激光超聲表面波定量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析案例1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與試件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3.8（a）所示，系統(tǒng)包含了激光器、聚焦透鏡、干涉儀、調(diào)理電路。點(diǎn)光源聚焦尺寸小，分辨率高，因此本文采用點(diǎn)激光光源作為激勵(lì)源。該系統(tǒng)通過單片機(jī)來控制掃查振鏡的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源的掃描，掃描范圍能覆蓋整個(gè)裂紋長度，如圖3.8（b）所示。掃描表面形狀為正方形，大小是10mm*10mm，掃描點(diǎn)之間的距離Δ=0.2mm，掃描點(diǎn)的數(shù)量是51x51個(gè)，每組數(shù)據(jù)的總長度是2601。其中，接收點(diǎn)到裂紋中心的距離為L=20mm。激光激勵(lì)源和干涉儀到鋼軌表面的垂直距離分別為300mm和100mm，為完全非接觸式檢測(cè)。激光器重復(fù)頻率為20Hz，采集卡對(duì)應(yīng)的采樣頻率為250MHz，為了提高信噪比，每組數(shù)據(jù)在采集時(shí)作了十倍平均。激光超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)也如表3.2所示。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為攜帶多個(gè)不同長度斜裂紋的1m長的A60型鋼軌，采用線切割斜裂紋代替RCF斜裂紋。設(shè)有四條不同長度的斜向裂縫，均與水平方向呈45°，長度分別為1#（1.41mm）、2#（2.83mm）、3#（4.24mm）和4#（5.66mm），四個(gè)裂縫的深度和寬度分別為0.8mm和0.3mm，具體如圖3.9所示。 圖3.SEQ圖3.\*ARABIC8面掃查式激光超聲表面波鋼軌表面裂紋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)表3.SEQ表3.\*ARABIC2激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)參數(shù)激光器Nd:YAG脈沖激光器,1064nm光斑直徑0.8mm激光能量75mJ/pulse上升沿時(shí)間8ns脈沖重復(fù)頻率20Hz干涉儀562nm連續(xù)激光器干涉儀功率1W掃查范圍10*10mm2掃描分辨率0.2mm圖3.SEQ圖3.\*ARABIC9鋼軌軌距角人工滾動(dòng)疲勞裂紋試件示意圖1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖3.10為在第87個(gè)激光激勵(lì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)采集到的原始信號(hào)。在圖3.10（a）中，出現(xiàn)在9.3us左右的信號(hào)為表面波信號(hào)，圖3.10(b)為信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率分布。由于干涉儀檢測(cè)到的有效信號(hào)帶寬為0~25MHz，因此選取了該范圍內(nèi)的信號(hào)。圖3.11為信號(hào)的Wigner時(shí)頻分布圖，可以看出，表面波的能量主要集中在1000Hz-10MHz。因此，對(duì)10MHz以上的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波。濾波后信號(hào)的時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)圖如圖3.12所示，信號(hào)的噪聲得到了較大的抑制，激光超聲表面波信號(hào)也更加清晰。（a）(b)圖3.SEQ圖3.\*ARABIC10第87個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的原始信號(hào)（a）時(shí)域圖（b）頻域圖圖3.SEQ圖3.\*ARABIC11第87個(gè)激勵(lì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Wigner時(shí)頻分布圖（a）(b)圖3.SEQ圖3.\*ARABIC12第87個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的帶通濾波后的信號(hào)（a）時(shí)域圖（b）頻域圖但是，在濾波后的超聲信號(hào)中仍然還存在很多噪聲干擾，使得部分振幅特征信息被覆蓋。為了盡可能的提高信號(hào)的信噪比，更好地提取信號(hào)特征，本文首先采用VMD對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪，如圖3.13所示。IMF分量k的選取上，當(dāng)k=3,k=4時(shí)，信號(hào)分解后差別不大，為了提高計(jì)算速度，最終選擇K為3。二次懲罰因子α值從10000-100000中選擇，當(dāng)α=2000時(shí)，效果是最好的。圖3.13為VMD對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)一步分解后的時(shí)域頻域信息。圖3.13(a)為分解后的時(shí)域信息，其中IMF2是噪聲較大的超聲信號(hào)，有效信息被淹沒；IMF3的振幅信息較低，不能用于更有利的分析；IMF1是與原始信號(hào)最相似的信號(hào)，表面波也信號(hào)明顯。另外，在圖3.13(b)中，IMF2分量的能量集中在3-6MHz,IMF3分量的能量集中在5-10MHz。是帶有高頻噪聲的超信號(hào)，而IMFl分量的能量集中在0-2MHz，與所需要的激光超聲波表面波的頻率一致。（a）(b)圖3.SEQ圖3.\*ARABIC13第87個(gè)激勵(lì)點(diǎn)VMD分解后的信號(hào)（a）時(shí)域圖（b）頻域圖為了更好的評(píng)價(jià)VMD的信號(hào)分解效果，選擇最優(yōu)的IMF分量，計(jì)算其信噪比和相關(guān)系數(shù)特征(C)，公式如下:(3.11)(3.12)式3.11中，A為表面直達(dá)波信號(hào)的最大幅值，B為局部噪聲幅值的平均值，如圖3.12中紅色虛線框所示。式3.12X中，X是IMF分量信號(hào)，Y是原始信號(hào)。經(jīng)過計(jì)算，各信號(hào)的信噪比如表3.2所示，相關(guān)系數(shù)如表3.4所示?？梢钥闯?，F(xiàn)ir1濾波后的信號(hào)信噪比有所提高，IMF1分量經(jīng)過VMD分解后信噪比達(dá)到最大。且IMF1分量的C值最大，因此，本文選擇了所有信號(hào)的IMF1分量用于后續(xù)可視化精準(zhǔn)定量分析。表3.SEQ表3.\*ARABIC3不同信號(hào)的信噪比信號(hào)原信號(hào)Fir1濾波IMF1IMF2IMF3SNR/dB7.1310.1711.9210.3810.29表3.SEQ表3.\*ARABIC4不同分量信號(hào)與原信號(hào)的相關(guān)系數(shù)IMF分量IMF1IMF2IMF3相關(guān)系數(shù)(C)0.870.560.30基于以上信號(hào)處理，本節(jié)繼續(xù)分析了不同激勵(lì)位置處在有無裂紋時(shí)超聲信號(hào)的變化。以長度1.41mm的斜裂紋為分析對(duì)象，選取掃描區(qū)域中的3個(gè)激勵(lì)點(diǎn)a(點(diǎn)659)、b(點(diǎn)654)、c(點(diǎn)649)，進(jìn)一步驗(yàn)證激光超聲面波檢測(cè)原理，如圖3.14所示，其中a點(diǎn)在裂紋右側(cè)1mm處，與接收點(diǎn)同側(cè)，以表面直達(dá)波與反射波信號(hào)為主。c在裂紋左側(cè)，與接收點(diǎn)異側(cè)，以透射波信號(hào)為主。激發(fā)點(diǎn)b剛好在裂紋上。此外，為了對(duì)比有無裂紋時(shí)超聲信號(hào)變化對(duì)比，在無裂紋時(shí)，取a’、b’、c’三個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的超聲信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)有裂紋時(shí)激勵(lì)點(diǎn)a、b、c位置采集的信號(hào)。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC14有無裂紋時(shí)不同激勵(lì)位置示意圖各激勵(lì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)域和頻域信號(hào)如圖3.15所示，在激勵(lì)點(diǎn)a,a’的時(shí)域圖中，在沒有裂紋影響的情況下，只接收到直達(dá)表面波。而存在裂紋時(shí)，理論上的表面波信號(hào)包含了直達(dá)波信號(hào)和反射波信號(hào)，其中反射波信號(hào)到達(dá)時(shí)間略晚于直達(dá)波信號(hào)，直達(dá)波信號(hào)時(shí)間和幅值大小一致。但由于激發(fā)點(diǎn)a與裂紋間隔1mm，表面波波速約3000m/s，此時(shí)反射波與直達(dá)波幾乎同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)，反射波與直達(dá)波干涉疊加，在時(shí)域圖顯示上，幅值略高于無裂紋a’對(duì)應(yīng)的直達(dá)波信號(hào)。在a,a’點(diǎn)的頻域圖中，a點(diǎn)的信號(hào)頻率信息更豐富，頻帶更寬，但a和a’信號(hào)之間的振幅差很小，結(jié)果表明，反射波在頻域的變化主要反映在頻帶上。在激勵(lì)點(diǎn)b、b’的時(shí)域圖中，同樣地b'位置處沒有裂紋的干擾，干涉儀接收到的直接是直達(dá)波信號(hào)。而在位置b中，如仿真所述，一部分表面波信號(hào)直接被干涉儀接收，一部分被裂紋阻擋。因此，與b’信號(hào)相比，表面波的幅值信號(hào)更小，且由于裂紋的干擾，到達(dá)時(shí)間滯后。在b、b‘點(diǎn)的頻域圖，b的中心頻帶略窄于b，而幅值遠(yuǎn)小于b’，說明它們的信號(hào)差異主要體現(xiàn)在幅值上。在激勵(lì)點(diǎn)c、c’點(diǎn)的時(shí)域圖中，c’點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是無裂紋時(shí)的直達(dá)波信號(hào)，點(diǎn)c對(duì)應(yīng)有裂紋時(shí)的透射波信號(hào)。c由于裂紋的阻礙，表面波信號(hào)不能全部繞射到干涉儀接收點(diǎn)。與c’信號(hào)相比，在c位置激勵(lì)時(shí)，干涉儀只能接收到c’激勵(lì)下的一部分表面波信號(hào)，信號(hào)幅度被明顯衰減，并且到達(dá)時(shí)間延遲。在c、c’的頻域圖中，透射波c的頻帶略窄于c'，中心頻率小于c'，最明顯的是，c的振幅要比c'小得多，因此，透射波的信號(hào)在頻域中的變化也主要體現(xiàn)在信號(hào)幅值上。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC15有裂紋和無裂紋在相同激勵(lì)位置對(duì)應(yīng)的超聲信號(hào)進(jìn)一步分析了有損情況下，不同激勵(lì)位置同一接收位置時(shí)，表面波在時(shí)域以及頻域圖中的變化情況。如圖3.16所示，為a、b、c位置處激勵(lì)時(shí)的時(shí)域圖和頻域圖，反映了不同位置激勵(lì)下表面波與裂紋之間存在的交互關(guān)系。反射波與透射波幅值差異明顯，而在裂紋位置b處激勵(lì)的信號(hào)幅值介于反射波與透射波之間，利用激勵(lì)點(diǎn)b點(diǎn)信號(hào)的特殊性，可以對(duì)裂紋進(jìn)行粗略定位。對(duì)a、b、c信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的FFT變換后，發(fā)現(xiàn)在頻域上，不同激勵(lì)位置下的信號(hào)差異明顯；雖然信號(hào)頻帶集中在0~4MHz之間，但透射波和反射波的振幅和帶寬差異較大，透射波的幅值遠(yuǎn)小于反射波。通過以上實(shí)驗(yàn)分析可知，不同激勵(lì)位置表面波振幅和時(shí)間的變化對(duì)表面裂紋有較強(qiáng)的敏感性，可以基于該特征進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)表面裂紋的可視化。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC161.41mm裂紋試件不同激勵(lì)位置對(duì)應(yīng)表面波信號(hào)的時(shí)域圖與頻域圖在上述信號(hào)處理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各位置信號(hào)的時(shí)間特征和幅值特征，對(duì)整個(gè)掃查面進(jìn)行聲場(chǎng)傳播成像，本文將原信號(hào)的掃描成像結(jié)果與VMD去噪后的成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖3.17（a）是1.41mm裂紋原始信號(hào)的圖像，選取不同時(shí)刻的超聲傳播成像圖，分別為195幀、500幀。195幀時(shí)刻還沒遇到裂紋，主要為直達(dá)波信號(hào)，表面波穩(wěn)定向前傳播。在第500幀時(shí)，超聲表面波遇到了裂紋，一部分超聲信號(hào)繼續(xù)沿著裂紋邊緣傳播形成透射波；同時(shí)部分被散射成為反射波與原信號(hào)發(fā)生干涉。但是，圖3.17（a）原始信號(hào)的聲場(chǎng)成像結(jié)果中，可以顯示超聲波與裂紋的相互作用過程，但噪聲信號(hào)與裂紋信號(hào)的干擾更多，只能顯示單一的傳播波紋。表面波在遇到裂紋時(shí)有明顯的反射，但透射波信號(hào)不清晰，裂紋成像效果不夠直觀，無法顯示裂紋的大小和具體位置，可視化效果比較粗糙。圖3.17（b）為處理后1.41mm裂紋IMF1分量信號(hào)的成像結(jié)果。第195幀的圖像與原始信號(hào)的第195幀對(duì)應(yīng)，均為無裂紋時(shí)的直達(dá)波信號(hào)。最亮和最暗的顏色分別代表表面波信號(hào)的波峰和波谷。經(jīng)過VMD處理后，大部分淹沒在噪聲中的信號(hào)都能直接顯示在圖像中，反映在大量的波紋中，且波紋色帶更清晰，色帶的平滑度更高。在第500幀時(shí)，可以清楚地看到表面波在裂紋處發(fā)生反射，如紅色橢圓線內(nèi)，部分表面波信號(hào)繞過裂紋形成透射波。此外，在第500幀的波場(chǎng)傳播圖中，裂紋的位置和大小也可以粗略進(jìn)行定位和定量計(jì)算，以上結(jié)果進(jìn)一步表明了VMD算法在激光超聲可視化檢測(cè)中的有效性。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC17a.原始數(shù)據(jù)在不同刻的成像結(jié)果b.VMD處理后不同時(shí)刻的成像結(jié)果在獲得降噪的信號(hào)波場(chǎng)傳播圖后，進(jìn)一步對(duì)超聲時(shí)域信號(hào)中每一時(shí)刻幅值的絕對(duì)值進(jìn)行疊加，并對(duì)圖像進(jìn)行插值處理，得到超聲能量疊加圖，如圖3.18所示。在能量疊加圖中可以清楚的看到裂紋的具體位置、傾斜角度以及長度信息，但由于背景噪聲的存在，裂紋輪廓相對(duì)模糊，無法精準(zhǔn)定量裂紋的頂點(diǎn)和末點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。因此，采用簡單的閾值處理，利用Sobel邊緣檢測(cè)的圖像特征提取技術(shù)提取出像素變化大的邊緣。四組數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后的邊緣提取結(jié)果如圖3.19所示，可進(jìn)一步定量檢測(cè)裂紋尺寸。從邊緣檢測(cè)圖中也可以發(fā)現(xiàn)，裂紋越小，背景噪聲越多，說明越小的裂紋檢測(cè)難度也越高，裂紋越大，檢測(cè)效果也越好。從結(jié)果圖中可以清晰看出裂紋與X軸都呈45°角，裂紋寬度分別為W1=0.32mm，W2=0.32mm，W3=0.31mm，W4=0.31mm。裂紋長度LA1B1=1.396mm，LA2B2=2.810mm，LA3B3=4.226mm，LA4B4=5.638mm，長度定量誤差小于4%