CN104897779B - 利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法，包括以下步骤：通过线性调频信号发生器产生激励信号激励发射换能器发射超声波，发射超声波信号穿过待测材料后被接收换能器接收后再进行小波滤波处理，接着再将超声波信号左移，将处理后的超声波信号与发射超声波信号相乘得到乘积信号，对乘积信号进行傅立叶变换得到该乘积信号的幅度谱并利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率，最后计算超声波在待测材料中的传播时间；本发明只需要进行一次傅立叶变换FFT和信号乘法运算，运算大大降低，从而实现方法周期短、效率高；采用线性调频信号激发超声波脉冲，提高了超声波的穿透能力和超声波检测的时间分辨率，从而提高了检测准确率。
Description
技术领域
本发明涉及一种在超声波无损检测技术领域中超声波传播时间的测量方法，具体是涉及一种利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法。
背景技术
超声波是无损检测中应用最广泛的方法之一，在超声波无损检测中，常用的方法是依据超声波在待测材料中的传播时间或传播速度(等于传播距离除以传播时间)测定待测材料的动态杨氏模量、密度、含水率、裂缝和孔洞等，由于这种方法具有实现简单、使用方便等优点，目前已经获得广泛应用，因此准确测量超声波在待测材料中的传播时间具有非常重要的学术和实际意义。
超声波在待测材料中的传播时间与超声波的穿透能力密切相关，线性调频信号具有较大的时间带宽积，利用线性调频信号激发超声波脉冲，不仅能够提高超声波的穿透能力还可以提高超声波检测的时间分辨率。利用线性调频信号激发超声波脉冲，超声波经过待测材料内部后到达接收端时，首先需要在接收端采用脉冲压缩和匹配滤波，脉冲压缩的本质是计算接收信号和发射信号的复共轭之间的相关函数，传统的实现方法是：在频域中实现时，先要将接收信号的傅立叶变换FFT值与发射波形的傅立叶变换FFT值的复共轭相乘，然后再变换到时域获得，这样需要进行两次傅立叶变换FFT、一次傅立叶反变换iFFT和信号乘法运算；如果在时域中实现时，则需要更大的运算量。从而造成实现方法整个过程时间长、效率低、准确率不高。
因此，需要提出一种新型的超声波传播时间测量方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种运算量小、时间短效率高以及准确率高的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法，在待测材料两端分别放置发射换能器和与该发射换能器匹配的接收换能器，并在该发射换能器一侧放置线性调频信号发生器和功率放大器，
所述方法包括以下步骤：
S1首先通过所述线性调频信号发生器产生激励信号；
S2该激励信号经过所述功率放大器放大后激励所述发射换能器发射超声波，放大后的激励信号的能量能够激励所述发射换能器发射超声波，该发射超声波信号表示为ux(t)，
式中，A为信号幅度，f0为中心频率，B为带宽，T为信号持续时间；
S3所述发射超声波信号ux(t)穿过待测材料后被所述接收换能器接收；
S4对所述接收换能器接收到的超声波信号再进行小波滤波处理，得到处理后的超声波信号表示为uy(t)；
S5利用短时能量方法估算超声波的传播时间并将处理后的超声波信号uy(t)左移τ0得到再次处理后的超声波信号uy'(t)，
uy'(t)＝uy(t+τ0) (2)；
S6将再次处理后的超声波信号uy'(t)与所述发射超声波信号ux(t)相乘得到乘积信号um(t)，
um(t)＝ux(t)*uy'(t) (3)
S7对所述乘积信号um(t)进行傅立叶变换FFT，得到该乘积信号um(t)的幅度谱并利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率fp；
S8计算超声波在待测材料中的传播时间τ，计算公式如下：
进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41首先采用db1小波基对所述接收换能器接收到的超声波信号进行三层分解；
S42然后对每一层小波系数进行软阈值处理；
S43最后用处理后的小波系数重构所述接收换能器接收到的超声波信号，重构后的超声波信号表示为uy(t)。
进一步地，所述步骤S5中利用短时能量方法估算超声波的传播时间具体包括以下步骤：
S51从左至右采用矩形滑动窗口计算处理后的超声波信号uy(t)的短时能量E(t)，计算公式如下：
式中，t0为矩形滑动窗口的长度；
S52如果E(t)＞λ，λ为预先设定的阈值，则令
进一步地，所述阈值λ不少于2000，所述矩形滑动窗口的长度t0为不少于0.1us。
进一步地，所述步骤S5中如果该超声波的传播时间大于所述信号持续时间T的0.4倍，令否则令τ0＝0。
有益效果：本发明提出的方法与现有技术比较，具有的优点是：
1、与传统的脉冲压缩技术相比，本发明只需要进行一次傅立叶变换FFT和信号乘法运算，运算大大降低，从而实现方法周期短、效率高；
2、本发明采用线性调频信号激发超声波脉冲，提高了超声波的穿透能力和超声波检测的时间分辨率，从而提高了本发明方法的检测准确率。
附图说明
图1是实现本发明方法的系统结构示意框图。
图2是本发明利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法流程图。
图3是当A＝100v，f0＝1.15MHz，B＝2.1MHz，T＝50us时发射超声波信号ux(t)的频谱图。
图4是发射超声波信号ux(t)穿过厚度为6mm的木板后，接收换能器接收到的超声波信号频谱图。
图5是对接收换能器接收到的超声波信号进行小波滤波处理，得到处理后的超声波信号uy(t)的频谱图。
图6是将再次处理后的超声波信号uy'(t)与所述发射超声波信号ux(t)相乘得到乘积信号um(t)的频谱图。
图7是对乘积信号um(t)进行傅立叶变换FFT，得到该乘积信号um(t)的幅度谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法的实现系统结构框图如图1所示，在待测材料的两端分别放置发射换能器和与该发射换能器匹配的接收换能器，采用发射换能器可实现在待测材料表面激发超声波脉冲信号，该超声波脉冲信号穿过待测材料内部与待测材料内部的微结构相互作用，并经过界面的多次反射后，到达接收换能器，超声波脉冲信号到达接收换能器后信号幅度被衰减，相位产生延迟；并在发射换能器一侧放置线性调频信号发生器和功率放大器，所述线性调频信号发生器通过所述功率放大器与所述发射换能器连接，在所述接收换能器一端放置前置放大器和数据采集卡，所述数据采集卡通过所述前置放大器与所述接收换能器连接，所述数据采集卡与工业计算机连接并且所述数据采集卡受工业计算机的控制，所述线性调频信号发生器与工业计算机连接并且所述线性调频信号发生器受工业计算机的控制；
本发明提出的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法实现流程图如图2所示，首先通过所述线性调频信号发生器产生激励信号；接着该激励信号经过所述功率放大器放大后由放大后的激励信号激励所述发射换能器发射超声波，能够激励所述发射换能器发射超声波的激励信号的能量必须足够大，所述发射换能器发射的超声波信号表示为ux(t)，式中，A为信号幅度，f0为中心频率，B为带宽，T为信号持续时间；
接着发射的超声波信号ux(t)穿过待测材料后到达所述接收换能器，所述接收换能器接收到的超声波信号此时幅度被衰减，相位产生延迟；接着所述接收换能器接收到的超声波信号通过所述前置放大器到达数据采集卡，所述数据采集卡完成采集超声波信号工作后，由工业计算机对超声波信号对所述接收换能器接收到的超声波信号再进行小波滤波处理，得到处理后的超声波信号表示为uy(t)，进行小波滤波处理具体包括以下步骤：首先采用db1小波基对所述接收换能器接收到的超声波信号进行三层分解；然后对每一层小波系数进行软阈值处理；最后用处理后的小波系数重构所述接收换能器接收到的超声波信号，重构后的超声波信号表示为uy(t)；
接着利用短时能量方法估算超声波的传播时间并将处理后的超声波信号uy(t)左移τ0得到再次处理后的超声波信号uy'(t)，uy'(t)＝uy(t+τ0)，利用短时能量方法估算超声波的传播时间具体包括以下步骤：1、从左至右采用矩形滑动窗口计算处理后的超声波信号uy(t)的短时能量E(t)，式中，t0为矩形滑动窗口的长度，如果E(t)＞λ，λ为预先设定的阈值，则令上述阈值λ不少于2000，所述矩形滑动窗口的长度t0为不少于0.1us；2、将处理后的超声波信号uy(t)左移τ0得到再次处理后的超声波信号uy'(t)过程中，如果该超声波的传播时间大于所述信号持续时间T的0.4倍，令否则令τ0＝0；
接着将再次处理后的超声波信号uy'(t)与所述发射超声波信号ux(t)相乘得到乘积信号um(t)，um(t)＝ux(t)*uy'(t)；
然后，对所述乘积信号um(t)进行傅立叶变换FFT，得到该乘积信号um(t)的幅度谱并利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率fp；
最后，计算超声波在待测材料中的传播时间τ，式中，B为带宽，T为信号持续时间，fp为幅度谱中峰值的频率，τ0为上述步骤中已经设置好的值；
实施例：
首先由所述线性调频信号发生器产生激励信号，该激励信号通过所述功率放大器放大后激励所述发射换能器发射超声波，该发射超声波为ux(t)，令A＝100v，f0＝1.15MHz，B＝2.1MHz，T＝50us时，此时发射超声波ux(t)的频谱图如图3所示，图3-1表示超声波信号ux(t)的振幅随着时间变化的规律，时间单位为us，图3-2表示超声波信号ux(t)的振幅随着超声波信号ux(t)的频率的变化规律，频率单位为MHz；
接着发射超声波信号ux(t)穿过厚度为6mm的木板后到达接收换能器，接收换能器接收到的的超声波信号此时幅度被衰减，相位产生延迟，接收换能器接收到的超声波信号频谱图如图4所示，图4-1表示接收换能器接收到的超声波信号的振幅随着时间变化的规律，时间单位为us，图4-2表示接收换能器接收到的超声波信号的振幅随着接收换能器接收到的超声波信号的频率的变化规律，频率单位为MHz；
接着所述接收换能器接收到的超声波信号通过所述前置放大器到达数据采集卡，所述数据采集卡完成采集超声波信号工作后，由工业计算机对超声波信号对所述接收换能器接收到的超声波信号再进行小波滤波处理，首先采用db1小波基对所述接收换能器接收到的超声波信号进行三层分解；然后对每一层小波系数进行软阈值处理，阈值设置为167.98，最后用处理后的小波系数重构所述接收换能器接收到的超声波信号uy(t)，得到处理后的超声波信号uy(t)的频谱图如图5所示，图5-1表示处理后的超声波信号uy(t)的振幅随着时间变化的规律，时间单位为us，图5-2表示表示处理后的超声波信号uy(t)的振幅随着处理后的超声波信号uy(t)的频率的变化规律，频率单位为MHz；
接着利用短时能量方法估算超声波的传播时间并将处理后的超声波信号uy(t)左移τ0得到再次处理后的超声波信号uy'(t)：首先从左至右采用矩形滑动窗口计算处理后的超声波信号uy(t)的短时能量E(t)，式中，t0为矩形滑动窗口的长度；如果E(t)＞λ，λ为预先设定的阈值，则令上述阈值λ不少于2000，所述矩形滑动窗口的长度t0为不少于0.1us，在本发明实施例中，t0设置为0.1us，λ设置为2000，由此可以估算出超声波的传播时间因为如果该超声波的传播时间大于所述信号持续时间T的0.4倍，令否则令τ0＝0，在本发明实施例中，T＝50us，因此超声波的传播时间大于所述信号持续时间T的0.4倍，所以将uy(t)左移得到uy'(t)；
接着将再次处理后的超声波信号uy'(t)与所述发射超声波信号ux(t)相乘得到乘积信号um(t)，um(t)＝ux(t)*uy'(t)，乘积信号um(t)的频谱图如图6所示，图6表示乘积信号um(t)的振幅随着时间变化的规律，时间单位为us，；
对所述乘积信号um(t)进行傅立叶变换FFT，得到该乘积信号um(t)的幅度谱并利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率fp，该进行傅立叶变换FFT后的乘积信号um(t)的幅度谱图如图7所示，利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率fp为0.842MHz，图7表示为进行傅立叶变换FFT后的乘积信号um(t)的振幅随着时间变化的规律，时间单位为us；
最后计算超声波在待测材料中的传播时间τ，式中，B＝2.1MHz，T＝50us，fp＝0.842MHz，τ0＝49.97us，得到超声波在待测材料中的传播时间τ＝70.04us。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法，其特征在于：
在待测材料两端分别放置发射换能器和与该发射换能器匹配的接收换能器，并在该发射换能器一侧放置线性调频信号发生器和功率放大器，
所述方法包括以下步骤：
S1首先通过所述线性调频信号发生器产生激励信号；
S2该激励信号经过所述功率放大器放大后激励所述发射换能器发射超声波，放大后的激励信号的能量能够激励所述发射换能器发射超声波，该发射超声波信号表示为ux(t)，
<mrow>
<msub>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，A为信号幅度，f0为中心频率，B为带宽，T为信号持续时间；
S3所述发射超声波信号ux(t)穿过待测材料后被所述接收换能器接收；
S4对所述接收换能器接收到的超声波信号再进行小波滤波处理，得到处理后的超声波信号表示为uy(t)；
S5利用短时能量方法估算超声波的传播时间并将处理后的超声波信号uy(t)左移τ0得到再次处理后的超声波信号uy'(t)，
uy'(t)＝uy(t+τ0) (2)；
所述步骤S5中利用短时能量方法估算超声波的传播时间具体包括以下步骤：
S51从左至右采用矩形滑动窗口计算处理后的超声波信号uy(t)的短时能量E(t)，计算公式如下：
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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</mrow>
</mrow>
式中，t0为矩形滑动窗口的长度；
S52如果E(t)>λ，λ为预先设定的阈值，则令
S6将再次处理后的超声波信号uy'(t)与所述发射超声波信号ux(t)相乘得到乘积信号um(t)，
um(t)＝ux(t)*uy'(t) (3)
S7对所述乘积信号um(t)进行傅立叶变换FFT，得到该乘积信号um(t)的幅度谱并利用最大值函数确定该幅度谱中峰值的频率fp；
S8计算超声波在待测材料中的传播时间τ，计算公式如下：
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
如果该超声波的传播时间大于所述信号持续时间T的0.4倍，令否则令τ0＝0。
2.根据权利要求1所述的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41首先采用db1小波基对所述接收换能器接收到的超声波信号进行三层分解；
S42然后对每一层小波系数进行软阈值处理；
S43最后用处理后的小波系数重构所述接收换能器接收到的超声波信号，重构后的超声波信号表示为uy(t)。
3.根据权利要求1所述的利用线性调频信号测量超声波传播时间的方法，其特征在于：所述阈值λ不少于2000，所述矩形滑动窗口的长度t0为不少于0.1us。
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