波，这一优点在提高缺陷检出率方面将大有作

为，因此本文确定以sym8小波作为小波基。

2.2尺度的确定

小波分析理论表明，小波分解过程实质上是一种迭代过程，理论上可以无限

进行。小波分解的层次越多，信号的高低频部分就分解得越彻底，但同时也会导

致计算量加大[4]。在小波的每次分解过程中都会对所得到的信号进行二次采样，

使得系数的长度变为上一层系数长度的二分之一，当分解到第七层之后，系数的

长度值已变为1，再分解下去将失去实际意义。为了确定具体的分解尺度，本文

采用sym8小波对图所示的超声检测回波信号进行测试，发现当尺度取6时，既

能有效的去除信号中的无用成分，相对其它尺度又最完整的保留了有用成分，对

于铝合金板材超声检测缺陷回波信号的处理，显然该尺度是最为合适的