基于时频分析的超声导波检测频率优选方法与流程

本发明涉及一种超声波导检测频率选择方法，尤其是一种基于时频分析的超声导波检测频率优选方法，属于无损检测技术领域。

背景技术：

超声导波检测(或超声导波探伤)是一种利用导波回波信号来获得被检构件表面或内部缺陷信息的无损检测方法。在某些行业内，习惯将对构件表面的无损检测称为“(无损)检测”，而将对构件内部的无损检测称为“探伤”。超声导波无损检测技术既可用于构件表面损伤的检测，也可用于内部缺陷的检测，因而在本发明中，对无损检测与探伤不作区分。

超声导波检测技术因具有单次检测距离长、检测效率高等优点而备受关注。选择频散效应弱、容易分离和识别、具有合适频率带宽的导波模态，是导波检测的关键。因此，超声导波检测的关键技术之一，是优选恰当的检测频率，包括激发和分析频段。在理论分析阶段，一般先计算出相应的频散曲线，再以此来选择合适的导波模态和激发中心频率。商用软件“Disperse”可用于计算和绘制板、管等构件的频散曲线[1]，Hayashi等发展了可计算任意截面构件频散曲线的半解析有限元法[2,3]，中国专利CN102354343A公开了基于特征频率法计算超声导波频散关系的方法。这些方法，或基于解析公式，或基于半解析有限元法，或基于有限元方法，可得出在关注的频率和波速范围内所有的导波模态和频散关系。

在实际检测中，可能被激发出来的导波模态除了和频率有关外，还和激发接收方案、换能器的特性及性能关系密切[4]。因此，实际检测中在确定合理的导波频率时，要结合具体的激发接收方案和所使用换能器的特性及性能。当前技术条件下一般采用扫频法，即在导波实验或导波检测中，对于确定的激发接收方案和换能器，使用窄带宽换能器在可能的频率范围内多次改变导波激发中心频率，再通过观察接收信号，选择出较为理想的检测频率。但该种方法对于模态数量较多、频散关系较复杂的构件时，难以从整体上获知其频散关系，检测频率选择过程带有较强的主观性和盲目性。其次，由于实际检测中往往存在构件磨耗或老化、换能器布置存在偏差等因素，导致实际最佳的导波激发频率与理论值相比有所偏移，因而理想的导波激发频率应满足当频率偏离一定范围时，导波检测仍能有较好的表现，以便适用于实际应用场景，但扫频实验只能评价某个激发频率点，难以评价具有一定带宽的频率区间。再次，导波在介质不连续处会产生模态转换，部分经模态转换后非频散的导波可被较好地接收，但通过现有方法难以确定合适的分析频段来分析这些导波。

参考文献：

[1]Pavlakovic B,Lowe M,Alleyne D,et al.Disperse:A General Purpose Program for Creating Dispersion Curves[M]//Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation.1997:185-192.

[2]Hayashi T,Song W J,Rose J L.Guided wave dispersion curves for a bar with an arbitrary cross-section,a rod and rail example.[J].Ultrasonics,2003,41(3):175-183.

[3]Hayashi T,Kawashima K,Rose J L.Calculation for Guided Waves in Pipes and Rails[J].Key Engineering Materials,2004,270-273:410-415.

[4]J L Rose.The upcoming revolution in ultrasonic guided waves[J].Proceedings of SPIE,2011,7983(1).

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种基于时频分析的超声导波检测频率优选方法，该方法可以通过对多个不同激发频率导波实验信号或导波检测信号进行时频分析，使得能够方便、直观地利用多个实际信号的时频特性来优选出导波检测激发频率，以避免基于频散曲线的理论分析在选择导波激发频率时出现与实际导波检测之间不匹配的问题，还能方便地得到导波检测的分析频率或频段。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于时频分析的超声导波检测频率优选方法，其特征在于：所述方法包括：

根据检测需求选取超声导波检测频率上限和频率下限；

在频率上限与频率下限之间的频率范围内按等间隔分出若干个频率点作为测点；

以所述测点为激发频率进行导波检测；

对每个测点的导波接收信号分别进行时频分析，得到每个测点导波接收信号的时频分析结果；

将频率上限、频率下限以及所述频率范围内每次检测的时频分析结果分别以时间、频率为轴展开，并将对应时间点、频率点的值分别相加，绘制出导波检测中激发频率对应于所述频率范围的导波时频分析图；

根据导波时频分析图，优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段。

进一步的，所述方法在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前，还包括：

设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，使得每个测点的导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，每次导波检测的导波接收信号采样频率一致。

进一步的，如果在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前未设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，则在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之后，将导波接收信号的时间轴平移，以使所有导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，并将采样频率高的导波接收信号降采样，使得所有导波接收信号的采样频率一致，且最低采样频率满足采样定理和时频分析的要求。

进一步的，所述方法在绘制出导波时频分析图之后，还包括：

根据导波时频分析图的导波模态，判断是否需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析；

当需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析时，选取子频段并分别将该子频段的上下限作为频率上限和频率下限，重新绘制出导波时频分析图。

进一步的，所述根据导波时频分析图，优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段，具体包括：

根据导波时频分析图显示的导波模态数量、导波模态是否容易识别、幅值，优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段。

进一步的，所述方法还包括：

确定分析频段后，直接从导波时频分析图上对应的频段来分析导波接收信号。

进一步的，所述方法还包括：

确定分析频段后，通过对该分析频段进行带通滤波的方法来分析导波接收信号。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明基于实验或实际导波检测信号进行时频分析，并且基于不同激发频率的多个实际信号进行分析与处理，可获得导波在整个相关频域范围内的传播特性，使得能够方便、直观地利用多个实际信号的时频特性来优选出导波检测激发频率，以避免基于频散曲线的理论分析在选择导波激发频率时出现与实际导波检测之间不匹配的问题，还能方便地得到导波检测的分析频率或频段；同时，采用频段而非频率点的时频分析结果，可满足实际应用中对导波激发频率应可在一定范围内偏移而不影响检测结果的适用性要求。

2、本发明在进行导波检测之前，设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，使得每个测点的导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，每次导波检测的导波接收信号采样频率一致，方便对时频分析结果对应时间点、频率点的值进行叠加。

3、导波在介质不连续处会产生模态转换，经模态转换后部分非频散的导波可被较好地接收，这部分导波对损伤判别具有重要作用，通过本发明可方便地获得这些信号的特征，从而确定有效的分析频段，在确定分析频段后，既可直接从时频分析图上对应的频段来分析接收信号，也可通过对该分析频段进行带通滤波等其它方法来分析接收信号。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于时频分析的超声导波检测频率优选方法流程图。

图2为本发明实施例1的基于时频分析的超声导波检测频率优选方法中多个导波检测时频分析结果分别以时间、频率为轴展开并对应相加的示意图。

图3为本发明实施例2中激发频率对应于[10kHz，100kHz]的以平面形式表示的导波时频分析图。

图4为本发明实施例2中激发频率对应于[10kHz，100kHz]的以立体形式表示的导波时频分析图

图5为本发明实施例2中激发频率对应于[40kHz，54kHz]的以平面形式表示的导波时频分析图。

图6为本发明实施例2中激发频率对应于[40kHz，54kHz]的以立体形式表示的导波时频分析图。

图7为本发明实施例2中激发频率对应于[56kHz，70kHz]的以平面形式表示的导波时频分析图。

图8为本发明实施例2中激发频率对应于[56kHz，70kHz]的以立体形式表示的导波时频分析图。

图9为本发明实施例2中激发频率对应于[86kHz，100kHz]的以平面形式表示的导波时频分析图。

图10为本发明实施例2中激发频率对应于[86kHz，100kHz]的以立体形式表示的导波时频分析图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于时频分析的超声导波检测频率优选方法，该方法包括以下步骤：

S101、根据检测需求选取超声导波检测频率上限和频率下限，频率上限记为fU，频率下限记为fL，它们之间的频率范围记为[fL，fU]。

S102、在频率上限与频率下限之间的频率范围[fL，fU]内按等间隔Δf分出若干个频率点作为测点，若干个频率点为fL+Δf，fL+2*Δf，fL+3*Δf，……，fU。

S103、分别以所述测点为激发频率进行导波检测。

为了方便对数据进行处理，本实施例可以在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前，设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，使得每个测点的导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，每次导波检测的导波接收信号采样频率一致。

如果在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之前没有设置检测的触发时刻和导波信号采样频率，就需要在分别以所述测点为激发频率进行导波检测之后，将导波接收信号的时间轴平移，以使所有导波接收信号中导波激发时刻的时间标签相同，并将采样频率高的导波接收信号降采样，使得所有导波接收信号的采样频率一致，且最低采样频率满足采样定理和时频分析的要求。

S104、对每个测点的导波接收信号分别进行时频分析T(f,t)，得到每个测点导波接收信号的时频分析结果Ai(i＝1,2,3,…)。

S105、将频率上限fU、频率下限fL以及所述频率范围[fL，fU]内每次检测的时频分析结果Ai(i＝1,2,3,…)分别以时间、频率为轴展开，并将对应时间点、频率点的值分别相加，如图2所示，绘制出导波检测中激发频率对应于所述频率范围的导波时频分析图。

S106、根据导波时频分析图的导波模态，判断是否需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析，若是，进入步骤S107，否则进入步骤S108。

在该步骤S106中，如果导波时频分析图的导波模态过于复杂，需要对所述频率范围内的子频段进行进一步分析。

S107、选取子频段并分别将该子频段的上下限作为频率上限和频率下限，返回步骤S102，以便重新绘制出导波时频分析图。

S108、根据导波时频分析图，优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段。

该步骤S108，具体为：导波时频分析图可直观地呈现出不同导波模态在各频段的分布、强度和频散特征，根据导波时频分析图显示的导波模态数量、导波模态是否容易识别、幅值，通过综合导波模态数量少、易识别、幅值理想等原则优选出合适的导波激发频率和分析频率/频段。

确定分析频段后，既可直接从导波时频分析图上对应的频段来分析导波接收信号，也可通过对该分析频段进行带通滤波等其它方法来分析导波接收信号。

实施例2：

本实施例以钢轨探伤中使用时频分析技术优选超声导波检测频率为例，如下：

1)根据检测需求不妨选取超声导波检测频率上限100kHz，频率下限10kHz。在[10kHz，100kHz]的频段范围内，以2kHz的间隔等分出46个测点，分别为10kHz，12kHz，14kHz，……，100kHz。

2)分别以上述测点作为激发频率进行导波检测。为了便于说明，检测对象选择为6米长的P60钢轨，钢轨完好无缺陷，激发和接收换能装置位于钢轨的一端附近，激发信号为经汉宁窗调制的正弦信号，表达式为式中，fc为激发信号的中心频率，即激发频率，n为周期数，本实施例中取为10。

为了方便数据处理，将每次检测导波接收信号中的导波激发时刻设置为0时刻，同时，将每次检测的信号采样频率设置为10MHz。

3)使用导波检测中常用的morlet小波作为时频分析方法，对每个测点的导波接收信号分别进行morlet小波变换，得到每个测点导波接收信号的时频分析结果。

4)将上述每个测点的时频分析结果分别以时间、频率为轴展开，再根据图2中所示的方法，将上述每个测点时频分析结果中所有对应的时间点、频率点的幅值分别相加并绘图，可得到在该导波检测中激发频率对应于所选取频率范围[10kHz，100kHz]的导波时频分析图，如图3和图4所示。

5)在图3和图4中，易见激发波位于0时刻附近。在紧随激发波之后的大约0～1.2ms之内，在20kHz～50kHz及75kHz～165kHz的频率范围内，有一系列耗散波存在，这些波可能对检测造成不利影响，应尽量避免；在3.7ms之后，在25kHz～145kHz的频率范围内，可见明显的回波波包信号。其中，在25kHz～50kHz、70kHz～110kHz的频率范围内，存在着多个波速不同的导波模态。

为了优选出更合适的激发频率，需要对[10kHz，100kHz]频段范围内的子频段进一步分析，以优选出合适的导波检测激发频率。实际应用中，为了具有较好的适用性，要求激发频率应可在一定范围内偏移而不影响检测结果，取为14kHz。

为了便于说明，选取子频段[40kHz，54kHz]、[56kHz，70kHz]、[86kHz，100kHz]进行分析。

将[40kHz，54kHz]子频段内每个测点的时频分析结果以时间、频率为轴展开，再根据图2中所示的方法，将该频段内每个测点时频分析结果中所有对应的时间点、频率点的幅值分别相加并绘图，可得到在该导波检测中激发频率对应于[40kHz，54kHz]的导波时频分析图，如图5和图6所示。同理，对[56kHz，70kHz]、[86kHz，100kHz]子频段以相同的方法进行处理，得到导波时频分析图如图7和图8、图9和图10所示。

6)图5和图6为激发频率对应于[40kHz，54kHz]频段的导波时频分析图，易见激发波位于0时刻附近。在紧随激发波之后的大约0～1ms之内，在30kHz～60kHz及75kHz～150kHz的频率范围内，有一系列耗散波存在。这些波可能对换能器附近的损伤检测造成不利影响，应得到注意。在大约3.7ms之后，在25kHz～130kHz的频率范围内，可见明显的回波信号。其中，在25kHz～55kHz的频率范围内，存在着多个波速不同的导波模态，在4.3ms时刻到达的导波，幅值较大，对应的波速约为2790m/s(导波在钢轨中传播了12米)；在45kHz～70kHz的频率范围内，存在幅值中等的导波模态，约在4ms时刻到达，对应的波速约为3000m/s；在70kHz～130kHz的频率范围内，也存在幅值中等的导波模态，约在3.7ms时刻到达，对应的波速约为3240m/s。如果对换能器附近的检测要求不高，可将频段[40kHz，54kHz]的中间频率47kHz作为优选的导波检测激发频率，相应的优选分析频段为25kHz～55kHz。

图7和图8为激发频率对应于[56kHz，70kHz]频段的导波时频分析图，易见激发波位于0时刻附近。在紧随激发波之后的大约0～0.38ms之内，在50kHz～75kHz及75kHz～65kHz的频率范围内，有相对较弱的耗散波存在，但其幅值和持续时长均可接受。在大约3.7ms之后，在50kHz～145kHz的频率范围内，可见明显的回波波包信号。其中，在50kHz～110kHz的频率范围内，存在着多个波速不同的导波模态，这些导波中，约在4m/s时刻到达的导波幅值较大，对应的波速约为3000m/s；而在110kHz～145kHz的频率范围内，存在着幅值较小的单一模态回波，对应的波速约3240m/s。因此，可将频段[56kHz，70kHz]的中间频率63kHz作为优选的导波检测激发频率，相应的分析频段为50kHz～145kHz，其中，50kHz～110kHz分析频段范围内存在幅值相对较大的导波模态，而110kHz～145kHz分析频段范围内的导波则较接近于单一模态。较大的幅值易于接收，但单一模态则有利于损伤判别，可视实际中检测精度、检测距离的要求按需选用。

图9和图10为激发频率对应于[86kHz，100kHz]频段的导波时频分析图，易见激发波位于0时刻附近。在25kHz～55kHz及55kHz～150kHz的频率范围内，分别存在着密集的回波信号，其幅值较为明显，将对检测造成不利影响，应极力避免。

确定分析频段后，既可直接从导波时频分析图上对应的频段来分析导波接收信号，也可将原始信号在对应频段上进行滤波等其它方法来分析导波接收信号。

综上所述，可以通过对多个不同激发频率导波实验信号或导波检测信号进行时频分析和处理，使得能够方便、直观地利用多个实际信号的时频特性来优选出导波检测激发频率，以避免基于频散曲线的理论分析在选择导波激发频率时出现与实际导波检测之间不匹配的问题，还能方便地得到导波检测的分析频率；此外，采用频段而非频率点的时频分析结果，可满足实际应用中对导波激发频率应可在一定范围内偏移而不影响检测结果的适用性要求。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。