討論了超聲波檢查鑄坯內(nèi)部夾雜物的影響因素和相應(yīng)的檢測(cè)樣品制備、檢查系統(tǒng)信號(hào)處理?xiàng)l件和要求等。并針對(duì)缺陷信號(hào)的非穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)，討論了適用于處理非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的能夠提高信噪比的小波分析方法。最后采用超聲波直接在鋼坯樣品上進(jìn)行夾雜檢查試驗(yàn)，原始信號(hào)經(jīng)過小波在５個(gè)尺度上多分辨率分析重構(gòu)以后，缺陷波分布集中在d3、d4、d5三個(gè)尺度上，噪聲信號(hào)和缺陷反射信號(hào)明顯得到分離。

1、影響因素和處理分析

1.1 靈敏度分析

檢測(cè)靈敏度與檢測(cè)頻率有著直接的關(guān)系，而檢測(cè)頻率的選擇又決定著衰減速度的大小和穩(wěn)定性、重復(fù)性的好壞，所以在檢測(cè)靈敏度一定的條件下，合理選擇檢測(cè)頻率至關(guān)重要。實(shí)際上許多因素同時(shí)制約著靈敏度，如：

（１）待檢目標(biāo)自身狀態(tài)的差別；

（２）待檢目標(biāo)與其所處介質(zhì)的聲阻抗不同產(chǎn)生的影響；

（３）試塊的散射；

（４）測(cè)試探頭實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的差別；

（５）檢測(cè)設(shè)備對(duì)極微弱的反向散射波的響應(yīng)能力。

一般認(rèn)為缺陷檢出的界限尺寸為被檢材料聲波波長(zhǎng)的一半，根據(jù)待檢目標(biāo)尺寸d(代表最佳靈敏度)與波長(zhǎng)λ（間接代表檢測(cè)頻率的選?。┑年P(guān)系考慮靈敏度的確定與檢測(cè)頻率的選取。當(dāng)傳播介質(zhì)中存在尺寸非常接近或小于波長(zhǎng)的夾雜時(shí)，幾何聲學(xué)中的陰影概念不再適用，分3種情況：

（１）當(dāng)夾雜相對(duì)于波長(zhǎng)較大時(shí)，幾何聲學(xué)理論完全適用，夾雜反射能量強(qiáng)度的極大值僅出現(xiàn)在與入射波傳播方向相反的方向上，夾雜后面有陰影。

（２）當(dāng)夾雜接近波長(zhǎng)時(shí)，散射變得越來越重要。夾雜反射能量的強(qiáng)度在各個(gè)方向上的分布極為復(fù)雜，有一個(gè)或多個(gè)極大值，其方向并不與入射波的反方向相同，而且在一定的臨界尺寸條件下，在這個(gè)方向上還可能出現(xiàn)一個(gè)極小值，陰影的表現(xiàn)形式也很復(fù)雜，還可能不出現(xiàn)。這時(shí)，將影響橫向分辨力。

（３）當(dāng)夾雜相比波長(zhǎng)進(jìn)一步減小時(shí)，無論夾雜的形狀如何以及其尺寸多少，總能夠向各個(gè)方向散射能量，因而也必然向入射波的反方向散射能量，反射的散射能量的幅度與入射能量相比可能很低。

1.2　超聲檢測(cè)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)定和樣品要求

采用超聲脈沖反射法用于鋼板內(nèi)部細(xì)小夾雜（渣）的檢測(cè)過程，產(chǎn)生的信號(hào)x(n)來自脈沖從射入鋼板開始到從鋼板底面反射出的時(shí)間段，在信號(hào)x(n)中有待分析信息。與確定性信號(hào)相比，信號(hào)序列x(n)在任何時(shí)間的取值是不能先驗(yàn)確定的隨機(jī)變量，但這些取值卻可以用概率分布特性統(tǒng)計(jì)地表示為隨機(jī)信號(hào)(過程)。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用的對(duì)信號(hào)的變換過程是具有線性和移不變性的離散時(shí)間系統(tǒng)（LSI系統(tǒng)）。以周期信號(hào)α(t)的抽樣α（nTs）來分析抽樣頻率的設(shè)定及頻率分辨率的選定，若α(t)的周期為Ｔ，每周期取樣Ｎ點(diǎn)，即Ｔ＝nTs，將α(t)展成Fourier級(jí)數(shù)：

α(ｋΩ0）是α(t)的Fourier系數(shù)，所以是離散的，ｋ＝０，±１，…，±∞，Ω０＝２π/Ｔ ＝２π/NTs。對(duì)α(t)抽樣，則有：

離散信號(hào)的頻譜應(yīng)是周期的，周期為Ωs，故而 α(ｋΩ0）應(yīng)為周期的，由于Ωs＝２π/Ｔs＝２πＮ/Ｔ＝ＮΩ0。Ω0是α(t)基波頻率，α（nTs）內(nèi)包含有基波至Ｎ次諧波的成分，是Ｎ 點(diǎn)的周期序列。此為借助于計(jì)算用于在待建的離散時(shí)間系統(tǒng)中進(jìn)行信號(hào)處理的基礎(chǔ)，通過對(duì)信號(hào)由時(shí)域到頻域空間的轉(zhuǎn)變，然后施加信號(hào)處理，可以分析夾雜缺陷信號(hào)存在與否的信息。通過計(jì)算機(jī)處理信號(hào)，要求信號(hào)在時(shí)域及頻域都是離散的，而且長(zhǎng)度有限。

從檢測(cè)目標(biāo)及實(shí)際檢測(cè)過程出發(fā)，可以對(duì)鋼板內(nèi)部夾雜（渣）進(jìn)行檢查的超聲檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān)信號(hào)的一些主要技術(shù)參數(shù)和樣品的要求做出一般分析，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板最小尺寸為100μｍ 的夾雜（渣）進(jìn)行檢測(cè)，若按照一般靈敏度為傳播波長(zhǎng)一半來估計(jì)，近似取聲波在鋼中的速度為6ｍｍ／μs，超聲檢測(cè)中心頻率可以定在30MHZ左右，由抽樣定理、數(shù)據(jù)采集頻率fs按照10倍頻率選取為300MHZ，由頻率分辨率為2π/NTs，考慮中心頻率為30ＭＨZ，若取5MHZ頻率分辨率，則N大概為377點(diǎn)，按照鋼鑄坯中的聲速估計(jì)，被檢樣品厚度可以加工為４ｍｍ左右為宜。

1.3　非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的小波分析處理

從信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性來看，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，信號(hào)的全局變換處理手段是不合適的，信號(hào)的局部性能分析必須使用局部變換的處理方法。小波分析是采用局域化的核函數(shù)與信號(hào)的全局作內(nèi)積變換處理的一種，它在時(shí)域及頻域中都具有良好的分析能力，是一種理想的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的分析手段，可以對(duì)指定頻帶及時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)成分進(jìn)行分析，可以對(duì)頻率成分采用逐漸精細(xì)的時(shí)域取樣步長(zhǎng)，從而聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)。平方可積函數(shù)s(t)的連續(xù)小波變換定義為：

2、超聲檢測(cè)鑄坯樣品內(nèi)部夾雜的試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)系統(tǒng)配置

檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1(ａ)，采用了如下設(shè)備來采集檢測(cè)信號(hào)，超聲波換能器采用20MHZ(PANAMETRICS,V116-RM,3mm）超聲縱波直探頭，200MHZ采樣頻率HP54622A 數(shù)字示波器，泛美5900PR超聲分析儀以及臺(tái)式電腦。被檢樣品直接取自鑄坯，其金相組織見圖1(ｂ)，可以看出鑄態(tài)晶粒非常粗大。試樣表面經(jīng)過研磨后的表面粗糙度可以達(dá)到1.6μｍ。試樣是在浸入水中的狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)的，其目的是為了避開換能器近場(chǎng)區(qū)。因?yàn)閾Q能器的近場(chǎng)長(zhǎng)度已經(jīng)超過了試樣的厚度。檢測(cè)結(jié)果以Ａ型顯示，系統(tǒng)經(jīng)過校準(zhǔn)后，顯示長(zhǎng)度為3個(gè)底面回波。

2.2　檢測(cè)結(jié)果的小波包多分辨率分析處理

圖2(a)為檢測(cè)到的有夾雜缺陷處的原始信號(hào)，圖2(b)為經(jīng)過小波濾波分析后，5個(gè)尺度的多分辨率分析重構(gòu)以后的結(jié)果。對(duì)重構(gòu)后的各個(gè)尺度的細(xì)節(jié)信息（d1～d5）以及第五個(gè)尺度的粗糙像（a5）分析，看到噪聲信號(hào)和缺陷的反射信號(hào)得到了分離，噪聲信號(hào)主要分布在d1、d2兩個(gè)尺度上，而缺陷波分布集中在d3、d4、d5三個(gè)尺度上，相對(duì)來說，在較低頻率的尺度上信號(hào)波形上的差異要比較高頻率尺度上的明顯。

結(jié)論

分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，使用聚焦超聲檢查試塊內(nèi)部清潔度情況的靈敏度受到許多因素的影響，并且該靈敏度在試塊內(nèi)部的厚度方向上也存在差異，所以檢測(cè)前的試樣制備和檢測(cè)條件的調(diào)整很關(guān)鍵。對(duì)用于鋼板細(xì)小夾雜（渣）檢測(cè)的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行處理的過程中，夾雜（渣）的大小對(duì)樣品有厚度方面的要求。鑄坯清潔度檢查需要必要的樣品制備，對(duì)于超高頻超聲波在連鑄坯材料上的NDT評(píng)價(jià)，經(jīng)過處理后的材料顯示比較理想的超聲波檢測(cè)特性。對(duì)于原始檢測(cè)信號(hào)的小波包多分辨率分解和重構(gòu)結(jié)果表明，多分辨率分析技術(shù)有助于提高檢測(cè)結(jié)果的信噪比，有利于夾雜缺陷的識(shí)別，并且小波包多分辨率分析可以方便夾雜缺陷的特征提取，有利于后續(xù)的分析處理。