钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下会产生滚动接触疲劳裂纹。钢轨踏面裂纹是典型的滚动接触疲劳裂纹,该类裂纹容易从轨头往下发展导致钢轨断裂,对行车安全造成重大隐患。首先采用有限元数值方法分析超声表面波与钢轨踏面裂纹的作用规律,研究了低频超声表面波在不同倾角、不同深度踏面裂纹上的散射特性及反射回波时域信号响应特点。其次,设计制作了中心频率为0.3 MHz的表面波电磁超声换能器(EMAT),对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测,以更好地识别显示裂纹。为克服EMAT提离对信号回波的影响以及适应快速巡查检测,对裂纹反射回波采用同步挤压小波变换(SWT)进行去噪和重建,实现了B扫快速成像。研究结果表明,所设计的表面波EMAT能够有效地检测钢轨踏面上的多个裂纹,采用同步挤压小波变换处理回波信号后,超声回波信噪比至少提高8.83 dB,可显著提高B扫成像清晰度和检测速度。     

基于广义交叉阈值同步压缩小波的超声信号特征提取方法

利用超声无损检测技术,对轴的表面裂纹检测时,微小裂纹回波信号常常会被各种噪声掩盖,造成裂纹无法识别和定位。为解决这一问题,提出采用广义交叉阈值同步压缩小波变换方法对超声回波信号进行分析,从时频域中识别裂纹回波信号特征并进行定位。该方法在同步压缩小波变换基础上,利用广义交叉验证估计降噪的阈值水平,不依赖于任何先验知识。具体地,通过添加基于峭度测量的预处理步骤和基于自适应硬阈值处理的后处理步骤,提高了阈值处理的效率和时频域内的降噪效果,从而实现了噪声与特征信号的有效区分。将该方法应用于轴表面微小裂纹超声回波信号的特征识别,并与连续小波变换的结果进行了对比,结果表明所提出的方法能够更精确地识别裂纹并提取裂纹出现时间点,进而判断微小裂纹的具体位置。     

小波分析在超声回波信号处理中的应用

根据超声检测脉冲回波信号的特点,提出了基于小波变换的超声脉冲回波的去噪方法.结果表明,它能较好地抑制噪声,使用该法处理的信号的信噪比明显提高,并且具有较高的定位精度和纵向分辨率.     

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈 EMAT 检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值\\主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证。比较了0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。     

相位编码脉冲压缩方法在空气耦合超声检测信号处理中的应用

由于声波在空气介质中的衰减及气固界面巨大声阻抗差导致空气耦合超声透射信号信噪比差,大大影响检测结果的可靠性及缺陷定量精度。针对上述问题,基于雷达系统相位编码脉冲压缩技术的基本原理讨论匹配滤波器的设计及其在空气耦合超声检测中的实现,分析不同巴克码信号、带宽及载波周期数对脉冲压缩效果的影响,并以玻璃纤维复合材料(Glass fiber reinforced polymer,GFRP)试样为对象,对比用单频正弦及相位编码脉冲压缩方法获得的透射超声信号信噪比及C扫描缺陷定量精度。试验结果表明选择换能器中心频率作为13位巴克码信号带宽时,脉冲压缩信号主瓣脉宽最小、幅值最大;相位编码脉冲压缩后超声信号信噪比较单频信号提高了12.4 dB,缺陷边缘更清晰且定量精度较单频信号提高了12%。说明在空气耦合超声检测中采用相位编码脉冲压缩技术能显著提高接收信号信噪比及缺陷定量精度。     

基于编码压缩的纤维缠绕气瓶贴附式电磁超声检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在纤维缠绕储氢气瓶在线监测中回波信噪比低、洛伦兹力机制失效等问题,提出了基于编码压缩的贴附式电磁超声水平剪切(SH)导波检测方法,通过有限元建模分析了Barker编码序列位数和码元载波周期、chirp信号脉宽和带宽、组合Barker码的组合方式对脉冲压缩信号的信噪比和分辨率的影响,并进行了实验验证,最后开展了纤维缠绕储氢气瓶中长20 mm、宽0.5 mm、深2 mm裂纹检测实验。结果表明,采用金属贴膜方式能有效解决EMAT在非金属材料中难以检测的难题;增加Barker码的序列位数和载波周期、增大chirp脉宽以及减小chirp带宽、增加组合Barker码的序列长度均可以提高脉压信号信噪比;经优化设计后,相较于传统Tone-burst激励方式,脉冲压缩技术可以将缺陷波信噪比至少提高20.4 dB,在不同编码算法中,chirp信号激励下的信噪比最高,达到了23.9 dB,采用3×13位组合Barker码时,脉压信号的主瓣宽度为28.8μs,分辨率最高,但信噪比较低。     

基于NLFM Barker编码的板材焊缝缺陷超声检测方法研究

针对编码超声检测中,回波信号经脉冲压缩后存在主瓣持续时间长和旁瓣水平高的问题,提出了一种基于非线性调频(NLFM) Barker复合编码的超声波激励方法,用于板材焊缝缺陷检测。给出了该复合码的产生方法,并推导出了其函数表达式。通过仿真对比分析了其与Barker码、非线性调频信号、以及线性调频Barker码这3种编码激励方法产生的超声波的时频特性、传感器响应特性以及回波脉冲压缩特性。试验结果表明,该复合编码超声回波信号经脉冲压缩后,其主旁瓣功率比较非线性调频信号和线性调频Barker码分别提高了约11和5 dB,峰值旁瓣水平较Barker码、非线性调频信号、以及线性调频Barker码分别降低了约7.8、7和3.6 dB,并能有效检测出焊缝中预设的5种常见缺陷。     

钢轨踏面斜裂纹超声表面波B扫成像检测研究

由滚动接触疲劳引起的钢轨踏面斜裂纹已成为目前高速铁路在役钢轨无损检测中的重要问题,现有的铁路钢轨超声探伤车(仪)难以检测此类缺陷。采用低频超声表面波方法,沿钢轨长度方向对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测。由于钢轨轨头为带圆弧边的矩形截面,在钢轨表面激发和传播的低频表面波已不再是经典的Rayleigh波,而是一类导波,导波的多模式对表面波成像检测形成了干扰。为减小干扰,将空间平均技术应用于钢轨踏面斜裂纹的表面波B扫成像。对人工缺陷试块和钢轨试样的B扫成像实验结果表明,利用空间平均技术能有效的抑制此类干扰,提高信噪比,可对钢轨踏面斜裂纹作快速检测和定位。     

钢轨踏面低频超声表面波传播模式研究

钢轨轨头滚动接触疲劳引起钢轨踏面表面及近表面裂纹是目前高速铁路运行的重要威胁之一,铁路部门目前采用的检测技术无法对此类缺陷进行有效监、检测,可采用低频超声表面波对钢轨踏面裂纹进行检测。钢轨轨头异形波导结构使得低频超声表面波传播具有频散特性,这就需要对其传播模式进行有效识别。基于ABAQUS有限元方法建立钢轨踏面简化三维模型,采用二维快速傅里叶变换(2D-FFT)的分析方法得到低频超声表面波在钢轨踏面传播的频率-波数频散曲线,并通过搭建实验系统,对自由状态下60型钢轨低频超声表面波传播模式进行模式识别,研究表明300 k Hz频率点是低频超声表面波在钢轨踏面传播频散分界点;数值模拟采用中心频率为200 k Hz信号单点对称激发,表面波传播模式主要有5种对称模式,激发频率为500 k Hz时,传播模式出现混叠;实验结果显示,激励信号中心频率为500 k Hz,采用斜楔技术在钢轨踏面中轴线上激发低频超声表面波存在4种主要对称传播模式,实验频散曲线分辨率比数值模拟频散曲线分辨率高。     

小波变换在超声探伤仪检测回波处理中的应用

超声检测时探伤仪的电噪声和被检粗晶材料的散射噪声严重影响检测回波的信噪比。研究小波变换软阈值去噪方法在超声检测回波处理中的应用。在分析仪器电噪声、材料散射噪声和缺陷回波的小波变换特性的基础上，提出一种用一个尺度问变化的门限阀值来抑制噪声回波的小波变换系数再重构检测回波的方法提高信噪比。距离一波幅一当量曲线测定实验结果表明，该方法具有很好的去噪效果，处理后的回波损失小，能保证超声探伤的定量准确性。     

超声波测距系统中的小波去噪方法研究

针对远距离超声波测距系统中回波信号信噪比低的问题,采用小波变换对超声波的回波信号进行去噪处理。为取得较好的去噪效果,对小波变换的参数选取进行了研究。根据小波基的特性,通过能量与能量熵选取最优小波基;基于回波信号噪声的白噪声特征,采用白噪声检验自适应确定分解层数;引入参考噪声信号,确定小波系数处理阈值,并选用一种结合软、硬阈值函数的改进阈值函数进行小波系数处理。为验证方法的有效性,搭建基于NI数据采集卡和LabVIEW的超声回波信号采集平台,利用MATLAB小波工具包完成回波信号的去噪处理,并通过信噪比、均方根误差等指标对去噪效果进行综合评判。实验表明小波去噪可以达到很好的去噪效果,为大量程超声测距提供理论基础。     

金属材料小缺陷超声反射信号建模及识别

为了能从含噪声金属材料超声检测信号中有效识别出微小缺陷回波,建立了金属材料超声反射信号模型并提出了基于相关系数的微小缺陷回波识别方法。对含微小缺陷金属材料超声脉冲反射信号的成分进行分析,建立了基于散射声场与高斯回波理论的优化超声回波模型。设计了超声缺陷回波位置识别方法。该方法对超声脉冲反射信号去噪后,取探头发射脉冲信号为参考信号;然后与去噪后的信号逐段求解相关系数;最后对该相关系数序列进行阈值化处理,获得缺陷回波在超声回波信号中的位置。将利用上述优化超声回波模型生成的超声反射信号及其频谱与实验获得的金属材料超声反射信号及其频谱进行了对比,结果表明:两者的时频域特征具有一致性。当将阈值设定为相关系数序列最大值的60%时,能够有效从超声背散射信号中识别出金属材料微小缺陷回波。     

有限角度水浸超声检测空间复合成像

为降低噪声及伪影对水浸B扫成像的影响,提高成像分辨率及对比度,研究了一种适用于水浸检测的有限角度空间复合成像方法。控制不同入射角,实现角域回波信号的采集,采用希尔伯特变换对回波信号进行包络处理,考虑水与工件的声学差异,通过修正渡越时间偏差及折射路径偏差对有限角度内的回波信号进行重构,实现空间复合成像。以钢试块的水浸超声检测为例,对入射角为-7°、-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°、5°、7°的回波信号进行空间复合成像,成像结果表明相对于普通B扫查成像,其成像信噪比及对比度噪声比平均分别提高了9.1 d B、5.6 d B,成像横向分辨率平均提高了17.6%,为水浸超声检测提供了一种高精度B扫成像方法。     

基于经验与变分混合分解的超声回波信号噪声消除方法

超声缺陷检测结果易受超声回波信号中复杂噪声的干扰,为了提高超声缺陷检测的准确度,提出一种基于混合分解的 超声回波信号噪声消除方法。 采用经验模态分解算法结合相关系数指标对超声回波信号进行预处理,得到消除低频噪声分量 的超声回波预处理信号。 基于变分模态分解将该预处理信号分解为一系列窄带本征模态函数,引入互信息指标估计变分模态 分解的最优模态数量,并根据窄带本征模态函数与预处理信号的相关系数提取有用的模态分量,实现对超声回波信号去噪结果 的重构。 通过仿真和实测超声回波信号验证了本文方法的去噪性能,并与现有方法进行了对比。 结果表明,本文方法可同时消 除超声回波信号中的高频和低频噪声,在不同信噪比条件下 EMD、VMD 和本文方法去噪结果的 SNR 均值分别为 10. 01、9. 48 和 16. 09 dB,验证了本文方法对于超声回波信号噪声消除的优越性。     

Estimating ultrasonic time of flight using envelope and quasi maximum likelihood method for damage detection and assessment

Time of flight (TOF) is widely used to locate and size faults in ultrasonic non-destructive evaluation (NDE). In this paper, we propose a novel model-based method for ultrasonic echo parameter estimation. The ultrasonic signal is assumed to be composed of an unknown number of Gaussian echoes corrupted by white Gaussian noise. Firstly, the Hilbert transform is used to extract the envelope of the signal. It is shown that the parameter estimation of the signal is improved by using the envelope. To estimate the parameters of the envelope of the signal, quasi maximum likelihood method is used. The number of echoes is estimated using consistent Akaike information criterion. Two measures are used to evaluate the performance of the proposed method: (a) probability of detection of backscattered echoes and (b) the error of estimated time of flights. The proposed method is then compared to the cross-correlation method and the maximum likelihood method which uses the original signal. Simulated and experimental signals are used to evaluate the performance of each method. Both experimental and simulated results show that the proposed method can improve the parameter estimation which ultimately enhances the damage detection and assessment.     

Estimating ultrasonic time-of-flight through echo signal envelope and modified Gauss Newton method

The accurate estimation of ultrasonic Time-Of-Flight (TOF) is essential in ultrasonic non-destructive testing (NDT). In this paper, a novel method for TOF estimation through envelope is proposed. Firstly, the wavelet denoising technique is applied to the noisy echo to improve the estimation accuracy. Then, the Hilbert transform (HT) is used in ultrasonic signal processing in order to extract the envelope of the echo and to reduce the computational burden. Finally, the echo parameters are estimated by using a Modified Gauss Newton (MGN) based nonlinear Least Squares (LS) estimation method. And, a fast algorithm is adopted to estimate the parameters of M-superimposed echoes. Numerical simulation and experimental results have been carried out to show the performances of the proposed method in estimating TOF of ultrasonic signal.     

超声探测弱信号提取方法

为了在超声检测中排除噪声干扰，从强噪声背景中提取弱回波信号，利用小波变换技术从超声探测信号中提取弱缺陷回波信号，建立了超声缺陷回波的数学模型，并进行了仿真实验，其特有的“变焦距”特性使得小波分析在时域和频域中具有良好的分析能力。结果表明，利用小波变换方法能够很好地抑制噪声，提高信噪比，提取强噪声背景中的弱回波信号，且该方法原理简单，易于实现，在工程上有较高的应用价值。     

基于复小波块阈值的降噪方法及其在机械故障诊断中的应用

提出一种基于对偶树复小波块阈值的信号降噪方法,并将其成功应用于机械故障诊断中.机械设备的振动信号都或多或少地含有噪声,导致弱故障信息的提取一直是故障诊断的难点和热点.提出的降噪方法充分利用对偶树复小波变换的平移不变性和块阈值法的更优估计特性,可以获得比常规的小波降噪方法以及基于常规离散正交小波变换的NeighBlock降噪法更高的信噪比,不仅能有效抑制高斯白噪声,还能够去除冲击信号中的脉冲噪声.对实际信号的研究表明:这种降噪方法可以提取齿轮箱早期故障信息和强噪声背景情况下的隐含故障信息,特别对提取弱冲击故障信号非常有效.     

改进的非线性调频脉冲压缩方法在空气耦合超声检测中的应用

为解决空气耦合超声检测中信号微弱、信噪比低的问题,在应用线性调频脉冲压缩方法的基础上,研究非线性调频脉冲压缩方法及改进后的方法在空气耦合超声检测中应用。介绍非线性调频脉冲压缩方法的基本原理,针对超声检测中实际应用的特殊性,分析换能器频带特性对脉冲压缩效果的影响,试验研究改进的非线性脉冲压缩方法对空气耦合超声换能器接收信号的影响以及脉冲压缩方法对提高信噪比的实际效果,通过空气耦合超声C扫描检测系统,对玻璃纤维复合材料试样进行成像检测试验。试验结果表明,改进的非线性调频脉冲压缩方法可有效提高脉冲压缩效果,有利于改善空气耦合超声检测的效果。