討論了超聲波檢查鑄坯內部夾雜物的影響因素和相應的檢測樣品制備、檢查系統(tǒng)信號處理條件和要求等。并針對缺陷信號的非穩(wěn)態(tài)特點，討論了適用于處理非穩(wěn)態(tài)信號的能夠提高信噪比的小波分析方法。最后采用超聲波直接在鋼坯樣品上進行夾雜檢查試驗，原始信號經(jīng)過小波在５個尺度上多分辨率分析重構以后，缺陷波分布集中在d3、d4、d5三個尺度上，噪聲信號和缺陷反射信號明顯得到分離。

1、影響因素和處理分析

1.1 靈敏度分析

檢測靈敏度與檢測頻率有著直接的關系，而檢測頻率的選擇又決定著衰減速度的大小和穩(wěn)定性、重復性的好壞，所以在檢測靈敏度一定的條件下，合理選擇檢測頻率至關重要。實際上許多因素同時制約著靈敏度，如：

（１）待檢目標自身狀態(tài)的差別；

（２）待檢目標與其所處介質的聲阻抗不同產(chǎn)生的影響；

（３）試塊的散射；

（４）測試探頭實際頻率與標稱頻率的差別；

（５）檢測設備對極微弱的反向散射波的響應能力。

一般認為缺陷檢出的界限尺寸為被檢材料聲波波長的一半，根據(jù)待檢目標尺寸d(代表最佳靈敏度)與波長λ（間接代表檢測頻率的選取）的關系考慮靈敏度的確定與檢測頻率的選取。當傳播介質中存在尺寸非常接近或小于波長的夾雜時，幾何聲學中的陰影概念不再適用，分3種情況：

（１）當夾雜相對于波長較大時，幾何聲學理論完全適用，夾雜反射能量強度的極大值僅出現(xiàn)在與入射波傳播方向相反的方向上，夾雜后面有陰影。

（２）當夾雜接近波長時，散射變得越來越重要。夾雜反射能量的強度在各個方向上的分布極為復雜，有一個或多個極大值，其方向并不與入射波的反方向相同，而且在一定的臨界尺寸條件下，在這個方向上還可能出現(xiàn)一個極小值，陰影的表現(xiàn)形式也很復雜，還可能不出現(xiàn)。這時，將影響橫向分辨力。

（３）當夾雜相比波長進一步減小時，無論夾雜的形狀如何以及其尺寸多少，總能夠向各個方向散射能量，因而也必然向入射波的反方向散射能量，反射的散射能量的幅度與入射能量相比可能很低。

1.2　超聲檢測信號系統(tǒng)設定和樣品要求

采用超聲脈沖反射法用于鋼板內部細小夾雜（渣）的檢測過程，產(chǎn)生的信號x(n)來自脈沖從射入鋼板開始到從鋼板底面反射出的時間段，在信號x(n)中有待分析信息。與確定性信號相比，信號序列x(n)在任何時間的取值是不能先驗確定的隨機變量，但這些取值卻可以用概率分布特性統(tǒng)計地表示為隨機信號(過程)。超聲波檢測系統(tǒng)采用的對信號的變換過程是具有線性和移不變性的離散時間系統(tǒng)（LSI系統(tǒng)）。以周期信號α(t)的抽樣α（nTs）來分析抽樣頻率的設定及頻率分辨率的選定，若α(t)的周期為Ｔ，每周期取樣Ｎ點，即Ｔ＝nTs，將α(t)展成Fourier級數(shù)：

α(ｋΩ0）是α(t)的Fourier系數(shù)，所以是離散的，ｋ＝０，±１，…，±∞，Ω０＝２π/Ｔ ＝２π/NTs。對α(t)抽樣，則有：

離散信號的頻譜應是周期的，周期為Ωs，故而 α(ｋΩ0）應為周期的，由于Ωs＝２π/Ｔs＝２πＮ/Ｔ＝ＮΩ0。Ω0是α(t)基波頻率，α（nTs）內包含有基波至Ｎ次諧波的成分，是Ｎ 點的周期序列。此為借助于計算用于在待建的離散時間系統(tǒng)中進行信號處理的基礎，通過對信號由時域到頻域空間的轉變，然后施加信號處理，可以分析夾雜缺陷信號存在與否的信息。通過計算機處理信號，要求信號在時域及頻域都是離散的，而且長度有限。

從檢測目標及實際檢測過程出發(fā)，可以對鋼板內部夾雜（渣）進行檢查的超聲檢測系統(tǒng)有關信號的一些主要技術參數(shù)和樣品的要求做出一般分析，如果要實現(xiàn)對鋼板最小尺寸為100μｍ 的夾雜（渣）進行檢測，若按照一般靈敏度為傳播波長一半來估計，近似取聲波在鋼中的速度為6ｍｍ／μs，超聲檢測中心頻率可以定在30MHZ左右，由抽樣定理、數(shù)據(jù)采集頻率fs按照10倍頻率選取為300MHZ，由頻率分辨率為2π/NTs，考慮中心頻率為30ＭＨZ，若取5MHZ頻率分辨率，則N大概為377點，按照鋼鑄坯中的聲速估計，被檢樣品厚度可以加工為４ｍｍ左右為宜。

1.3　非穩(wěn)態(tài)信號的小波分析處理

從信號的統(tǒng)計特性來看，對于非穩(wěn)態(tài)信號，信號的全局變換處理手段是不合適的，信號的局部性能分析必須使用局部變換的處理方法。小波分析是采用局域化的核函數(shù)與信號的全局作內積變換處理的一種，它在時域及頻域中都具有良好的分析能力，是一種理想的非穩(wěn)態(tài)信號的分析手段，可以對指定頻帶及時間段內的信號成分進行分析，可以對頻率成分采用逐漸精細的時域取樣步長，從而聚焦到信號的任意細節(jié)。平方可積函數(shù)s(t)的連續(xù)小波變換定義為：

2、超聲檢測鑄坯樣品內部夾雜的試驗

2.1　試驗系統(tǒng)配置

檢測系統(tǒng)構成示意圖如圖1(ａ)，采用了如下設備來采集檢測信號，超聲波換能器采用20MHZ(PANAMETRICS,V116-RM,3mm）超聲縱波直探頭，200MHZ采樣頻率HP54622A 數(shù)字示波器，泛美5900PR超聲分析儀以及臺式電腦。被檢樣品直接取自鑄坯，其金相組織見圖1(ｂ)，可以看出鑄態(tài)晶粒非常粗大。試樣表面經(jīng)過研磨后的表面粗糙度可以達到1.6μｍ。試樣是在浸入水中的狀態(tài)下進行檢測的，其目的是為了避開換能器近場區(qū)。因為換能器的近場長度已經(jīng)超過了試樣的厚度。檢測結果以Ａ型顯示，系統(tǒng)經(jīng)過校準后，顯示長度為3個底面回波。

2.2　檢測結果的小波包多分辨率分析處理

圖2(a)為檢測到的有夾雜缺陷處的原始信號，圖2(b)為經(jīng)過小波濾波分析后，5個尺度的多分辨率分析重構以后的結果。對重構后的各個尺度的細節(jié)信息（d1～d5）以及第五個尺度的粗糙像（a5）分析，看到噪聲信號和缺陷的反射信號得到了分離，噪聲信號主要分布在d1、d2兩個尺度上，而缺陷波分布集中在d3、d4、d5三個尺度上，相對來說，在較低頻率的尺度上信號波形上的差異要比較高頻率尺度上的明顯。

結論

分析和試驗結果表明，使用聚焦超聲檢查試塊內部清潔度情況的靈敏度受到許多因素的影響，并且該靈敏度在試塊內部的厚度方向上也存在差異，所以檢測前的試樣制備和檢測條件的調整很關鍵。對用于鋼板細小夾雜（渣）檢測的超聲波檢測系統(tǒng)的信號進行處理的過程中，夾雜（渣）的大小對樣品有厚度方面的要求。鑄坯清潔度檢查需要必要的樣品制備，對于超高頻超聲波在連鑄坯材料上的NDT評價，經(jīng)過處理后的材料顯示比較理想的超聲波檢測特性。對于原始檢測信號的小波包多分辨率分解和重構結果表明，多分辨率分析技術有助于提高檢測結果的信噪比，有利于夾雜缺陷的識別，并且小波包多分辨率分析可以方便夾雜缺陷的特征提取，有利于后續(xù)的分析處理。