数字信号处理
学 号：130080402015
学生所在学院：测试与光电工程学院
学 生 姓 名 ：张翀
任 课 教 师 ：李志农
教师所在学院：测试与光电工程学院
2013年11月
小波分析方法在超声检测信号处理中的应用研究
摘要
对钢材内部质量的检测是加工制造过程中较为重要的一道工序，而对测试信号分析的方法也是长期研究的方向。超声发射信号经钢材内部传播，携带钢材内部结构的信息和噪声到达接收端成为超声回波信号，该信号具有非平稳的特点，对该信号的分析需要采用时频分析的方法。
小波分析法是一种新的时频分析方法，论文选用了小波分析在MATLAB环境下对回波信号进行小波去噪分析。
首先，对超声波无损检测的原理及特征进行分析，讨论了超声波的基本物理量和超声波的基本特性。根据超声波在钢材料中传播的特点，对比了传统的傅里叶分析法的缺点，确定了对回波信号进行分析所采用的方法—小波时频分析方法。
其次，简要介绍了小波时频分析的基本理论，包括连续小波变换、离散小波变换。再次，针对超声波传播的特点，然后，根据超声波信号的特点，使用小波分析的方法对回波信号进行消噪处理。根据不同阀值选择的准则，使用小波分析工具箱，给出了回波信号在不同阀值下消噪后的图形。对比不同阀值下消噪的结果。
关键词:小波，时频分析，超声波，去噪
目 录
1 绪论....................................................................................................................... 1 2 超声检测原理........................................................................................................2
2.1 超声波的基本物理量.....................................................................................2 2.2 超声波的基本特性.........................................................................................4 2.3 超声检测在钢材缺陷检测中的应用.............................................................6 3 小波分析基础........................................................................................................7
3.1 小波分析概述.................................................................................................7 3.2小波时频分析基本理论..................................................................................8
3.2.1小波变换的定义.....................................................................................8 3.2.2 连续小波变换........................................................................................8 3.2.3离散小波变换.........................................................................................8 3.3 几种常见的小波函数.....................................................................................9 3.4 小波分析的 MATLAB实现........................................................................10 4 钢材缺陷超声检测信号的分析与处理................................................................11 4.1检测装置..........................................................................................................11 4.2 实验设备检测.................................................................................................12 4.3 超声波信号的去噪.........................................................................................16
4.3.1 去噪原理..............................................................................................16 4.3.2 去噪方法..............................................................................................16 4.3.3 去噪步骤..............................................................................................18 4.3.4 阈值选取规则......................................................................................19 4.3.5 采用不同阈值规则的去噪结果比较..................................................20
总结..............................................................................................................................22 参考文献......................................................................................................................23 附件..............................................................................................................................26
1 绪论
超声波是频率超过20KHZ的机械波，其波长较普通声波要短。由于它的指向性好，传播能量大，对各种材料的穿透力强，因而可以通过反射波或透射波来了解被测物体的内部情况。超声检测技术是无损检测领域五大检测方法中的一种，与射线检测、液体渗透检测、磁粉检测、涡流检测这四种方法相比，它具有可检测的厚度大、成本低、速度快、对人体无害及对危害较大的平面型缺陷的检测灵敏度高等一系列优点，在航空、航天、机械、材料、海洋探测和医学诊断等众多领域获得了广泛的应用。
尽管有多种方法可用于钢材的无损检测,但超声检测技术是其中最为有效的检测方法之一,而针对检测信号所进行的分析处理也是检测过程中重要的一环，选择正确的处理方法是完成检测工作的关键。
小波分析是是一种对信号进行时域—频率域分析的新技术。由于它具有良好的时频局部化能力，因此能有效的应用于非平稳信号分析，具有广阔的应用前景。例如，在信号处理领域，它被用于信号的滤波、去噪、压缩、传递；在图像处理领域，它被用于图像压缩、复原、水印处理和特征提取；在医学方面，它被用于提高核磁共振成像分辨率等。使用小波变换处理检测信号对提高钢材的无损检测精度具有很高的工程应用价值。
超声检测中常用的信号处理方法除了时域、频域分析法之外，还有幅度和相位分析，现代信号处理技术中的自适应滤波和分离谱技术等也为超声回波信号的检测提供了有力的保障。上述方法基本上是在单一时域或频域内对信号进行分析，但实际工作中往往需要研究局部时间范围内的频谱信息，单纯的时域或频域分析已不能满足检测要求。时频分析由于具有联合表示时域和频域特性的能力，可以有效确定信号发生变化的位置和变化的程度，近年来在超声检测信号处理中的应用日趋广泛。小波分析是一种窗口面积（窗口大小）固定但其形状可变的时频局部化方法，也就是说，采用这种方法，时间窗和频率窗可以同时改变，能实现对信号的精确分析，因此它是对短时傅里叶变换的改进。
目前，小波时频分析的发展趋势是应用数学与工程实际的结合，这需要研究人员有深厚的理论知识，深入了解其详细的应用过程。由于小波理论的迅速发展，这个研究方向必将引起学者们更多的兴趣，它的应用范围也将越来越广泛。
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2 超声检测原理
超声波是指频率在 20 KHz以上的声波，在自然界中，如固体材料中的点阵
震动，两个金属片相互撞击，管道上气孔的泄气等，其中就包含有超声的成分。超声波在被检测物体内部传播时，与被测物体内部特性有关的某些非声学参量和反映被测物体声学特征的某些物理量之间会形成一定的类比关系，利用这一现象，通过测量上述的物理量能获得关于被测物体质量和性能方面的评价指标，实现对被测物体的检验与测试。这种技术就是超声检测。
超声波具有优良的指向性，这意味着它的声束可以集中在指定的方向上沿着直线传播；它携带的能量远高于普通声波，因此超声波的传播距离大于普通声波；它的频率高，波长短，在固体介质中传播时能量损失很小，因此具有很强的穿透能力；它具有波的固有特性，在传播路径上若遇到材质不同的两介质，在界面上超声波将产生反射、折射和波型转换。上述四个特点使得超声波检测明显优于其它检测手段，在工业无损检测领域得到广泛的应用。
2.1超声波的基本物理量
按质点振动方向分类，超声波可分为纵波(L)、横波(S)、板波(也称兰姆波):
纵波是介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的超声波，固体介质可以承受拉压应力的作用，故可以传播纵波，而液体和气体虽不能承受拉压应力，但在压应力的作用下会产生容积的变化，因此也可以传播纵波;横波是质点振动方向垂直于波的传播方向的超声波，固体介质能够承受切应力，而液体气体不能，故只有固体才能传播横波;板波是在板厚和波长相当的弹性薄板中传播的超声波，质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。也由此可以判断本实验所用超声波为板波。
超声场即充满超声波的空间，或者说在介质中超声振动波及的质点所占据的范围成为超声场。它包括近场(N为近场长度)和远场两个部分。在近场区的声压分布是不均匀的，超声波线在此区域更紧密，以致互相发生干涉，因此近场区越小越好，而在远场区中的声压则随着距离的增大呈单调下降变化。近场区的长度与换能器的晶片直径和超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小(故也将此点称
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