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

本发明专利技术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。本发明专利技术步骤简单、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。

A Method of Obtaining Dispersion Curve under Weak Dispersion Conditions Based on SAW Signal Processing

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及信号处理技术，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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Symlets8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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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。本专利技术步骤简单、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8aSymlets8小波的尺度函数图8bSymlets8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专利技术的
技术实现思路
、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，激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔新宇，林滨，刘雪莲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12