声-超声波检测信号表征的优点和因素

声-超声波检测中，信号的表征涉及对已激励的应力波在工件中传递因子的计算。有很多方法定义与计算应力波因子。在实际应用中，应力波因子的定义应根据信号的性质、被检工件（包含材料、尺寸与形状）、不连续的类型、损伤状况、待评定的力学特性的性质和可以获得的检测设备等而定。

因为声-超声波检测发送换能器所激励的应力波十分类似于声发射的突发波形，已经发现，用基于声发射实践的信号分析方法在这里同样能有效地应用。例如，诸如上升时间、事件计数、峰值电压、电压衰减或振铃计数、幅度及幅度分布、能量计数等这些时间域的量均有助于与非连续状态和材料性质相关。从2.2.1节得知，能量计数或传递应是信号分析的主要因素。

谱平均值上的频谱分析和统计分析，二次与三次旋矩等同样可以成为定义应力波的基础。上述这些涉及功率谱分析和谱分析函数。倒频谱分析提供了进一步的信号分析与应力波因子定量方法。先进的方法是用背散射原理和同态的与漫散射场的分析，毫无疑问，它是处理声-超声波信号的有效工具。

为了确定与测量出现在各种不同材料与几何形状下，被称为特殊波传播模式的应力波因子，需要做进一步的研究。试验观察指出，应有需要通过直接与复合材料的整体性、纤维-基体粘接和热降解相关的合适的分析方法，来恰当地评定这些模态的层间效应。先进的模态声发射技术提供了解决这一难题的有效的方法。

1.应力波因子的表征

应力波的传播可以与声-超声波的波形中几个可测量的参量相关。其中，最简单的参数是应力波因子

SWF=RTC （3.2-1）

式中 SWF——应力波因子；

R——输入波形的重复频率；

T——预置时间间隔；

C——超声波发送器单次激励后，声发射换能器接收到的幅度超过预置电压阈值的计数次数（振铃计数）。

当T与R为固定值时，SWF即与给定时间内的总振铃计数C成正比，如图3.2-2所示。

SWF值是对工件中能量散耗率的相对量度，其数值与仪器设置时T、R的选择有关（见图3.2-1）。当采用应力波因子作参数检测复合材料时，通常需制作结构因素与被测工件一致而工艺质量有差异的参考样件。用这些样件作为训练件，提取特征参量，然后将它们作破坏检测，以确定训练件固有的不连续与强度之间的相关关系，从而建立应力波因子与工件不连续、强度间的关系曲线。还可采用模式识别技术对被测工件进行识别与分类，实现检测过程的智能化。

图3.2-2 应力波因子表征

（1）选用应力波因子作参数表征的优点

1）不需要对工件加载，便于检测。

2）只要求换能器从一侧接近工件，实用价值大。

3）在检测复合材料时，应力波沿平行于叠层板的结合表面方向传播，SWF值沿纤维方向的值为最大值；垂直于纤维方向为最小值。信号与纤维方向（通常为实际载荷方向）平行传输，有利于表征工件的力学性能。

4）具有克服严重衰减的能力，对检测复合材料尤为有利。

（2）这种表征方法的局限性

1）不能精确地描述工件中损伤状况的几何形状、工件的整体状况与极限强度。

2）信号的强度随换能器间的距离改变而变化。

3）SWF参数与工件的强度之间尚不能建立单值的相关关系。

2.其他参量表征

Williams和Lampert采用了一种稍作改进的表征方法，即用接收波形中振荡幅度的和来计算应力波因子的大小。在当前的工作中，这一参量习惯上被称为声-超声波参量（AcoustoUltrasonic Parame-ter，AUP）以区别应力波因子。由于声-超声波参量涉及信号的振铃计数和幅度两个参量，更近似于信号的能量，它对工件材料性质表征的灵敏度超过了应力波因子。因此，在此后的研究中，趋向于选择声-超声波参量作为较完善的应力波传播的表征参量。

在Williams和Lampert工作的基础上，已开发了下述程序用以从声-超声波信号计算声-超声波参量的值。首先，确定噪声电平，并设置刚好大于噪声电平的电压阈值U₀，再确定超过U₀的总计数。然后，将阈值增加一个小的增量ΔU，获得超过新阈值的总计数。得出两次计数的差值并乘以阈值电平的幅度。重复这一步骤，直到阈值电平等于或大于波形的峰值幅度。这一程序可表示为：(www.xing528.com)

式中 AUP——声-超声波参量；

U_i——第i次的阈值电平；

C_i——超越第i次阈值电平的计数；

p——阈值电平达到波形峰值幅度U_p时的阈值增加次数。

声-超声波参量表征是应力波因子表征的改进，因而它的优点除保持了上述应力波因子表征的全部优点外，它与工件应力波能量传递的关系更为直接，其表征也较应力波因子更接近工件的实际工况。

它的缺点是检测方法仍然没有脱离传统的共振传感器参量声发射检测的基础。它的测量基于两个不切实际的假设：①工件中传播的是衰减的正弦波；②信号是以某一固定的速度传播的。因而，检测的声-超声波参量仍然是没有物理意义的，与宏观、微观的不连续不能建立基于断裂力学与破坏机制的相关关系，只得依靠大量比对样件经验关系的数据积累。

3.模态波形表征

模态波形表征是引用近些年发展起来的模态声发射（ModalAcousticEmission，MAE）新技术。模态声发射的发展是在得益于导波理论的不断成熟有利条件下，对传统共振传感器参量声发射（Reso-nant Senor Parameter Acoustic Emission，RSPAE）的重大革新。模态声发射的新颖之处在于它是建立在导波模式物理意义上的新技术。它针对传统RSP声发射有关声发射源及其在工件中传播的波形是衰减的正弦波，并以某一固定的速度传播的错误的假设，恢复了实际物理现象的真实性：①声发射信号是由多模式波组成的，而且每一模式的波又是由一宽带频率的波组成的；②每个模式中的不同频率的波是以不同速度传播的。

声-超声波检测中，发送换能在工件表面激发的波也是频率丰富的多模波。在检测中，检测和分析的两个最为重要和有用的模式波是基频的E（伸缩）模式波和F（弯曲）模式波。E波传播速度比F波快，且两者均存在频散现象。根据经典的板波理论，E波声速c_E可表示为

式中 E——被测工件材料的弹性模量；

ρ——被测工件材料密度；

ν——被测工件材料泊松比。

F波声速c_F可表示为：

式中 D=Eh³/[12（1-ν²）]；

h——板厚；

ω——2πf；

f——频率。

由式（3.2-4）可见，F波传播速度与频率有关，即F波存在频散现象，而且F波模式中最大位移成分与板面垂直。因此，随着脉冲波的传播，其波形将会发生剧烈变化。尽管式（3.2-3）中没有频率成分，但根据高阶板波理论，E波也存在频散现象，只是对较低频率的基频，这种现象不明显。随着发送-接收换能器距离的增加，频散现象对信号脉冲形状和传播速度的影响加大。声-超声波检测技术应用较多的，厚度小于或等于波长的导波形状结构的典型的声-超声波信号如图3.2-3所示。

图3.2-3 导波形状构件的典型声-超声波信号

显然，对图3.2-3的信号，采用共振传感器作为衰减正弦波测量，其误差甚大。模态波形表征是采用宽带接收传感器（常用带宽为0.02～5.0MHz）与先进的射频全波采样技术，高度保真地采集了实际声-超声波信号。信号鉴别除传统的频率、幅度鉴别外，更采用了包括基于二进小波变换快速Kalman滤波自适应反卷积方法的先进的自动波形分析器（AWA）在内的丰富的软、硬件去噪技术（有关先进的信号处理方法——小波变换在声-超声波检测模式识别中的应用将在2.4中专题介绍）。幅度鉴别的阈值选通与信号输入分道，信号的采集与信号增益或阈值的选择等仪器设置无关，更不会因阈值的设置而丢失有用的信息。对表征声-超声波的最重要的参量——应力波传播能量的测量，由于反射波的排除，使测量的是直接传播的能量；又用包络分段测量技术，改正了RSP技术中用单一脉冲函数发生器带来的误差，从而可以从断裂力学与破坏机制上建立信号与不连续之间存在的确定关系。

模态波形表征最大的优点是，它测量和分析的是含被检工件构形细致信息的超声模式波；它所检测的是真正的物理量（即位移、速度或加速度）。检测的超声模式波具有基于导波原理，秉承了人们最为熟悉的超声波传播中许多易于解释和接受的物理模型方法的优点，初步建立了上面概述中提出的：能满足于描述超声应力波与控制力学性质、动态响应的因素相互作用的微力学或微结构学的模型。从数学模型与波形模式的物理概念上，确定了实验室样件与现场大型结构件检测之间的关联。克服了一直阻碍声发射与声-超声波检测技术推广应用所面临的难题：诸如对不连续识别与定位不正确、信号解释与噪声剔除困难等，为声-超声波的现场应用奠定了可靠基础。