PAGEPAGE1管道超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用研究摘要隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)于能源的需求量不斷增加，管道運(yùn)輸是油氣能源主要運(yùn)輸方式，目前已得到了大規(guī)模應(yīng)用。由于管道輸送介質(zhì)復(fù)雜多樣，在實(shí)際工作中難免會(huì)發(fā)生故障，影響正常生產(chǎn)生活，因此必須要加強(qiáng)管道的維護(hù)與管理。隨著管道使用頻率的不斷增加，一定會(huì)存在一定的安全問題。譜分析法可以很方便地得到信號(hào)周期性，能處理數(shù)量眾多的樣品。因此，將譜分析法應(yīng)用于超聲波檢測(cè)中具有重要意義。文中選取鋼試塊模擬實(shí)際管道，進(jìn)行了試驗(yàn)，采用美國物理聲學(xué)公司超聲掃描檢測(cè)裝置做了測(cè)試。通過改變不同的參數(shù)來分析其影響規(guī)律。超聲探頭，用于發(fā)出超聲波和接收回波信號(hào)，經(jīng)AD-IPR-1210模數(shù)轉(zhuǎn)換后，獲得數(shù)字信號(hào)，獲取UTwin中的回波圖和收集資料。關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè)；BT法；周期圖法；Matlab目錄TOC\o"1-3"\h\u4327第1章引言 1122701.1研究背景及意義 1204041.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 117026第2章超聲波檢測(cè) 3229502.1超聲波理論簡介 3214422.2超聲波測(cè)厚原理 3154342.3傳感器的選型 3322042.3.1壓電晶片的選擇 422772.3.2頻率的選擇 4301922.4超聲發(fā)射/接受與數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì) 5195142.5軟件介紹 622478第3章譜分析技術(shù) 855473.1超聲頻譜分析技術(shù)的發(fā)展 8221343.2經(jīng)典功率譜估計(jì) 841853.2.1周期圖法原理 9275423.2.2相關(guān)功率譜密度BT法原理 915683.2.3BT法和周期圖法的關(guān)系 97408第4章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 1091294.1Matlab介紹 10293614.2周期圖法測(cè)得鋼試塊中的超聲波傳播速度 10199514.3周期圖法測(cè)得鋼試塊的厚度 13198144.4BT法測(cè)得在鋼試塊內(nèi)的超聲波傳播速度 2073874.5.1臺(tái)階b的厚度 221564.5.2臺(tái)階C的厚度 24276304.5.3臺(tái)階d的厚度 26326174.6試驗(yàn)結(jié)果 27146104.7誤差分析 284731第5章總結(jié) 292817參考文獻(xiàn) 30第1章引言1.1研究背景及意義在社會(huì)不斷發(fā)展的今天，社會(huì)能源需求量不斷增加。由于管道輸送介質(zhì)復(fù)雜多樣，在實(shí)際工作中難免會(huì)發(fā)生故障，影響正常生產(chǎn)生活，因此必須要加強(qiáng)管道的維護(hù)與管理。管道運(yùn)輸已成為中國陸上石油和天然氣的主要運(yùn)輸手段，它與它最為經(jīng)濟(jì)，有效的運(yùn)輸特點(diǎn)息息相關(guān)，因此，對(duì)管道系統(tǒng)安全問題也引起了重視。管道由于長期暴露于自然環(huán)境中，所以受到自然因素以及人為因素的影響而產(chǎn)生各種各樣的破壞，其中最為突出的就是腐蝕。隨使用時(shí)間延長而腐蝕和降解、堵塞對(duì)管道的使用及安全系數(shù)都有嚴(yán)重的影響，石油管道運(yùn)行中，受腐蝕影響最嚴(yán)重，腐蝕達(dá)到一定程度時(shí)，就是會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生斷裂，破損嚴(yán)重的地方可誘發(fā)泄漏，大量外泄的資源可能會(huì)對(duì)地方環(huán)境造成污染，甚至可能給當(dāng)?shù)鼐用駧砩眢w傷害[1]。所以對(duì)于石油管道來說，要想保證正常的運(yùn)行就要做到及時(shí)維修，如果出現(xiàn)故障就必須及時(shí)更換損壞部分或?qū)⒄麄€(gè)管線報(bào)廢，這無疑給國家?guī)砗艽蟮慕?jīng)濟(jì)損失。所以，管道出現(xiàn)事故之前，進(jìn)行系統(tǒng)的內(nèi)檢測(cè)，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已出現(xiàn)事故后重新去維修所需要的成本。目前我國對(duì)于石油管道的內(nèi)檢測(cè)主要還是依靠傳統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)，這種方式不僅需要耗費(fèi)很多人力物力還不能及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)問題并且無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。無損檢測(cè)技術(shù)是一種不會(huì)對(duì)檢測(cè)對(duì)象組織結(jié)構(gòu)造成損傷的技術(shù)，目前，已經(jīng)有多種原理不同的無損檢測(cè)技術(shù)被提出，并在實(shí)踐中取得明顯成效，在這些檢測(cè)技術(shù)中，使用最廣泛的幾種主流技術(shù)是渦流檢測(cè)，漏磁檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。渦流檢測(cè)是一種非接觸式測(cè)量，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)。渦流檢測(cè)具有對(duì)試樣中腐蝕和其他缺陷進(jìn)行探測(cè)的可靠能力，并實(shí)現(xiàn)了二維，三維無檢測(cè)盲區(qū)，此外，還具有不需要飽和磁化的特點(diǎn)、傳感器和樣品之間不存在牽制力、掃描方便的優(yōu)點(diǎn)。超聲檢測(cè)具有靈敏度高、分辨率好、操作簡便等特點(diǎn)，是一種非常有效的管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)方法，能夠確定管道的損傷情況。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著世界管道檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)超聲波檢測(cè)的市場(chǎng)需求也進(jìn)入了日益成熟的階段。目前的管道運(yùn)輸形式主要有兩種：地下管道運(yùn)輸和地上管道運(yùn)輸。地下管道運(yùn)輸又分為埋地管道運(yùn)輸和海底管道運(yùn)輸。不論是埋地管道運(yùn)輸還是海底管道運(yùn)輸，他們都會(huì)受到環(huán)境的影響，而且在管道外檢測(cè)的施工難度巨大，只能依靠先進(jìn)的技術(shù)在管道內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。地上管道運(yùn)輸檢測(cè)相對(duì)簡單，可以手動(dòng)在管道外進(jìn)行檢測(cè)，施工難度較小。1965年國際著名的管道檢測(cè)公司TUBOSCOPE史無前例的采用了漏磁檢測(cè)器對(duì)管道的內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。在1973年英國天然氣公司BritishGas使用了漏磁檢測(cè)器對(duì)一條直徑60cm的管道內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)后，新型的檢測(cè)技術(shù)如雨后春筍般產(chǎn)生出來。同樣的在國內(nèi)也有很多高等院校和研究所在管道超聲波檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了深入的研究，可是在應(yīng)用上目前還是達(dá)不到國外的先進(jìn)水平。南京理工大學(xué)機(jī)器人研究所研制了一種用于檢測(cè)小口徑石油管道的智能管道檢測(cè)機(jī)器人，它使用超聲波原理對(duì)石油管道的殘余壁厚進(jìn)行檢測(cè)，整個(gè)智能檢測(cè)系統(tǒng)也分為管內(nèi)和管外兩大部分。該機(jī)器體積小，動(dòng)作靈活，基本達(dá)到了在管道內(nèi)的長距離檢測(cè)的要求。國內(nèi)外的研究都對(duì)將來的管道檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，具有長久的前瞻意義，產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

第2章超聲波檢測(cè)2.1超聲波理論簡介人類能夠識(shí)別聲波的頻率范圍在20Hz~20000Hz，聲波震動(dòng)超過20000Hz就聽不到，這時(shí)叫超聲波，超聲波的頻率很高，但是波長很短，以縱波形式于一定距離處向彈性介質(zhì)中傳播。人們?cè)谏钪谐３?huì)使用聲音進(jìn)行探傷。渦流檢測(cè)是一種非接觸式測(cè)量，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)。一直到人們采用較高頻率超聲波探傷，才解決了一般聲音不能穿透的難題，才做出定量表示。2.2超聲波測(cè)厚原理圖2-1為超聲探頭的示意圖，超聲波探頭壓電晶片在激勵(lì)下發(fā)出起始脈沖超聲波P，打在被測(cè)試塊表面部分反射回探頭B1中，另一部分將穿透試塊的表面，反射W11到試塊的內(nèi)壁上,W11再部分穿透試塊的內(nèi)部，返回超聲探頭W12，另一部分是試塊內(nèi)的兩次反射因?yàn)槊恳淮未┩冈噳K，部分反射就減弱了，W信號(hào)在試塊內(nèi)將逐步衰減殆盡。超聲回波信號(hào)呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，信號(hào)周期與管壁厚度呈線性關(guān)系。所以人們一直在尋求能準(zhǔn)確地描述聲波傳播過程和探測(cè)目標(biāo)內(nèi)部情況的方法，以達(dá)到檢測(cè)目的。利用該線性連接對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，獲得壁厚f頻率特征，帶入公式（2-1）進(jìn)行計(jì)算，求得被測(cè)試塊的厚度d。2d=v/f公式(2-1)圖2-1超聲探頭發(fā)射/接受原理圖2.3傳感器的選型超聲波傳感器是超聲探頭的一種，超聲波探頭的種類很多，選用的時(shí)候，一般需關(guān)注待檢物體外形、缺陷位置，安裝方向等多種因素。在對(duì)超聲波傳播規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，提出了一種利用聲速變化與壁厚間的關(guān)系進(jìn)行無損探傷的新方法——基于聲速變化規(guī)律的射線跟蹤法。超聲探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2-2：圖2-2超聲探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3.1壓電晶片的選擇探頭壓電晶片半徑通常在5mm至15mm之間，缺陷之檢測(cè)能力受到晶片尺寸的影響極大，晶片愈大，缺陷檢出的靈敏度越高，指向性就越好；當(dāng)探測(cè)的厚度比較小時(shí)，表面比較粗糙、曲率大或小的工件時(shí)，宜選擇小晶片大小探頭。由于超聲相控陣技術(shù)具有方向性強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，因此可用于對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行無損探傷和質(zhì)量評(píng)定。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的剛試塊，其表面比較光滑，完整，耦合損失可忽略不計(jì)，為了達(dá)到探測(cè)條件，因此，選用了10mm直徑壓電晶片。2.3.2頻率的選擇表2-1整理出4種超聲探頭及其相應(yīng)頻率，超聲波探傷頻率為0.5-10MHz。表2-1各個(gè)探頭基本信息考慮到具有較好的徑向測(cè)量精度而選擇5MHz為探頭中心頻率可以達(dá)到系統(tǒng)徑向分辨率。2.4超聲發(fā)射/接受與數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計(jì)圖2-3為電路板實(shí)物圖，AD-IPR-1210具備高性能超聲功能模塊，它集超聲發(fā)射--接收功能于一體、整合A/D功能于超聲信號(hào)捕獲和處理。通過本文所做工作為今后相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供一定參考依據(jù)。本系統(tǒng)可以用軟件編程的方法來控制要求的頻段。由于采用了單片化設(shè)計(jì)，因此在降低成本和體積方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。該卡具有12位AD轉(zhuǎn)換率，單板具有完整的UT脈沖和處理功能。由于采用了特殊設(shè)計(jì)的波形產(chǎn)生電路和濾波電路，因此可以很好地模擬被測(cè)物體反射回波。它里面融合著許多先進(jìn)的算法，能迅速測(cè)量被測(cè)對(duì)象，輸出測(cè)量結(jié)果。它能將各種頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字波形。AD-IPR-1210用于工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)及科學(xué)研發(fā)，儀器和一般實(shí)驗(yàn)室操作，或在任何需要使用20MHz或以下傳感器和高速和/或多路傳感器的應(yīng)用中，具有多種潛在應(yīng)用--需要信道數(shù)據(jù)采集。圖2-3AD-IPR-1210實(shí)物圖按照以上方法對(duì)AD-IPR-1210收到的探頭轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)做了處理，分析原理見圖2-4中數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)傳輸框圖：圖2-4數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)傳輸框圖（1）高電壓尖峰脈沖部分所述板上設(shè)置有用于產(chǎn)生高壓功率的脈沖產(chǎn)生電路。高壓輸出通過一個(gè)快速開關(guān)被引入高壓輸入。脈沖電壓任選300v或者400v，其中400v有較快脈沖上升尖峰脈沖時(shí)間。脈沖發(fā)生器通過將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平脈沖并使其上升沿高于閾值而被提供給高速脈沖發(fā)生器。高壓輸出在軟件控制下可實(shí)現(xiàn)步長50伏。這種負(fù)向脈沖是通過改變脈沖幅度而獲得。（2）接收器部分高壓輸出通過一個(gè)快速開關(guān)被引入高壓輸入。收到的模擬信號(hào)由放大器進(jìn)行放大，經(jīng)高低通濾波后，在信號(hào)傳輸部分與接收器部分之間消除干擾信號(hào)，獲得了干擾少的模擬信號(hào)。（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理單元經(jīng)放大濾波的信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。把這些數(shù)字信號(hào)傳輸給有各種數(shù)字信號(hào)處理的野外可編輯門陳列，以便加工。2.5軟件介紹UTwin軟件采用32位窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、成像與回放程序。主要用于數(shù)據(jù)采集和記錄，但在許多情況下，它不能滿足實(shí)際應(yīng)用中所要求的性能。所有WINDOWS資源都可在UTwin上使用。介紹了在超聲無損檢測(cè)中應(yīng)用此軟件包時(shí)需要注意的事項(xiàng)以及該軟件包在實(shí)際工作中所取得的效果。并指出了XP操作系統(tǒng)。本文介紹了該軟件在超聲無損檢測(cè)中應(yīng)用情況，包括對(duì)探頭位置控制、回波信號(hào)分析及處理等方面。軟件能實(shí)現(xiàn)超聲波掃描、步進(jìn)及多點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸掃描，用它對(duì)不同零件及復(fù)雜零件表面進(jìn)行掃描。它也可對(duì)物體作局部三維重構(gòu)以得到更精確的圖形信息。并給出了A掃描圖和B掃描圖、C掃描圖和FFT光譜。并可在屏幕上繪制出任意角度下的三維圖形。UTwin軟件既能采集和分析數(shù)據(jù)識(shí)，同時(shí)也可以進(jìn)行缺陷位置識(shí)別、尺寸和屬性，產(chǎn)生以圖像，Word文件、以Excel和其他方式采集。第3章譜分析技術(shù)3.1超聲頻譜分析技術(shù)的發(fā)展隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的方法不能準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷定位與定量。其主要原因在于缺陷尺寸大，性質(zhì)差異大，超聲波也有不同反射，而且它們反射回波的差別一般在頻域中比較明顯，但是時(shí)域中并不顯著，或者難以探測(cè)到，且頻域特征受耦合狀態(tài)及其他因素影響較小，校正系統(tǒng)之后，常量函數(shù)關(guān)系得以實(shí)現(xiàn)。另外，還可利用這些特性來判斷材料內(nèi)部損傷程度、裂紋類型及位置，并進(jìn)行定位預(yù)報(bào)，從而達(dá)到安全生產(chǎn)目的。二十世紀(jì)超聲頻譜分析技術(shù)發(fā)展過程列于表3-1：表3-1二十世紀(jì)超聲頻譜分析技術(shù)發(fā)展表21世紀(jì)以后，人們提出了極小值信號(hào)恢復(fù)算法可以提高粗晶材料超聲波信號(hào)信噪比的分離譜法[23]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的方法不能準(zhǔn)確地進(jìn)行缺陷定位與定量。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)目前頻率分辨率譜分析還不夠滿意，因此，有一種小波變換法被提出來，它可以得到不同頻率下的不同分辨率[24]。由于該方法是一種新的分析方法，所以其理論還沒有完全建立起來，也沒有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。近年來國外對(duì)頻譜分析法作了不少試驗(yàn)，但是，這一古典分析法仍然存在著很大的爭議。本文主要對(duì)幾種常用于無損探傷和工業(yè)射線檢測(cè)中的小波包分解方法進(jìn)行研究與比較。在無損檢測(cè)領(lǐng)域，超聲頻譜分析起著決定性地推動(dòng)作用[25]。3.2經(jīng)典功率譜估計(jì)3.2.1周期圖法原理假定有N個(gè)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換，得到公式（3-1）：

公式（3-1）再對(duì)公式（3-1）取模的平方，除以N，即得到所需的譜，如公式（3-2）：

公式（3-2）3.2.2相關(guān)功率譜密度BT法原理的自相關(guān)函數(shù)定義如式（3-3）所示，得到的功率譜記為，則BT法可以表述為公式（3-4）：

公式（3-3）

公式（3-4）3.2.3BT法和周期圖法的關(guān)系相關(guān)函數(shù)可以寫成卷積形式如公式（3-5）的：

公式（3-5）設(shè)序列的傅立葉變換為，則當(dāng)M=N-1時(shí)，BT法與周期圖法相同?？梢钥醋髦芷趫D法是BT法的一個(gè)特例。第4章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理UTwin軟件將收集的數(shù)據(jù)處理獲得A掃描圖。將回波圖在Matlab軟件中顯示，從功率譜圖中提取對(duì)應(yīng)峰值，獲取試塊厚度頻率。將計(jì)算值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的正確性。利用超聲速度公式（4-1）得到超聲波的傳播速度，并利用壁厚計(jì)算公式（4-2）式得到管壁厚度，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)厚度，得到誤差的大小，分析了誤差出現(xiàn)的原因。公式（4-1）公式（4-2）4.1Matlab介紹Matlab美國MathWorks公司數(shù)學(xué)其強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能和數(shù)字圖像處理功能為用戶提供了極大的方便，可制作高度直觀的二維，三維圖像，可以執(zhí)行各種程序語言，更有功能強(qiáng)大的仿真軟件SIMULINK。利用此方法測(cè)量了某廠生產(chǎn)過程中不同時(shí)刻的超聲波聲速和壁厚。軟件的設(shè)計(jì)離不開自動(dòng)化這樣的專業(yè)，以及對(duì)許多科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)支撐。4.2周期圖法測(cè)得鋼試塊中的超聲波傳播速度實(shí)驗(yàn)采用模擬管道的鋼試塊如圖4-1所示：圖4-1實(shí)驗(yàn)室鋼試塊實(shí)物圖在Matlab工作區(qū)導(dǎo)入U(xiǎn)Twin探測(cè)到的信息，首先，需按照周期圖法編制的Matlab程序，得到了鋼試塊中超聲波的傳播速度v：filename='25csvlist.dat';xn=csvread(filename,31,1)plot(abs(xn))通過上面的程序，做出臺(tái)階a的超聲波回波圖如圖4-1所示：圖4-2臺(tái)階a的超聲波回波圖對(duì)超聲回波圖進(jìn)行了分析，首先除去水程的一部分。將高頻段與低頻段用不同方法處理后，在頻率-距離域進(jìn)行頻譜匹配和相乘運(yùn)算得到信號(hào)包絡(luò)曲線。周期圖法功率譜估計(jì)程序：filename='25csvlist.dat';xn=csvread(filename,1430,1,[1430146161])Fs=100000000;%采樣頻率window=boxcar(length(xn));%矩形窗nfft=4096;[Pxx,f]=periodogram(xn,window,nfft,Fs);plot(f,10*log10(Pxx));xlabel('頻率(Hz)');ylabel('相對(duì)功率譜密度（dB/Hz）');運(yùn)行后結(jié)果如圖4-2所示：圖4-3周期圖法處理后的臺(tái)階a譜估計(jì)圖取圖形的功率譜密度在低頻段的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，放大后的圖形如圖4-3：圖4-4放大后的臺(tái)階a周期圖法譜估計(jì)圖用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出了不同高度處空氣柱壓力與流速關(guān)系曲線。在這個(gè)臺(tái)階上取10個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，得到平均速度。用這兩種方法計(jì)算了不同工況下電機(jī)軸承溫升分布情況。有關(guān)資料見表4-1：表4-1周期圖法測(cè)得鋼試塊速度測(cè)量次數(shù)頻率f(Hz)速度V(m/s)第一次測(cè)量1221006202.68第二次測(cè)量1221006202.68第三次測(cè)量1221006202.68第四次測(cè)量1221006202.68第五次測(cè)量1221006202.68第六次測(cè)量1221006202.68第七次測(cè)量1221006202.68第八次測(cè)量1221006202.68第九次測(cè)量1221006202.68第十次測(cè)量1221006202.68平均值1221006202.684.3周期圖法測(cè)得鋼試塊的厚度4.3.1臺(tái)階b的厚度將上文所求超聲波速度v作為標(biāo)準(zhǔn)速度，求出臺(tái)階b、c、d的相應(yīng)厚度。超聲波回波圖程序：filename='19csvlist.dat';xn=csvread(filename,30,1)plot(abs(xn))xlabel('采樣點(diǎn)數(shù)');ylabel('振幅');通過上面的程序，做出臺(tái)階b的超聲波回波圖如圖4-4所示：圖4-5階梯b的超聲波回波圖周期圖法程序：filename='19csvlist.dat';xn=csvread(filename,1824,1,[1824141551])Fs=100000000;%采樣頻率window=boxcar(length(xn));%矩形窗nfft=4096;[Pxx,f]=periodogram(xn,window,nfft,Fs);plot(f,10*log10(Pxx));xlabel('頻率(Hz)');ylabel('相對(duì)功率譜密度（dB/Hz）');運(yùn)行結(jié)果如圖4-5所示圖4-6周期圖法處理后的臺(tái)階b譜估計(jì)圖取功率譜密度在此圖低頻段最高點(diǎn)處的相應(yīng)頻率并放大如圖4-6：圖4-7放大后的臺(tái)階b周期圖法譜估計(jì)圖在相同的溫度和壓力條件下對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的管材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將其結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較分析。見表4-2：表4-2臺(tái)階b厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(Hz)厚度（mm）第一次測(cè)量17090018.1第二次測(cè)量17090018.1第三次測(cè)量17090018.1第四次測(cè)量17090018.1第五次測(cè)量17090018.1第六次測(cè)量17090018.1第七次測(cè)量17090018.1第八次測(cè)量17090018.1第九次測(cè)量17090018.1第十次測(cè)量17090018.1平均值17090018.14.3.2臺(tái)階C的厚度同理制作臺(tái)階C超聲波回波圖如圖4-7：圖4-8臺(tái)階C的超聲波回波圖對(duì)臺(tái)階C回波圖進(jìn)行了分析，選取了去除水程1831~3420的資料，再利用以上程序進(jìn)行處理，獲得圖4-8：圖4-9周期圖法處理后的臺(tái)階c譜估計(jì)圖取功率譜密度在此圖低頻段的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率并放大如圖4-9：圖4-10放大后的臺(tái)階c周期圖法譜估計(jì)圖通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)果的正確性，并對(duì)該頻段下材料損耗因數(shù)進(jìn)行分析討論。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值作比較分析。見表4-3：表4-3臺(tái)階c厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(HZ)厚度（mm）第一次測(cè)量26860011.54第二次測(cè)量26860011.54第三次測(cè)量26860011.54第四次測(cè)量26860011.54第五次測(cè)量26860011.54第六次測(cè)量26860011.54第七次測(cè)量26860011.54第八次測(cè)量26860011.54第九次測(cè)量26860011.54第十次測(cè)量26860011.54平均值26860011.544.3.3臺(tái)階d的厚度采用以上同樣步驟，得到臺(tái)階b超聲波回波圖4-10：4-11臺(tái)階d超聲波回波圖對(duì)臺(tái)階d處回波圖進(jìn)行了分析，利用除去水程后的資料1555~2350再利用以上程序進(jìn)行處理，獲得了圖4-11：圖4-12周期圖法處理后的臺(tái)階d譜估計(jì)圖放大臺(tái)階d譜估計(jì)圖在低頻段發(fā)現(xiàn)了相對(duì)功率譜密度最高點(diǎn)，見圖4-12：圖4-13放大后的臺(tái)階d周期圖法譜估計(jì)圖低頻段的最高點(diǎn)頻率為537100Hz，相對(duì)功率譜密度為-110.6，帶入壁厚公式（4-2），得到d=0.0058m。仍然測(cè)10次，取各值平均值。在此范圍內(nèi)，對(duì)材料的彈性模量、泊松比進(jìn)行了計(jì)算。見表4-4：表4-4臺(tái)階d厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(HZ)厚度（mm）第一次測(cè)量4883006.7第二次測(cè)量4883006.7第三次測(cè)量4883006.7第四次測(cè)量4883006.7第五次測(cè)量4883006.7第六次測(cè)量4883006.7第七次測(cè)量4883006.7第八次測(cè)量4883006.7第九次測(cè)量4883006.7第十次測(cè)量4883006.7平均值4883006.74.4BT法測(cè)得在鋼試塊內(nèi)的超聲波傳播速度根據(jù)圖4-1臺(tái)階a的超聲波回波圖應(yīng)用BT法程序：filename='25csvlist.dat';xn=csvread(filename,1430,1,[1430146161])Fs=100000000xn=abs(xn);nfft=4096;cxn=xcorr(xn,'unbiased');CXk=fft(cxn,nfft);Pxx=abs(CXk);index=0:round(nfft/2-1);k=index*Fs/nfft;plot_Pxx=10*log10(Pxx(index+1));plot(k,plot_Pxx);xlabel('頻率(Hz)');ylabel('相對(duì)功率譜密度（dB/Hz）');運(yùn)行結(jié)果如圖4-13所示圖4-14BT法處理后的臺(tái)階b譜估計(jì)圖取功率譜密度在此圖低頻段的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，放大后如圖4-14：圖4-15放大后的臺(tái)階b的BT法譜估計(jì)圖去水程后，nfft4096，低頻段的最高點(diǎn)的頻率為122100Hz，相對(duì)功率譜密度為-1.811，帶入到速度公式（4-1）中v=2*d*f=6202.68m/s。在這個(gè)臺(tái)階上取10個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，得到平均速度。結(jié)果與理論值比較接近。仍然測(cè)10次，取各值平均值。將所得的數(shù)據(jù)與理論值比較并分析結(jié)果。見表4-5：表4-5BT法測(cè)得鋼試塊厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(Hz)厚度（mm）第一次測(cè)量1221006202.68第二次測(cè)量1221006202.68第三次測(cè)量1221006202.68第四次測(cè)量1221006202.68第五次測(cè)量1221006202.68第六次測(cè)量1221006202.68第七次測(cè)量1221006202.68第八次測(cè)量1221006202.68第九次測(cè)量1221006202.68第十次測(cè)量1221006202.68平均值1221006202.684.5BT法測(cè)得鋼試塊厚度4.5.1臺(tái)階b的厚度根據(jù)圖4-4臺(tái)階b的超聲波回波圖應(yīng)用BT法程序：filename='19csvlist.dat';xn=csvread(filename,1794,1,[1794141251])Fs=100000000xn=abs(xn);nfft=4096;cxn=xcorr(xn,'unbiased');CXk=fft(cxn,nfft);Pxx=abs(CXk);index=0:round(nfft/2-1);k=index*Fs/nfft;plot_Pxx=10*log10(Pxx(index+1));plot(k,plot_Pxx);xlabel('頻率(Hz)');ylabel('相對(duì)功率譜密度（dB/Hz）');運(yùn)行結(jié)果如圖4-15所示圖4-16周期圖法處理后的臺(tái)階b譜估計(jì)圖取功率譜密度在此圖低頻段最高點(diǎn)處的相應(yīng)頻率并放大如圖4-6：圖4-17放大后的臺(tái)階b周期圖法譜估計(jì)圖將其應(yīng)用于實(shí)際的薄壁管超聲波探傷時(shí)可以避免由于探頭和管壁之間存在一定距離而造成超聲反射波與管壁發(fā)生干涉、干擾等問題，提高了檢測(cè)精度。見表4-2：表4-6臺(tái)階b厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(Hz)厚度（mm）第一次測(cè)量17090018.1第二次測(cè)量17090018.1第三次測(cè)量17090018.1第四次測(cè)量17090018.1第五次測(cè)量17090018.1第六次測(cè)量17090018.1第七次測(cè)量17090018.1第八次測(cè)量17090018.1第九次測(cè)量17090018.1第十次測(cè)量17090018.1平均值17090018.14.5.2臺(tái)階C的厚度依據(jù)圖4-7臺(tái)階c超聲波回波圖，運(yùn)用前述BT法，程序編制了圖4-17：圖4-18周期圖法處理后的臺(tái)階c譜估計(jì)圖取功率譜密度在此圖低頻段的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率并放大如圖4-9：圖4-19放大后的臺(tái)階c周期圖法譜估計(jì)圖在低頻段，最高點(diǎn)頻率為244100Hz，帶入壁厚公式（4-2），得到c=0.0127m。將其與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，誤差很小。見表4-7：表4-7臺(tái)階c厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(HZ)厚度（mm）第一次測(cè)量24410012.7第二次測(cè)量24410012.7第三次測(cè)量24410012.7第四次測(cè)量24410012.7第五次測(cè)量24410012.7第六次測(cè)量24410012.7第七次測(cè)量24410012.7第八次測(cè)量24410012.7第九次測(cè)量24410012.7第十次測(cè)量24410012.7平均值24410012.74.5.3臺(tái)階d的厚度采用以上同樣步驟，得到臺(tái)階b超聲波回波圖4-10:再利用以上程序進(jìn)行處理，獲得了圖4-11：圖4-20周期圖法處理后的臺(tái)階d譜估計(jì)圖放大臺(tái)階d譜估計(jì)圖在低頻段發(fā)現(xiàn)了相對(duì)功率譜密度最高點(diǎn)，見圖4-12：圖4-21放大后的臺(tái)階d周期圖法譜估計(jì)圖低頻段最高點(diǎn)頻率512700Hz，帶入到壁厚公式（4-2）中，得到d=0.00604m。仍測(cè)量十次取平均每值。如表4-8所示：表4-8臺(tái)階d厚度測(cè)量次數(shù)頻率f(HZ)厚度（mm）第一次測(cè)量5127006.04第二次測(cè)量5127006.04第三次測(cè)量5127006.04第四次測(cè)量5127006.04第五次測(cè)量5127006.04第六次測(cè)量5127006.04第七次測(cè)量5127006.04第八次測(cè)量5127006.04第九次測(cè)量5127006.04第十次測(cè)量5127006.04平均值5127006.044.6試驗(yàn)結(jié)果b,c將用這兩種方法求得、d三個(gè)階梯厚度測(cè)量值分別與實(shí)際值進(jìn)行比較，所得誤差見表4-9，表4-10：表4-9周期圖法臺(tái)階測(cè)量值與實(shí)際值的誤差階梯頻率f(HZ)厚度測(cè)量值（mm）厚度實(shí)際值（mm）誤差b17090018.119.15.2%c26860011.512.89.8%d5371005.86.49.3%表4-10BT法臺(tái)階測(cè)量值與實(shí)際值的誤差階梯頻率f(HZ)厚度測(cè)量值（mm）厚度實(shí)際值（mm）誤差b17090018.119.15.2%c24410012.712.80.7%d5127006.046.45.6%4.7誤差分析可能引起錯(cuò)誤的各種因素：（1）鋼試塊本身變化，長期接觸在水中或者空氣中，使厚度反正細(xì)微變化，影響實(shí)驗(yàn)精度。（2）鋼試塊自身的不均影響了超聲波的傳播。（3）測(cè)量環(huán)境的干擾以及測(cè)量過程中周圍的噪聲將對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生直接的干擾。（4）傳感器探頭有氣泡，當(dāng)傳感器探頭與水之間有氣泡時(shí)，會(huì)影響檢測(cè)信號(hào)。（5）水箱傾斜時(shí)，放置鋼試塊水箱不水平時(shí)，造成鋼試塊和傳感器探入（6）頭部不能完全為90度，因此會(huì)影響效果。（7）該試驗(yàn)以水為耦合劑，水中有雜質(zhì)，對(duì)信號(hào)傳播有干擾。（8）周期圖法與BT法在應(yīng)用過程中，本身就有誤差。第5章總結(jié)文中針對(duì)超聲檢測(cè)信號(hào)，給出了兩種經(jīng)典譜估計(jì)信號(hào)處理方法，周期圖法與BT法，它們均表現(xiàn)出頻域內(nèi)的信號(hào)特征，它既不同于直接，也不同于間接。周期圖算法利用小波變換將時(shí)間序列分解成一系列不同頻率段，然后對(duì)每一頻段進(jìn)行分析，從而確定出缺陷的位置。對(duì)所述鋼試塊進(jìn)行超聲波檢測(cè)，獲取超聲波回波信號(hào)，獲取鋼試塊厚度信息。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉