TC6鈦合金材料具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的航空航天、船舶重工、能源化工材料。一般可采用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)TC6鈦合金鍛件實(shí)施無(wú)損檢測(cè)，但TC6鍛材晶粒粗大，對(duì)超聲波的吸收和散射影響較大，當(dāng)噪聲信號(hào)覆蓋微小缺陷信號(hào)時(shí)，會(huì)造成微小缺陷漏檢。除優(yōu)化探頭參數(shù)和檢測(cè)工藝外，還可對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，以提高信噪比和缺陷檢出率[1]。
本研究利用5種常見(jiàn)濾波方法對(duì)加入高斯白噪聲的超聲仿真信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)采用超聲水浸檢測(cè)法獲得TC6鈦合金鍛件超聲檢測(cè)信號(hào)，并對(duì)得到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波處理。對(duì)濾波后的仿真及試驗(yàn)信號(hào)實(shí)施定量分析，找到TC6鈦合金等組織晶粒粗大材料超聲檢測(cè)信號(hào)降噪的有效方法。
1、TC6 鈦合金超聲檢測(cè)現(xiàn)狀
鈦及鈦合金作為高精尖裝備零件材料具有突出的優(yōu)勢(shì)。隨著高端裝備制造業(yè)的發(fā)展，鈦合金應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如在飛行器結(jié)構(gòu)框架、深潛器耐壓殼體、氯介質(zhì)壓力容器中，都發(fā)揮了重要作用。但是鈦合金也存在一些缺點(diǎn)，如韌性低、塑性差、導(dǎo)熱性差、顯微組織的變化對(duì)材料性能影響較大等，從而導(dǎo)致在冶煉、鍛造、熱處理等加工過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷[2]。
鈦合金鍛件的主要缺陷有白點(diǎn)、夾雜、氣孔、裂紋等，對(duì)鈦合金實(shí)施有效的超聲檢測(cè)是保證材料使用安全的前提條件。
新材料工藝的快速發(fā)展加大了對(duì)金屬材料的質(zhì)量要求。例如，在航空關(guān)鍵件上使用的一些合金材料，當(dāng)量尺寸1mm左右的微小缺陷就會(huì)直接影響其疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能；有些關(guān)鍵件的當(dāng)量缺陷甚至小于 0.4 mm。因此，對(duì)生產(chǎn)加工與使用過(guò)程中金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)日益受到關(guān)注[3]。作為重要的無(wú)損檢測(cè)方法之一，超聲檢測(cè)通過(guò)在材料
內(nèi)均勻介質(zhì)中傳播的超聲波遇到不同界面（如工件內(nèi)部裂紋）產(chǎn)生不同的反射信號(hào)（回波）來(lái)判斷是否存在缺陷。然而在對(duì)金屬材料進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，尤其是粗晶材料含微小缺陷時(shí)，其回波信號(hào)幅值較小，且粗晶粒對(duì)超聲波較強(qiáng)的散射作用導(dǎo)致噪聲信號(hào)幅值較高而回波信號(hào)幅值進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致微小缺陷回波信號(hào)被噪聲信號(hào)覆蓋，造成缺陷漏檢。
所以，有必要研究合適的超聲波信號(hào)降噪方法，以有效降低噪聲信號(hào)幅值，提高微小缺陷信號(hào)與背景噪聲的對(duì)比度，從而提高缺陷檢出率。
2、超聲信號(hào)濾波方法
在信號(hào)處理過(guò)程中，被處理的信號(hào)中往往混有大量噪聲信號(hào)，影響正常信號(hào)的識(shí)別。針對(duì)這種情況，需采取一定方法并根據(jù)有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的不同特性來(lái)消除或減少噪聲信號(hào)。這種在復(fù)雜信號(hào)中提取有用信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為濾波。濾波器即實(shí)現(xiàn)濾波功能的設(shè)備，下面對(duì)幾種常見(jiàn)的濾波進(jìn)行介紹。
2.1 維納濾波
維納濾波器（最小平方濾波器、最小二乘濾波器）是基于最小二乘法，以最小平方為最優(yōu)準(zhǔn)則的線(xiàn)性濾波器。維納濾波函數(shù)能夠使輸出值與期望輸出值的差的平方達(dá)到最小，再通過(guò)托布利茲方程求解，達(dá)到降噪的效果。維納濾波能夠?qū)性肼暤男盘?hào)進(jìn)行去噪處理，可用于提取被平穩(wěn)噪聲污染的信號(hào)。
2.2 小波
小波去噪器也是信號(hào)處理的常用設(shè)備。小波基于傅里葉變換，不像其他波形一樣無(wú)窮無(wú)盡，而是在有限區(qū)間內(nèi)非零。小波包括高頻小波和低頻小波，可以通過(guò)一定的拉伸和壓縮得到。在處理信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)構(gòu)造小波函數(shù)對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行提取。通過(guò)設(shè)置一個(gè)閾值來(lái)限定濾除的信號(hào)，大于閾值時(shí)保留信號(hào)，小于閾值時(shí)濾除信號(hào)，從而達(dá)到降噪的目的。
2.3 中值濾波
中值濾波是一種非線(xiàn)性的信號(hào)處理方法，基于排序統(tǒng)計(jì)理論處理非線(xiàn)性噪聲。其基本原理是：將某點(diǎn)信號(hào)的數(shù)值用該點(diǎn)相鄰點(diǎn)的中值代替[4]，讓周?chē)盘?hào)的數(shù)值接近真實(shí)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的濾除。中值濾波算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)處理方面應(yīng)用廣泛。
中值濾波在對(duì)信號(hào)或圖像進(jìn)行去噪降噪的同時(shí)能夠保證邊緣信號(hào)的細(xì)節(jié)完整，濾波效果因噪聲的不同而有所差異。在處理圖像時(shí)，中值濾波有時(shí)會(huì)濾除一些重要細(xì)節(jié)，如細(xì)線(xiàn)、拐角等。為解決這些問(wèn)題，研究人員發(fā)現(xiàn)了許多改進(jìn)方法，使得中值濾波具有較大的靈活性，得到了更好的發(fā)展[5]。
2.4 巴特沃斯濾波
巴特沃斯濾波器的幅度平方函數(shù)為：
其中：N（正整數(shù)）為巴特沃斯濾波器的階數(shù)，N 越大該濾波器就越接近理想濾波器；ωc 為通帶截止頻率，一般將 3 dB 作為取值參考點(diǎn)；幅度頻率響應(yīng)|H(jω)|隨ω的增加而單調(diào)遞減。隨 N 的增大，巴特沃斯濾波器的過(guò)渡帶和阻帶下降，而通帶趨于平坦。
2.5 Fir 濾波
Fir 濾波函數(shù)是窗函數(shù)法的工具函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法。一個(gè)數(shù)字濾波器的輸出 y(n)如果僅取決于有限個(gè)過(guò)去的輸入和現(xiàn)在的輸入, 則稱(chēng)之為有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波器。輸入信號(hào)隨著時(shí)間的改變而改變，因此 Fir 濾波器最終的輸出是各個(gè)時(shí)刻的輸入乘以相應(yīng)權(quán)重（系數(shù)）后的疊加輸出。
3、超聲信號(hào)仿真及濾波效果對(duì)比
對(duì)常規(guī)鍛件進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，超聲波回波信號(hào)包含始脈沖（始波）和鍛件底面回波信號(hào)（底波），在始波和底波之間，還可能存在鍛件內(nèi)部缺陷回波信號(hào)、組織晶粒散射信號(hào)及非聲學(xué)噪聲信號(hào)等。當(dāng)鍛件內(nèi)部超聲波傳輸路徑中存在微小缺陷時(shí)，缺陷回波會(huì)顯示在始波與底波之間且幅值低于始波和底波幅值。利用 MATLAB 軟件建立一段始波、缺陷波、底波的簡(jiǎn)單模型，如圖 1 所示。
采樣頻率為 100 M，縱坐標(biāo)為信號(hào)波幅，橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)。全程采集 5 000 個(gè)點(diǎn)，在 0 點(diǎn)位設(shè)置始波，在 1 000 點(diǎn)位設(shè)置缺陷波，在 2 000 點(diǎn)位設(shè)置底波，形成完整的回波信號(hào)。加入高斯白噪聲，就能得到一個(gè)完整的超聲回波仿真信號(hào)，如圖 2 所示。
分別運(yùn)用維納濾波、小波、中值濾波、巴特沃斯濾波和 Fir 濾波對(duì)超聲仿真信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除，濾波后的信號(hào)如圖 3—圖 7 所示。
在信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后，對(duì)其進(jìn)行分析，來(lái)判別濾波器濾波效果的優(yōu)劣。此時(shí)，需要對(duì)濾波方法進(jìn)行定量分析。通過(guò)設(shè)置同一頻率、同一條件下的數(shù)據(jù)對(duì)不同濾波的信噪比（SNR）和均方根（RMSE）進(jìn)行比較，得出最優(yōu)濾波方法。
對(duì)比圖 2—圖 7 可以發(fā)現(xiàn)：各信號(hào)圖像中，除較為明顯的始波、底波信號(hào)外，還存在幅值相對(duì)較低的缺陷信號(hào)；而在整個(gè)采樣過(guò)程中，始終存在噪聲信號(hào)（草狀波）。其中，圖 2 原始仿真信號(hào)中，缺陷信號(hào)幾乎全部被噪聲信號(hào)覆蓋。經(jīng) 5 種濾波處理后，背景噪聲均有所降低，且可明顯識(shí)別出缺陷信號(hào)。草狀波的波幅可反應(yīng)信號(hào)噪聲的大小，對(duì)比可以看出，維納濾波噪聲相對(duì)較低。利用 5 種濾波器對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行處理，其 SNR 和 RMSE 如表 1 所示。
由表 1 中 SNR 可知：維納濾波處理后超聲信號(hào)信噪比最好；維納濾波處理后的信號(hào)均方根值最小，定量值最優(yōu)。
4、實(shí)際超聲檢測(cè)信號(hào)濾波對(duì)比
采用超聲水浸法檢測(cè) TC6鈦合金鍛件，檢測(cè)設(shè)備包括 OLYMPUS 5077PR 超聲波脈沖發(fā)射接收器，PicoScope 3000 示波器，搭載 10 MHz 水浸探頭的三軸掃查裝置。
由 OLYMPUS 5077PR 超聲波脈沖發(fā)射接收器發(fā)出脈沖激勵(lì)源，作用在 10 MHz 的水浸探頭上，使得水浸探頭發(fā)出超聲信號(hào)。超聲信號(hào)遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射或衍射，這些信號(hào)被水浸探頭接收，再由 PicoScope 3000 示波器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。獲得的超聲檢測(cè)原始信號(hào)和經(jīng) 5 種濾波處理后的信號(hào)如圖 8—圖 13 所示。
總的來(lái)看，5 種濾波方法對(duì)于降低信號(hào)噪聲均有一定效果，草狀波波幅明顯降低，但肉眼無(wú)法明確區(qū)分哪一種濾波方法獲得的超聲信號(hào)噪聲最小。對(duì)不同濾波方法處理后信號(hào)的 SNR 及 RMSE 進(jìn)行定量對(duì)比，具體如表 2 所示。由表 2 可知，維納濾波仍然是相對(duì)較為理想的濾波方法。
5、結(jié)語(yǔ)
當(dāng)前，TC6鈦合金鍛件在高端制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這些領(lǐng)域?qū)τ诓牧习踩葹橹匾暋２捎脭?shù)字信號(hào)濾波處理方法規(guī)避由粗晶材料散射引起的超聲檢測(cè)信號(hào)信噪比差的劣勢(shì)，是提高 TC6鈦合金鍛件及類(lèi)似產(chǎn)品微小缺陷檢出率的重要途徑。通過(guò)模擬仿真及實(shí)際檢測(cè)，分析對(duì)比了維納濾波、小波、中值濾波、巴特沃斯濾波、Fir 濾波 5 種常規(guī)濾波的
效果，發(fā)現(xiàn)維納濾波是相對(duì)理想的濾波。雖然維納濾波的優(yōu)勢(shì)并不十分明顯，但可為相關(guān)檢測(cè)人員處理粗晶材料超聲信號(hào)提供一定思路，后續(xù)可在維納濾波的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化方案，提高缺陷信號(hào)相對(duì)背景噪聲的對(duì)比度，提高檢測(cè)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[1]肖峰. 微小缺陷的非線(xiàn)性超聲檢測(cè)研究[D]. 南昌: 南昌航空大學(xué), 2019.
[2]JEONG M O, HONG J K, YEOM J T, et al. Accelerated for-mation of an ultrafine-grained structure in a two-phase Tialloy during compression with decreasing temperatures [J].Philosophical Magazine: Structure and Properties of Con-densed Matter, 2020, 100(9/12): 1569-1584.
[3]鄭善樸, 陸銘慧, 劉磨, 等. 背散射技術(shù)對(duì)纏繞復(fù)合材料均勻性的表征[J]. 玻璃鋼 / 復(fù)合材料, 2019(1): 87-90.
[4]余陽(yáng). 水下淺層隨波掃描探測(cè)系統(tǒng)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2020.
[5]UMAPATHI A, SWAROOP S. Phase gradient in a laserpeenedTC6titanium alloy analyzed using synchrotron radi-ation[J]. Materials Characterization, 2017, 131: 431-439.
相關(guān)鏈接
