CN110057912A - 基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法：搭建激光超声表面波检测系统，具有宽频带的超声表面波信号由脉冲激光器激发产生并最终被压电薄膜换能器接收，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基，利用最佳小波基对所得声表面波信号进行多尺度分析，并对所得声表面波信号进行连续小波变换，提取相关信息计算得到三维小波系数图，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合计算公式得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合。本发明步骤简单、可操作性强，能够快速、准确的得到声表面波信号在弱频散条件下的频散曲线。

Description

基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术，特别涉及一种基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法。
背景技术
激光超声表面波技术是利用激光在样品表面激发出具有宽频带的声表面波信号，通过对声表面波信号进行处理和分析，间接得到样品表面的弹性特性及缺陷信息。由于声表面波沿表面传播的特性，其对材料表面层和亚表面层损伤反应灵敏，使得该技术非常适用于加工试件表面层和亚表面层损伤的检测。应用超声表面波对材料进行无损检测是基于材料对超声场的作用，通过向材料表面发射超声波并接收、分析经材料传播后的超声波信号，获取被检测对象的信息，材料内部和表面的缺陷与声波的作用过程涉及到反射、折射、透射和衍射等复杂的物理过程。为了研究声波的特征参数与损伤参数之间的关系，国内外大量学者对其进行了多种多样的研究，包括材料中声波的传播速度，缺陷引起的声波组成成分、波形及频域成分的变化，介质面处的反射与透射系数，声弹性系数的标定和声表面波的频散曲线等。信号处理已经成为当代科学技术的重要组成部分,信号处理的目的是准确的分析,正确的诊断编码压缩和量化、快速传递和存储、精确的重构或恢复,对于平稳的时不变信号,处理的理想工具仍然是傅里叶分析,但在实际应用中所遇到的信号绝大多数是非平稳的,声表面波就是其中之一，小波分析为分析这种非平稳信号提供了有效的处理工具。目前分析声表面波信号的方法极易受噪声干扰,最终对频散曲线的求取和表面缺陷信息的识别和判断有很大的影响,需要新的分析方法克服这一缺点。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种能够快速、准确的对声表面波信号进行提取与评价的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的新方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建激光超声表面波检测系统，脉冲激光器产生的脉冲激光束经过滤光片的滤光作用和扩束准直镜的扩束准直作用后，传播到激光束偏转聚焦机构后形成激光聚焦线，加载到测试样件表面；
步骤2，激光聚焦线内材料表面的短时局部加热会在测试样件中产生表面超声脉冲，在超声脉冲传播一距离后，在测试样件表面产生超声表面波，通过压电薄膜换能器检测测试样件表面产生的超声表面波信号；同时，使用光电探测器用作同步触发装置；
步骤3，根据步骤2检测到的超声表面波信号，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基；
步骤4，利用步骤3获得的最佳小波基对步骤2所得的超声表面波信号进行多尺度分析，并对步骤2所得的超声表面波信号进行连续小波变换，提取时间、尺度信息计算得到三维小波系数图，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合公式(1)得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合；
公式(1)如下所示：
式中，C(f)为声表面波的传播不同频率成分的传播速度，f为频率，xl，xm为有效测量范围内的两个位置取值点，tl(f)和tm(f)表示在位置xl和xm上不同频率成分声表面波信号的到达时间。
进一步的，步骤1中，所述脉冲激光器采用被动Q开关的二极管泵浦固态激光器。
进一步的，步骤1中，所述激光束偏转聚焦机构包括能调节激光束偏转的直角棱镜和能将激光束聚焦为线性激光的柱面透镜，实现偏转和聚焦功能。
其中，所述直角棱镜和所述柱面透镜设置在同一个支架上，所述支架的底部设置有位移台，所述位移台包括上移动板和下移动板，所述支架的底部固定连接在所述上移动板上并能随所述上移动板进行水平方向的移动，所述上移动板和下移动板之间设置有螺旋微调机构，通过所述螺旋微调机构实现所述上移动板水平方向的移动；所述螺旋微调机构的精度为0.01mm。
进一步的，步骤2中，所述压电薄膜换能器采用楔形PVDF压电薄膜换能器，所述楔形PVDF压电薄膜换能器包括电信号传导部件和载体金属块，所述电信号传导部件和载体金属块通过螺纹连接，所述电信号传导部件包括依次连接的压电薄膜、钨棒和SMA连接器，所述钨棒和SMA连接器之间通过钢球连接，所述钨棒、钢球和SMA连接器的外侧包裹绝缘套管从而实现所述电信号传导部件与载体金属块绝缘分离。
进一步的，步骤2中，所述光电探测器采用频率为350MHz的光电探测器。
进一步的，步骤3中，所述的选择最佳小波基，是对小波基数学特性进行分析，得到具有对称性、紧支性、正交性及N阶消失矩数学特性的小波基函数有Daubechies、Symlets、Coiflets；通过连续小波变换所得的频散曲线来衡量小波基的能力，最终选择Symlets 8为对声表面波信号经处理得到弱频散条件下频散曲线的最佳小波基。
本发明的有益效果是：
本发明的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的新方法：搭建激光超声表面波检测系统，具有宽频带的超声表面波信号由短脉冲激光器激发产生并最终被PVDF压电薄膜换能器接收，由于所得信号为瞬态非周期信号，所以创新性的将小波变换引入到加工材料表面弱频散条件下声表面波传播分析中，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基，利用该最佳小波基对所得声表面波信号进行多尺度分析，并对所得声表面波信号进行连续小波变换，提取相关信息计算得到三维小波系数图，小波系数在时频域不同尺度上的峰值与不同频率成分的声表面波的到达时间有关，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合计算公式得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合。本发明步骤简单、可操作性强，通过该方法能够快速、准确的得到声表面波信号在弱频散条件下的频散曲线。
附图说明
图1激光超声表面波检测系统示意图
图2通过支架固定直角棱镜和柱面透镜的位移台示意图
图3声表面波检测过程示意图
图4PVDF压电薄膜换能器
图5单晶硅片表面不同位置的声表面波信号(d＝2mm、d＝8mm、d＝14mm)
图6钢板表面不同位置的声表面波信号(d＝2mm、d＝8mm、d＝14mm)
图7铝合金板表面不同位置的声表面波信号(d＝2mm、d＝8mm、d＝14mm)
图8a Symlets 8小波的尺度函数
图8b Symlets 8小波的小波函数
图9单晶硅片上声表面波信号的三维小波系数图
图10钢板上声表面波信号的三维小波系数图
图11铝合金板上声表面波信号的三维小波系数图
图12单晶硅片上声表面波的频散曲线
图13钢板中声表面波的频散曲线
图14铝合金板中声表面波的频散曲线
图15单晶硅片中声表面波的拟合频散曲线
图16钢板中声表面波的拟合频散曲线
图17铝合金板中声表面波的拟合频散曲线
附图标注：1、脉冲激光器；2、滤光片；3、扩束准直镜；4、直角棱镜；5、柱面透镜；6、压电薄膜换能器；7、光电探测器；8、示波器；9、计算机；10、测试样件；11、螺旋微调机构；12、压电薄膜；13、钨棒；14、绝缘套管；15、钢球；16、SMA连接器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建激光超声表面波检测系统，使用被动Q开关的DPSS(二极管泵浦固态)激光器作为激发源，激光器产生的脉冲激光束经过滤光片2的滤光作用和扩束准直镜3的扩束准直作用后，传播到激光束偏转聚焦机构后形成激光聚焦线，加载到测试样件10表面。
其中，脉冲激光束的能量为1mJ，脉冲宽度为1.5ns，激光波长为532nm。使用具有50％透射率的中性密度滤光片2来降低功率密度以确保SAW脉冲被热弹性激发。所述激光束偏转聚焦机构包括能调节激光束偏转的直角棱镜4和能将激光束聚焦为线性激光的柱面透镜5，实现偏转和聚焦功能。
步骤2，激光聚焦线内材料表面的短时局部加热在测试样件10中产生表面超声脉冲，在超声脉冲传播一距离(通常为40μm左右)后，在测试样件10表面产生超声表面波，通过楔形PVDF压电薄膜换能器检测测试样件10表面产生的超声表面波信号；同时，使用频率为350MHz的光电探测器7用作同步触发装置，以确保时间间隔的准确性。
其中，所述压电薄膜换能器6采用楔形PVDF压电薄膜换能器，所述楔形PVDF压电薄膜换能器包括电信号传导部件和载体金属块，所述电信号传导部件和载体金属块通过螺纹连接；所述电信号传导部件包括依次连接的压电薄膜12、钨棒13和SMA连接器16，所述钨棒13顶部有一楔形面，直接将所述压电薄膜12与所述钨棒13顶部楔形面接触，所述钨棒13和SMA连接器16之间通过钢球15连接，所述钨棒13、钢球15和SMA连接器16的外侧包裹绝缘套管14从而实现所述电信号传导部件与载体金属块绝缘分离。
为了减小实验误差，通过移动光源来改变激光线源和楔形PVDF压电薄膜换能器之间的距离。所述直角棱镜4和所述柱面透镜5设置在同一个支架上，所述支架的底部设置有位移台，所述位移台包括上移动板和下移动板，所述支架的底部固定连接在所述上移动板上并能随所述上移动板进行水平方向的移动，所述上移动板和下移动板之间设置有螺旋微调机构11，通过所述螺旋微调机构11实现所述上移动板水平方向的移动；所述螺旋微调机构11的精度为0.01mm。通过调整位移台，实验系统可以检测距离激光线源7～32mm范围内的声表面波信号。
步骤3，根据步骤2检测到的超声表面波信号，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基；
所述的选择最佳小波基，是对小波基数学特性进行分析，得到具有对称性、紧支性、正交性及N阶消失矩数学特性的小波基函数有Daubechies、Symlets、Coiflets；通过连续小波变换所得的频散曲线来衡量小波基的能力，最终选择Symlets 8为对声表面波信号经处理得到弱频散条件下频散曲线的最佳小波基。
步骤4，利用步骤3获得的最佳小波基对步骤2所得的超声表面波信号进行多尺度分析，并对步骤2所得的超声表面波信号进行连续小波变换，提取时间、尺度信息计算得到三维小波系数图，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合公式(1)得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合。
得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线的公式如下：
式中，C(f)为声表面波的传播不同频率成分的传播速度，f为频率，xl，xm为有效测量范围内的两个位置取值点，tl(f)和tm(f)表示在位置xl和xm上不同频率成分声表面波信号的到达时间。
下面结合附图和具体实施例对本发明做出进一步说明：
(一)搭建激光超声表面波检测系统
使用被动Q开关的DPSS(二极管泵浦固态)激光器作为激发源，其产生的脉冲激光束经过滤光片2的滤光作用和扩束准直镜3的扩束准直作用后传播到经过特制的可以准确调节激光束偏转和聚焦为线性激光的直角棱镜4和柱面透镜5组成的激光束偏转聚焦机构后加载到测试样件10表面。
激光超声表面波检测系统原理图如图1所示，包括脉冲激光器1、滤光片2、扩束准直镜3、直角棱镜4、柱面透镜5、压电薄膜换能器6、光电探测器7、示波器8和计算机9，所述压电薄膜换能器6和光电探测器7连接至所述示波器8，所述示波器8与所述计算机9相连接。其中，所述直角棱镜4和柱面透镜5通过支架固定在位移台上，位移台的精度为0.01mm，位移台如图2所示，声表面波检测过程如图3所示，图3中，x0为最大测量距离，xn为最小测量距离。
(二)通过楔形PVDF压电薄膜换能器检测材料表面产生的超声表面波信号
激光聚焦线内材料表面的短时局部加热在测试样件10中产生表面超声脉冲，在一定的传播距离之后，通过楔形PVDF压电薄膜换能器检测材料表面产生的超声表面波信号。图4给出楔形PVDF压电薄膜换能器的图示，另外，使用频率为350MHz的光电探测器7用作同步触发装置，以确保时间间隔的准确性。
楔形PVDF压电薄膜换能器由六部分组成：压电薄膜12，钨棒13，绝缘套管14，钢球15，SMA连接器16和载体金属块，钨棒13和SMA连接器16之间通过钢球15连接，它们外侧包裹绝缘套管14从而实现电信号传导部件与载体金属块绝缘分离。
声表面波检测实验分别在三组实验样件上进行，分别为单晶硅片，钢板和铝板。钢板的材质为研磨表面的高碳铬轴承钢，铝板材质为6061铝合金，单晶硅片上的实验检测是在(100)晶面上沿<110>晶向进行。
在三种实验样件不同的检测距离d为2mm、8mm、14mm上检测到的声表面波信号的时域图形分别如图5、图6、图7所示。
(三)根据检测到的超声表面波信号，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基
所述的选择最佳小波基，是对小波基数学特性进行分析，得到具有对称性、紧支性、正交性及N阶消失矩数学特性的小波基函数有Daubechies、Symlets、Coiflets；通过连续小波变换所得的频散曲线来衡量小波基的能力，最终选择Symlets 8为对声表面波信号经处理得到弱频散情况下频散曲线的最佳小波基。图8a和图8b所示为Symlets 8小波的尺度函数和小波函数。
假设fs是系统的采样频率，fc是小波的中心频率。那么在尺度a下对应的实际频率fa为：
根据采样定理，为了使小波变换的频率范围满足(0,fs/2)，小波尺度序列的范围应为(2fc,∞)。当尺度序列写为c/TS,c/(TS-1),…,c/2,c形式时，通过小波变换得到的频率序列是一个等差序列。TS是尺度序列的长度，c为常数且满足c＝2fc·TS。
由于不同尺度小波系数在时频分析中的峰值位置与不同频率的表面波速到达时间有关。采样频率取为2.5GHz，尺度序列的长度为TS＝10000，因而实验信号通过小波处理得到的频域分辨率为
(四)利用该最佳小波基对所得声表面波信号进行多尺度分析，并对所得声表面波信号进行连续小波变换，提取相关信息计算得到三维小波系数图，小波系数在时频域不同尺度上的峰值与不同频率成分的声表面波的到达时间有关，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合计算公式得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合。
得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线的公式如下：
式中，C(f)为声表面波的传播不同频率成分的传播速度，f为频率，xl，xm为有效测量范围内的两个位置取值点，tl(f)和tm(f)表示在位置xl和xm上不同频率成分声表面波信号的到达时间。
对在单晶硅片、钢板和铝板上得到的声表面波的时域信号进行小波变换，得到三维小波系数图分别为图9、图10和图11所示。
单晶硅片、钢板和铝板的频率分布范围分别为14～50MHz、7～15MHz和7～25MHz。
通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合上式，可分别得到沿单晶硅片、钢板和铝板表面传播的声表面波信号频散曲线图分别如图12、图13和图14所示。图12、图13和图14中，Δx1＝x1-x8，Δx2＝x1-x7，Δx3＝x2-x8，Δx4＝x1-x6，Δx5＝x2-x7，Δx6＝x3-x8，x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8为测量范围内均匀取的8个点，Δx1即表示为x1点和x8点之间的距离。
对所得沿单晶硅片、钢板和铝板表面传播的声表面波信号频散曲线图进行非线性高阶多项式拟合，得到拟合后的曲线图分别如图15、图16和图17所示。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建激光超声表面波检测系统，脉冲激光器(1)产生的脉冲激光束经过滤光片(2)的滤光作用和扩束准直镜(3)的扩束准直作用后，传播到激光束偏转聚焦机构后形成激光聚焦线，加载到测试样件(10)表面；
步骤2，激光聚焦线内材料表面的短时局部加热会在测试样件(10)中产生表面超声脉冲，在超声脉冲传播一距离后，在测试样件(10)表面产生超声表面波，通过压电薄膜换能器(6)检测测试样件(10)表面产生的超声表面波信号；同时，使用光电探测器(7)用作同步触发装置；
步骤3，根据步骤2检测到的超声表面波信号，结合小波基数学特性和对弱频散条件下声表面波处理要求选择最佳小波基；
步骤4，利用步骤3获得的最佳小波基对步骤2所得的超声表面波信号进行多尺度分析，并对步骤2所得的超声表面波信号进行连续小波变换，提取时间、尺度信息计算得到三维小波系数图，通过提取时频域不同尺度的小波系数峰值的时间和频率信息，结合公式(1)得到在弱频散条件下沿表面传播的声表面波信号频散曲线，并对所得频散曲线进行非线性高阶多项式拟合；
公式(1)如下所示：
式中，C(f)为声表面波的传播不同频率成分的传播速度，f为频率，xl，xm为有效测量范围内的两个位置取值点，tl(f)和tm(f)表示在位置xl和xm上不同频率成分声表面波信号的到达时间。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，步骤1中，所述脉冲激光器(1)采用被动Q开关的二极管泵浦固态激光器。
3.根据权利要求1所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，步骤1中，所述激光束偏转聚焦机构包括能调节激光束偏转的直角棱镜(4)和能将激光束聚焦为线性激光的柱面透镜(5)，实现偏转和聚焦功能。
4.根据权利要求3所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，所述直角棱镜(4)和所述柱面透镜(5)设置在同一个支架上，所述支架的底部设置有位移台，所述位移台包括上移动板和下移动板，所述支架的底部固定连接在所述上移动板上并能随所述上移动板进行水平方向的移动，所述上移动板和下移动板之间设置有螺旋微调机构(11)，通过所述螺旋微调机构(11)实现所述上移动板水平方向的移动；所述螺旋微调机构(11)的精度为0.01mm。
5.根据权利要求1所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，步骤2中，所述压电薄膜换能器(6)采用楔形PVDF压电薄膜换能器，所述楔形PVDF压电薄膜换能器包括电信号传导部件和载体金属块，所述电信号传导部件和载体金属块通过螺纹连接；所述电信号传导部件包括依次连接的压电薄膜(12)、钨棒(13)和SMA连接器(16)，所述钨棒(13)和SMA连接器(16)之间通过钢球(15)连接，所述钨棒(13)、钢球(15)和SMA连接器(16)的外侧包裹绝缘套管(14)从而实现所述电信号传导部件与载体金属块绝缘分离。
6.根据权利要求1所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，步骤2中，所述光电探测器(7)采用频率为350MHz的光电探测器。
7.根据权利要求1所述的基于声表面波信号处理获得弱频散条件下频散曲线的方法，其特征在于，步骤3中，所述的选择最佳小波基，是对小波基数学特性进行分析，得到具有对称性、紧支性、正交性及N阶消失矩数学特性的小波基函数有Daubechies、Symlets、Coiflets；通过连续小波变换所得的频散曲线来衡量小波基的能力，最终选择Symlets 8为对声表面波信号经处理得到弱频散条件下频散曲线的最佳小波基。
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