基于小波包變換的軸承外圈超聲檢測(cè)信號(hào)處理研究

范振中，畢 超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

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基于小波包變換的軸承外圈超聲檢測(cè)信號(hào)處理研究

范振中，畢 超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

為進(jìn)一步提高鐵路貨車軸承外圈超聲檢測(cè)質(zhì)量，將小波包變換理論應(yīng)用于軸承外圈超聲檢測(cè)信號(hào)處理，構(gòu)建水浸探傷特征掃描成像系統(tǒng)，將鐵路貨車軸承外圈應(yīng)用于水浸探傷特征掃描系統(tǒng)中，對(duì)水浸系統(tǒng)采集到的軸承外圈超聲信號(hào)進(jìn)行小波包變換，用于缺陷信號(hào)的降噪處理，提高超聲信號(hào)的信噪比。并以小波包分解頻帶的能量作為缺陷信號(hào)特征值，根據(jù)小波包不同空間能量譜中能量的大小及分布判斷軸承外圈內(nèi)部缺陷程度。

無損檢測(cè)；超聲檢測(cè)；超聲水浸探傷；小波包；能量譜

0 引言

鐵路貨車輪軸中軸承的功能是在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的車體和軸之間起到支承作用，并傳遞載荷，組成軸承的外圈須進(jìn)行超聲波檢測(cè)，超聲波檢測(cè)的檢測(cè)面為軸承外圈的外徑面。隨著近幾年鐵路事業(yè)快速發(fā)展，高速、重載車輛逐漸成為鐵路貨車的發(fā)展方向，另外近年來鐵路貨車運(yùn)用頻次明顯增加，迫切需要提高鐵路貨車輪軸的制造和維修質(zhì)量。為進(jìn)一步提高超聲波檢測(cè)軸承外圈的質(zhì)量，使超聲檢測(cè)信號(hào)的信噪比提高，筆者構(gòu)建超聲波水浸檢測(cè)系統(tǒng)，用于采集軸承外圈超聲波信號(hào)，以小波包變換理論為基礎(chǔ)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包降噪處理，并對(duì)實(shí)際檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行能譜分析，將小波包分解頻帶的能量作為判斷缺陷的特征值，用于缺陷的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，具有實(shí)際意義。

小波變換理論是近幾年興起的時(shí)頻聯(lián)合分析技術(shù)，它具有將信號(hào)時(shí)頻局部化的性能，被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡。與小波分解不同，小波包分解同時(shí)使用了高通以及低通濾波器，給出了信號(hào)在整個(gè)頻帶的信息。在小波包理論中，將信號(hào)按不同頻帶進(jìn)行分解，達(dá)到了在特征提取時(shí)獲取任意頻帶內(nèi)信息的目的，這就增加了信息提取量，使其在波形特征向量提取的過程中更有優(yōu)勢(shì)。

1 理論基礎(chǔ)

由小波變換的多分辨率性質(zhì)可知，給定小波函數(shù)Ψ(t)和正交尺度函數(shù)φ(t)后，進(jìn)一步推廣二尺度方程得到下列的遞推關(guān)系：

(1)

(2)

式中：h1k是多分辨率分析中的濾波器系數(shù)；函數(shù)集{wn(t)}n∈Z為由w0(t)=φ(t)所確定的小波包，小波包{wn(t)}n∈Z是包括小波母函數(shù)和尺度函數(shù)在內(nèi)的函數(shù)集合。

小波包分解的表達(dá)式為：

(3)

當(dāng)k=m=0時(shí)子空間為

(4)

小波基為

(5)

(6)

小波包系數(shù)公式為：

(7)

小波包重構(gòu)公式用下式得到：

(8)

小波包變換理論具有將信號(hào)按任意時(shí)頻分辨率分解的特點(diǎn)，分解后可根據(jù)需要將所需頻段內(nèi)的信號(hào)重構(gòu)，起到濾波作用。

2 構(gòu)建水浸掃描成像系統(tǒng)

為得到軸承外圈超聲信號(hào)，建立了超聲水浸系統(tǒng)，本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、脈沖發(fā)生接收器、水浸探頭等部件組成。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測(cè)水浸系統(tǒng)原理圖

電機(jī)控制系統(tǒng)由電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和三維掃查架組成。電機(jī)控制器選用產(chǎn)品為DMC-2142，該控制器可控制8軸步進(jìn)電機(jī)或者控制伺服電機(jī)。掃描架的運(yùn)用目的是消除探頭抖動(dòng)引入的回波干擾，實(shí)現(xiàn)搭載探頭的三自由度運(yùn)動(dòng)。DMC-2142通過網(wǎng)口與上位機(jī)相連，由上位機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)控制，帶動(dòng)三維掃描架進(jìn)行水平橫向、水平縱向及垂直方向位移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到精確定位的目的。

高頻脈沖發(fā)生接收器型號(hào)為5058PR，該儀器的衰減器具有0～80 dB衰減量，1 dB步進(jìn)；自身具有-100～-900 V寬范圍可調(diào)脈沖電壓；具有單探頭和雙探頭兩種工作模式。數(shù)據(jù)采集卡部分具有2通道同步并行數(shù)據(jù)采集功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用14Bit高精度A/D，最高采樣率可同時(shí)達(dá)到125 MSps，緩存至2 048 M字節(jié)，完全滿足本系統(tǒng)超聲波采集存儲(chǔ)的需要。

探頭選用5 MHz直徑6 mm水浸聚焦探頭，聚焦深度為15 mm。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及小波包降噪處理

圖2給出超聲水浸系統(tǒng)實(shí)際采集到的帶有自然缺陷的軸承外圈超聲信號(hào)原始波形，由于缺陷相對(duì)較小，信噪比較低，超聲波缺陷位置幾乎淹沒在噪聲中，缺陷顯示不明顯。

圖2 帶有自然缺陷的軸承外圈超聲波形

為提高信噪比，對(duì)圖3所示采集到的超聲信號(hào)進(jìn)行小波包降噪處理，小波包基由實(shí)驗(yàn)效果加以選擇，通過熵標(biāo)準(zhǔn)選擇最優(yōu)基。

通過實(shí)驗(yàn)，采用香農(nóng)熵作為熵標(biāo)準(zhǔn)， sym6小波作為小波基，對(duì)圖2所示超聲信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，軟閾值處理，信號(hào)處理后，信噪比得到很大提升，效果提升明顯，缺陷位置定位準(zhǔn)確，回波失真較小，降噪信號(hào)如圖3所示。

圖3 經(jīng)小波包降噪處理后的超聲波形

4 小波包能量譜理論及本系統(tǒng)應(yīng)用

正交小波包變換是能量守恒的，它能夠把信號(hào)無冗余，正交化、無疏漏、自適應(yīng)地投影到正交小波包空間上。

在離散正交小波包分析中，已知{Ex(n,j,k)}k∈Z為信號(hào)x(t)∈L2(R)在{Wn,j,k(t)}k∈Z,j∈Z上的分解序列，并且

(9)

有如下定義：

(10)

為原始信號(hào)在空間上的能量分布。序列SE(j,n)(n=0,1,2…2j-1)被稱為小波包能量序列。文中將能量序列歸一化處理，得到的序列λ(n)(n= 0,1,2…2j-1)被叫做小波包能量譜序列：

(11)

小波包能量譜序列實(shí)際上表示了相同寬度頻帶不重合范圍內(nèi)能量的大小。根據(jù)能量守恒原理，由小波包分解及小波包能量譜序列理論計(jì)算出正交小波包空間中信號(hào)的能量分布，2j個(gè)元素構(gòu)成的向量被認(rèn)為可表征能量分布的特征向量。

利用小波包能量譜進(jìn)行缺陷識(shí)別的步驟為：基于超聲水浸系統(tǒng)對(duì)軸承外圈試塊進(jìn)行超聲波信號(hào)采集；確定用于小波包分解的小波函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)是運(yùn)用小波分解系數(shù)重構(gòu)后的信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的差值進(jìn)行比較，差值越小，表明小波函數(shù)越適宜；確定小波包分解層數(shù)，分解層數(shù)適當(dāng)可避免信號(hào)頻帶過寬；根據(jù)能量譜序列的特征，確定缺陷信號(hào)判別閾值。

本試驗(yàn)中應(yīng)用圖1所示的超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鐵路貨車軸承外圈進(jìn)行超聲波信號(hào)采集，采集到的波形如圖4、圖6、圖8所示，圖4為無明顯缺陷的超聲信號(hào)S1，圖6為帶有較小缺陷的超聲信號(hào)S2，圖8為帶有較大缺陷的超聲信號(hào)S3。對(duì)實(shí)際采集到的編號(hào)分別為S1,S2,S3的超聲波信號(hào)進(jìn)行小波包變換，并進(jìn)行能量譜分析，小波包變換中選取sym6小波函數(shù)，超聲波信號(hào)小波包分解層數(shù)為6層，由小波包理論可知，小波包分解后整體頻帶被劃分為64個(gè)不重合的子頻帶。圖5、圖7、圖9為相應(yīng)超聲信號(hào)的小波包能量譜序列。

圖4 無明顯缺陷的超聲信號(hào)S1

圖5 無明顯缺陷的超聲信號(hào)S1的能量譜序列

圖6 較小缺陷超聲信號(hào)S2

圖7 較小缺陷超聲信號(hào)S2的能量譜序列

圖8 較大缺陷超聲信號(hào)S3

圖9 較大缺陷超聲信號(hào)S3的能量譜序列

通過分析三種情況下的小波包能量序列分布，存在如下幾個(gè)特點(diǎn):

表1 不同大小缺陷下與小波包空間能量

5 結(jié)束語

本文為提高鐵路貨車軸承外圈超聲檢測(cè)質(zhì)量，通過構(gòu)建超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)，并將小波包變換理論應(yīng)用于超聲檢測(cè)信號(hào)降噪處理，信噪比得到極大改善；并以小波包分解頻帶的能量作為缺陷信號(hào)特征值，對(duì)缺陷進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)小波包不同空間能量譜中能量的大小及分布判斷軸承外圈內(nèi)部缺陷的程度，方法可望在超聲信號(hào)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別方面具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。下一步將進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，找出合適的閾值，進(jìn)行缺陷定量化評(píng)估。

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Study on UT Signal Processing for Bearing Outer Ring Based on Wavelet Package

FAN Zhen-zhong, BI Chao

(China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

In order to improve the quality of the UT for railway freight car bearing outer ring, wavelet package transform method was used to process the ultrasonic signals. Immersion testing system for feature scan image was constructed to acquire the echo in ultrasonic testing and the railway freight car bearing outer ring was used in this system. The signals were then filtered using wavelet package transform method to improve the signal-noise ratio, then the energy of the frequency domain based on wavelet packet decomposition was taken as the feature information of defects. And the amount and the distribution of the energy in different wavelet package energy spectrum spaces indicates the defect level in the bearing outer ring.

nondestructive testing; ultrasonic testing; ultrasonic immersion testing; wavelet package; energy spectrum

2015-01-10 收修改稿日期：2015-07-02

TG115.28

A

1002-1841(2015)09-0103-03

范振中(1982—)，助理研究員，在讀博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殍F路產(chǎn)品的無損檢測(cè)。 E-mail：zhenzhongfan@sohu.com 畢超(1986—)，實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o損檢測(cè)儀器開發(fā)。E-mail：109816559@qq.com