超聲波頻譜分析技術(shù)及其應(yīng)用

前言

　　超聲無損檢測技術(shù)因具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測靈敏度高、速度快、對人體無害以及便于現(xiàn)場使用等特點，已成為現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量檢測與控制的重要方法和手段。信號處理是超聲檢測技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)主要基于對超聲波傳播時間和回波幅度分析來獲得介質(zhì)特性的有關(guān)信息，由于僅僅利用了波形所包含的大量信息中的一小部分，因此不但大大限制了超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且導(dǎo)致檢測結(jié)果可靠性不高，且存在一定的主觀性。自1960年Gericke將基于傅里葉變換原理的頻譜分析技術(shù)用于探測材料內(nèi)部的不連續(xù)性以來，超聲波頻譜分析技術(shù)在材料超聲檢測與評價中得到了廣泛應(yīng)用，不但能夠提供有關(guān)缺陷取向、表面粗糙度、內(nèi)含物等利用傳統(tǒng)的波形分析手段難以獲得的缺陷信息，而且使得對材料組織結(jié)構(gòu)、性能及粘接質(zhì)量等的檢測、表征和評價成為可能。頻譜分析技術(shù)為超聲無損檢測技術(shù)在材料研究中的廣泛應(yīng)用提供了重要條件，同時也為其進(jìn)一步發(fā)展提供了可能。因此，基于頻譜分析方法的信號處理技術(shù)已成為現(xiàn)代超聲檢測技術(shù)的重要組成部分。　　盡管頻譜分析技術(shù)在超聲檢測中已得到普遍應(yīng)用，但迄今為止，國內(nèi)尚無一本超聲波頻譜分析方面的教科書和參考書。作者在從事無損檢測技術(shù)的教學(xué)及科研工作中，深感信號處理知識的重要性，于1998年率先在大連理工大學(xué)為無損檢測專業(yè)方向的本科生增設(shè)了超聲波頻譜分析課程，使其作為對超聲檢測技術(shù)課程的補(bǔ)充。同時，借鑒《美國無損檢測》超聲卷中的相關(guān)內(nèi)容以及其他參考書，編寫了校內(nèi)教材《超聲波頻譜分析技術(shù)》。該課程的設(shè)置得到了學(xué)校的大力支持，也得到廣大同學(xué)和老師的認(rèn)可，取得了較好的教學(xué)效果。作者對此體會頗深，并意識到：盡管受教學(xué)人員水平、設(shè)備條件以及學(xué)時等多方面的限制，該課程的內(nèi)容并不十分系統(tǒng)、飽滿，但這種教學(xué)思路符合實際檢測技術(shù)的要求，通過超聲檢測技術(shù)和超聲波頻譜分析技術(shù)兩門課程的學(xué)習(xí)，強(qiáng)化了學(xué)生對信號處理的重視程度，使學(xué)生在剛剛接觸到無損檢測專業(yè)知識的起始階段，就牢固樹立起了利用計算機(jī)以及先進(jìn)的信號處理方法開展無損檢測信號處理的意識，這對于其今后在該領(lǐng)域的發(fā)展是大有裨益的?？梢哉f，超聲波頻譜分析技術(shù)使學(xué)生對超聲檢測技術(shù)有了更為全面的理解，彌補(bǔ)了以往教學(xué)工作中有關(guān)超聲波信號處理方面的空白。

內(nèi)容概要

本書共分11章，第1—5章為超聲波頻譜分析技術(shù)的基本原理與方法，第6～11章為超聲波頻譜分析技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用情況。本書緊緊圍繞超聲檢測中使用的脈沖信號特點，介紹了頻譜分析技術(shù)中涉及到的數(shù)字信號處理原理及方法。為了加深讀者對超聲波頻譜分析技術(shù)的理解，并提高運用能力，本書給出了其在材料無損檢測與評價研究中的大量研究結(jié)果。同時，鑒于超聲波頻譜分析技術(shù)涉及到物理學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)、電子技術(shù)、力學(xué)及測試技術(shù)等多門學(xué)科，為了便于具有不同專業(yè)背景的讀者能更好地領(lǐng)會相關(guān)知識，本書采取突出概念和原理、弱化理論分析及公式推導(dǎo)的原則，力求做到概念清晰、原理明確、實用性強(qiáng)，以達(dá)到學(xué)以致用的目的。    本書重點面向材料無損檢測方向的本科專業(yè)學(xué)生，同時也可作為有關(guān)專業(yè)的研究生教材和廣大無損檢測工作者的參考用書。

書籍目錄

前言第1章　連續(xù)聲波與脈沖聲波　1.1　超聲波定義　1.2　描述超聲波的基本物理量　1.3　連續(xù)波和脈沖波　1.4　寬脈沖和窄脈沖　1.5　超聲脈沖波的頻率　1.6　超聲脈沖波的聲場　　1.6.1　寬脈沖和窄脈沖的聲場　　1.6.2　實際聲場與理想聲場的比較　　1.6.3　寬脈沖與窄脈沖在探傷中的特點　　1.6.4　脈沖波的聲速　　參考文獻(xiàn)第2章　超聲回波信號分析　2.1　超聲波脈沖反射法　2.2　超聲回波信號　2.3　影響反射波的因素　　2.3.1　儀器和探頭　　2.3.2　耦合　　2.3.3　被檢測材料　　2.3.4　缺陷  　　參考文獻(xiàn)第3章　頻譜分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)　3.1　簡諧振動　3.2　信號及其分類　　3.2.1　信號的概念　　3.2.2　信號的分類　3.3　傅里葉變換與快速傅里葉變換　3.4　信號的數(shù)字化　　3.4.1　采樣　　3.4.2　量化　　3.4.3　截斷　　3.4.4　加窗　　3.4.5　加零處理  3.5　頻譜分析常用定理  3.6　周期信號的頻譜分析　　3.6.1　三角形式的傅里葉級數(shù)　　3.6.2　周期矩形脈沖信號的頻譜  3.7　時域信號疊加及其頻譜　　3.7.1　相同時域信號　　3.7.2　不同幅度的時域信號　　3.7.3　不同相位的時域信號　　3.7.4　不同持續(xù)時間的時域信號  參考文獻(xiàn)第4章　超聲波頻譜分析系統(tǒng)  4.1　超聲波頻譜分析系統(tǒng)組成  4.2　線性非時變系統(tǒng)與單位沖激信號　　4.2.1　線性非時變系統(tǒng)　　4.2.2　單位沖激信號  4.3　超聲波頻譜分析系統(tǒng)的定量表示  4.4　超聲檢測系統(tǒng)中各因素對信號頻譜的影響　　4.4.1　發(fā)射電路　　4.4.2　探頭　　4.4.3　接收電路　　4.4.4　電纜　　4.4.5　其他問題  4.5　頻譜歸一化  參考文獻(xiàn)第5章　頻譜分析方法  5.1　噪聲與信號處理　　5.1.1　噪聲　　5.1.2　平滑　　5.1.3　濾波  5.2　幅度譜  5.3　相位譜    5.4　功率譜    5.5　倒頻譜    參考文獻(xiàn)第6章　人工反射體超聲波頻譜分析  6.1　概述  ……第7章　超聲波頻譜分析在缺陷檢測中的應(yīng)用第8章　超聲波頻譜分析在材料組織結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用第9章　超聲波頻譜分析在材料性能評價中的應(yīng)用第10章　超聲波頻譜分析在粘接質(zhì)量檢測中的應(yīng)用第11章　超聲波頻譜分析的其他應(yīng)用

章節(jié)摘錄

　　第1章　連續(xù)聲波與脈沖聲波　　超聲波頻譜分析的對象是超聲檢測中使用的脈沖聲波（以下簡稱脈沖波），因此首先應(yīng)了解有關(guān)脈沖波的基礎(chǔ)知識。本章1.1節(jié)給出了超聲波的定義，介紹了機(jī)械波與電磁波的頻率及譜區(qū)；1.2節(jié)定義了描述超聲波的基本物理量，如聲速、頻率、波長等；1.3節(jié)對連續(xù)聲波（以下簡稱連續(xù)波）和脈沖波進(jìn)行了區(qū)分，重點指出脈沖波包含一系列不同頻率成分的正弦（或余弦）波；1.4節(jié)中進(jìn)一步介紹了寬脈沖和窄脈沖，以及脈沖寬度和頻帶寬度等基本概念；1.5節(jié)介紹了脈沖波的頻率；在1.6節(jié)中對脈沖波的聲場進(jìn)行了描述，基于連續(xù)波與脈沖波聲場之間的差異，討論了寬脈沖與窄脈沖聲場之間，以及理想聲場與實際聲場之間的區(qū)別與聯(lián)系，最后給出了脈沖波聲場中的聲速，即相速度與群速度的概念?！　?.1　超聲波定義　　波動是物質(zhì)的一種運動形式，振動是波動產(chǎn)生的根源。波動有機(jī)械波和電磁波之分。機(jī)械波是由于機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中引起的波動過程，例如水波、聲波、超聲波等；電磁波是由于電磁振蕩所產(chǎn)生的變化電場和變化磁場在空間的傳播過程，例如無線電波、紅外線、可見光、紫外線、倫琴射線等。

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