冯俊军，陶 熠，刘纯林，黄琪嵩，许 波，邓权龙

（安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032）

随着我国工业现代化的不断推进，工程材料或机械构件的质量要求越来越高。无损探伤作为保证产品质量、确保设备安全的重要技术，在岩土工程、机械制造、石油化工和航空航天领域得到了广泛的应用[1-4]。超声波检测是应用最广泛的无损探伤方法之一，它利用进入被检材料的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测，也可用于材料内部组织和特性的表征以及应力的测量[5]。

高等院校开设超声波无损探伤实验教学对于培养学生实践操作能力具有重要意义[6-7]。根据教育部发布的《安全科学与工程类教学质量国家标准》，在安全工程专业培养计划中，超声波无损探伤实验教学是专业核心课程 “安全检测技术” 的重要组成部分。超声波无损探伤实验是一项理论与实践相结合的综合科目[8]，对实验人员的理论水平和操作能力要求均比较高。在实验教学过程中，该课程还要求学生在具体实验操作前必须掌握相应的基础理论知识，特别是超声波检测技术原理与材料超声响应特征，这无疑对当前超声波无损探伤实验的教学内容和平台建设提出了挑战。

当前，由于缺乏完善的超声无损探伤实验教学平台，以及分析材料超声响应特征的实验系统软件，导致目前实验教学内容仅限于利用超声波测量材料厚度。显然，利用超声波测量材料厚度仅仅是超声检测的常规应用。对于深部地下岩土工程，借助超声波无损探伤技术准确判断煤岩材料的内部缺陷，是确保地下建筑工程安全的关键[9]。因此，本文搭建了一套超声波无损探伤实验系统平台，基于MATLAB GUI 开发了用于分析超声波时域特征、频谱特征和散射特征的功能模块和综合评估材料损伤程度的功能模块。该实验系统有助于进一步提高超声波无损探伤实验的教学效果，使学生充分理解煤岩材料无损探伤的技术原理，掌握超声波无损探伤技术的操作方法，最终提高学生在安全检测技术方面的实践能力。

1 搭建实验系统平台

图1 超声波无损探伤技术原理图

超声波无损探伤技术的基本原理如图1 所示，超声波在均匀的介质中一般沿直线传播，当遇到声阻抗不同的2 种介质（如材料内部的孔隙、裂隙、杂质等）界面时，会引发裂隙摩擦效应和波形散射效应，最终导致超声波发生不同程度的能量耗散，表现为幅值显著衰减[10-11]。目前，常见的超声波无损探伤系统均是根据超声波在被测介质中传播衰减情况来判断缺陷位置和大小。在实际检测过程中，对于地下岩土工程中各类煤岩材料，由于被测试样内部缺陷数量、尺度和类别均存在较大差异，并且这些因素都会影响超声波幅值衰减程度。因此，仅仅依靠超声波幅值衰减规律不足以全面判定材料内部缺陷特征，需要建立一套具有多因素综合分析模块的超声波无损探伤实验系统。

针对上述需求，本文搭建了一套超声波无损探伤实验系统平台，该平台主要包括超声波激发和接收装置，实验系统如图2 所示。其中，超声波激发采用ARB-1410 板卡，板卡产生的高频电压通过导线传递到换能器晶体的电极板上，从而激励压电晶体以相同的频率做弹性振动。当换能器与相邻介质之间耦合接触时，高频弹性振动以振动波的形式以本身自有的特性在固体介质中传递。超声波接收采用Express-8 多通道声发射板卡，其主要原理是利用正压电效应进行工作，当超声波作用到压电晶体时，施加的作用力在晶体的相应界面上产生交变电荷，此电荷经过放大器转换为电压信号后输入声发射接收通道，最终由声发射采集系统将接收的超声波信号在终端可视化。实验操作严格遵守国际岩石力学推荐的测试标准[12]，首先对每个试样两端涂抹超声波实验专用高真空脂，然后将超声波换能器贴合到试样两端并施加一定耦合力后即可开始测试。超声波发射频率范围为50～300 kHz，发射幅值采用10 V，接收门槛为45 dB。

图2 超声波无损探伤实验系统平台

2 实验系统功能与模块设计

2.1 系统主要功能

通过搭建的超声波无损探伤实验系统平台采集得到穿透试样的超声波振动信号，压电传感器将振动信号转化为电压信号，最终输出相应的波形数据文件。基于MATLAB GUI 平台，进一步开发了超声波无损探伤实验系统分析软件。软件主要功能包括：用户登录、输入数据、分析数据和导出数据，其中分析数据功能包括时域特征分析模块、频谱特征分析模块、散射特征分析模块和损伤综合评估模块，这些模块是该实验系统的功能核心，系统功能框架如图3 所示。

图3 超声波无损探伤实验系统功能框架

软件使用MATLAB 的deploytool 工具编译生成可执行文件，用户只需安装MATLAB2010b 对应的函数运行库、图形运行库即可双击运行该软件。为保证实验数据的安全性和避免误操作，授权用户需要在登录界面输入正确的用户名和密码后点击回车键，软件后台校验用户输入的用户名和密码是否正确，如果用户名和密码正确，才可进入实验系统主界面，如图4所示。

图4 超声波无损探伤实验系统主界面

在系统主界面点击菜单栏“输入数据”，用户可通过单击选择需要处理的超声波波形数据文件。选择完毕，在系统主界面点击菜单栏“分析数据”，可弹出数据分析主界面，包括时域特征分析模块、频谱特征分析模块、散射特征分析模块和损伤综合评估模块。

2.2 时域特征分析模块

时域特征分析模块主要用于分析超声波穿透试样前后的波形幅值衰减规律。超声波在材料中传播时，当遇到材料缺陷或损伤时（孔隙、裂隙等），超声波的波动作用会引发材料缺陷拉压变形（P 波）或剪切畸变（S 波），缺陷表面在相对运动时产生摩擦效应[10]。摩擦效应将导致超声波总能量发生耗散，最终表现为超声波幅值的衰减现象，如图5 所示。该分析模块界面分为上下2 个坐标区域，分别为入射波和透射波，其中入射波为超声波实验系统发射的原始波形，透射波是原始波形穿透试样后的超声波。横坐标轴为超声波在试样中的传播时间，纵坐标轴为超声波的电压幅值，该功能模块可以清晰地反映试样的幅值衰减规律。

图5 时域特征分析模块界面

2.3 频谱特征分析模块

频谱特征分析模块主要用于分析超声波穿透试样后的波形主频变化规律。超声波波形往往包含多分量波形，波形频谱则是从另一个角度来展现各分量波形的形态，可以方便地看出每种分量波形在整体波形中占据的比重，使分析不同成分波形衰减更有针对性。因此，作为时间函数的超声波信号，不仅需要在时间域描述该信号随时间变化的性质。还需要采用频率域对信号进行谱分析，这种以频率为变量描述信号的方法称为信号频谱分析技术。在信号处理领域，基于Fourier 变换的信号频域表示及其能量的频域分布揭示了信号在频域的特征，超声波频谱表示如下：

上述测试结果显示:多功能北斗智能手杖的拐杖终端实现了对老人空间、时间信息以及健康信息的获取,手机端软件实现了对老人健康安全信息的实时监测。因此,该系统功能较为完善,工作稳定可靠,具有较高的实用价值。

式中，f为超声波频率，t为时间。当超声波在材料中传播时，在遇到不同尺度的材料缺陷或损伤时，不同频率的波形会发生不同程度的反射和吸收现象，最终表现为波形主频的变化。因此，通过超声波波形频谱变化可清晰反映出材料缺陷和损伤对不同成分波形的影响，使超声波幅值衰减更有针对性，具体分析模块界面如图6 所示。从图中可以看出，当超声波穿透试样后，频率50 kHz 的波形分量发生了严重衰减，其波形主频从50 kHz 迁移到了150 kHz，在分析超声波幅值衰减时要注意区分这2 种不同主频的波形。

图6 频谱特征分析模块界面

2.4 散射特征分析模块

超声波在材料中的传播衰减机制不仅包括裂纹面摩擦效应，还包括夹杂物造成的散射效应。散射效应是由于材料内部杂质或缺陷造成，当杂质或缺陷尺度与波长相近时，散射效应就会发生[13]。散射的出现，使得原来的超声波强度减弱，造成总能量衰减。因此，通过分析试样的波形散射特征可判断不同尺度杂质或缺陷所造成的材料损伤，从而识别出导致试样损伤的主导成分。

超声波散射特征采用多重分形谱函数f(α)-α(q)描述，该函数表示如下[14]：

式中，pi(δ)为超声波电压信号，δ为时间划分尺度，q为权重因子。通过该多重分形谱函数可对超声波时间序列数据的结构性差异进行定量描述，通过函数形态揭示不同尺度缺陷或杂质对试样损伤程度的影响。当函数谱峰偏左，则说明小尺度杂质或缺陷所引发的散射效应占据主导地位，试样损伤以细微孔隙为主；反之，如果函数谱峰偏右，则说明大尺度杂质或缺陷所引发的散射效应占据主导地位，试样损伤以大尺度裂隙为主，具体分析模块界面如图7 所示。一般而言，超声波无损探伤实验系统发射的原始波形多重分形谱峰居中，意味着此时超声波均匀分布，并未包含任何散射信号；而穿透试样后的超声波多重分形谱则形态各异，此时的超声波包含试样杂质或缺陷引发的散射信号，通过谱峰的偏向就可判断试样内部主导损伤成分。

图7 散射特征分析模块界面

2.5 损伤综合评估模块

损伤综合评估模块是在综合考虑超声波时域特征、频谱特征和散射特征的基础上，对试样的损伤程度给出最终量化评价，模块界面如图8 所示。该量化评价指标选用超声波品质因子Q，该指标采用谱比法计算得出，表示如下[15]：

式中，A1(f)和A2(f)是相应频率下超声波的发射幅值和接收幅值，t是超声波穿透材料所需的时间。超声波品质因子Q反映了试样的完整性，Q越大，则试样完整性越高，即整体损伤程度越小。

图8 损伤综合评估模块界面

3 实验系统应用案例

3.1 试样制备与实验操作

3.2 超声响应特征分析

首先采用搭建的超声波无损探伤实验系统平台开展了超声波实验研究，采集了穿透煤岩试样后的超声波振动信号。然后通过超声波无损探伤实验系统进一步分析了超声波穿透煤岩试样后的幅值衰减特征、频谱变化特征和波形散射特征，各功能模块分析结果如图10 所示。从图中可以看出，时域分析结果显示：煤岩试样内部损伤导致超声波穿透试样后幅值发生了显著衰减，并且波形持续时间也显著增大，这是由于超声波在试样内部发生多次反射和折射所造成的；频谱分析结果显示，发射的超声波原始波形中高频部分（＞250 kHz）几乎被试样内部缺陷完全耗散吸收，且超声波主频仍然处于低频区域（＜100 kHz），说明试样内部的缺陷尺度与低频超声波的波长较为接近；最后，散射分析结果显示：超声波散射波形的多重分形谱峰从初始的形态发生一定程度的右偏，表明试样内部的损伤和缺陷以大尺度裂隙为主。

图9 超声波无损探伤实验试样制备及操作方法

图10 煤岩试样超声波无损探伤实验分析结果

3.3 试样损伤综合评估

利用超声波无损探伤实验系统的损伤综合评估模块对试样的整体损伤程度进行定量分析，根据式（5）计算得到实验中煤岩试样的品质因子Q 为19.05，具体分析结果如图11 所示。根据文献[16]可知，常见煤岩材料品质因子范围为10.1～105.8，将本实验煤岩试样的品质因子与之进行对比可知，实验中所用煤岩材料损伤程度较为严重，构成损伤的主要缺陷为大尺度裂隙，裂隙尺度与低频超声波的波长较为接近。

4 实验系统特点

相较于传统超声波实验平台，本实验系统充分拓展了超声波无损探伤的实验教学内容，不仅能够分析材料的超声响应时域特征、频谱特征和散射特征，还可对试样内部损伤程度做出综合量化评估。具体来说，该实验系统具有如下特点：

（1）通过MATLAB GUI 开发，将煤岩材料超声响应特征和损伤评估的关键理论集成到相应的功能模块，降低了实验操作人员的理论学习门槛，减轻了学生在学习超声波无损探伤技术时的心理负担，有利于提高实验教学平台的教学效果。

（2）通过形式统一的实验结果分析界面，将实验数据处理工作统一化和规范化，减少数据处理过程中人为因素的影响和人员误操作，提高了实验人员数据处理效率，保证了实验分析结果的严谨性。

（3）对于地下岩土工程中煤岩材料，仅仅依靠传统的超声波幅值衰减规律不足以全面判定材料内部缺陷特征。本实验系统综合考虑了多重因素，包括超声波穿透煤岩材料的时域特征、频谱特征和散射特征，最终对材料的损伤程度、损伤缺陷类型和尺度做出判断，分析结果综合性强、可靠性高。

5 结语

本文基于MATLAB GUI 开发了一套超声波无损探伤实验系统，该实验系统包括时域特征分析模块、频谱特征分析模块、散射特征分析模块和损伤综合评估模块，可用于分析超声波穿透试样后的幅值衰减规律、主频变化规律和波形散射特征，并对试样整体损伤情况做出综合评估。实验系统应用案例表明，对于地下岩土工程中富含裂隙的煤岩材料，该实验系统可有效判别材料的损伤程度、损伤缺陷类型和尺度范围。借助该实验系统开展超声波无损探伤实验教学，有助于学生理解和掌握煤岩材料无损探伤的技术原理和操作方法，最终提高学生在地下岩土工程领域安全检测方面的实践能力。