TC6鈦合金材料具有密度低、強度高、耐腐蝕等優點，是一種重要的航空航天、船舶重工、能源化工材料。一般可采用超聲檢測技術對TC6鈦合金鍛件實施無損檢測，但TC6鍛材晶粒粗大，對超聲波的吸收和散射影響較大，當噪聲信號覆蓋微小缺陷信號時，會造成微小缺陷漏檢。除優化探頭參數和檢測工藝外，還可對檢測信號進行處理，以提高信噪比和缺陷檢出率[1]。

本研究利用5種常見濾波方法對加入高斯白噪聲的超聲仿真信號進行處理，同時采用超聲水浸檢測法獲得TC6鈦合金鍛件超聲檢測信號，并對得到的檢測信號進行相關濾波處理。對濾波后的仿真及試驗信號實施定量分析，找到TC6鈦合金等組織晶粒粗大材料超聲檢測信號降噪的有效方法。

1、TC6 鈦合金超聲檢測現狀

鈦及鈦合金作為高精尖裝備零件材料具有突出的優勢。隨著高端裝備制造業的發展，鈦合金應用越來越廣泛，例如在飛行器結構框架、深潛器耐壓殼體、氯介質壓力容器中，都發揮了重要作用。但是鈦合金也存在一些缺點，如韌性低、塑性差、導熱性差、顯微組織的變化對材料性能影響較大等，從而導致在冶煉、鍛造、熱處理等加工過程中容易產生缺陷[2]。

鈦合金鍛件的主要缺陷有白點、夾雜、氣孔、裂紋等，對鈦合金實施有效的超聲檢測是保證材料使用安全的前提條件。

新材料工藝的快速發展加大了對金屬材料的質量要求。例如，在航空關鍵件上使用的一些合金材料，當量尺寸1mm左右的微小缺陷就會直接影響其疲勞強度等力學性能；有些關鍵件的當量缺陷甚至小于 0.4 mm。因此，對生產加工與使用過程中金屬材料內部出現的缺陷進行檢測日益受到關注[3]。作為重要的無損檢測方法之一，超聲檢測通過在材料

內均勻介質中傳播的超聲波遇到不同界面（如工件內部裂紋）產生不同的反射信號（回波）來判斷是否存在缺陷。然而在對金屬材料進行超聲波探傷時，尤其是粗晶材料含微小缺陷時，其回波信號幅值較小，且粗晶粒對超聲波較強的散射作用導致噪聲信號幅值較高而回波信號幅值進一步降低，最終導致微小缺陷回波信號被噪聲信號覆蓋，造成缺陷漏檢。

所以，有必要研究合適的超聲波信號降噪方法，以有效降低噪聲信號幅值，提高微小缺陷信號與背景噪聲的對比度，從而提高缺陷檢出率。

2、超聲信號濾波方法

在信號處理過程中，被處理的信號中往往混有大量噪聲信號，影響正常信號的識別。針對這種情況，需采取一定方法并根據有用信號和噪聲信號的不同特性來消除或減少噪聲信號。這種在復雜信號中提取有用信號的過程稱為濾波。濾波器即實現濾波功能的設備，下面對幾種常見的濾波進行介紹。

2.1 維納濾波

維納濾波器（最小平方濾波器、最小二乘濾波器）是基于最小二乘法，以最小平方為最優準則的線性濾波器。維納濾波函數能夠使輸出值與期望輸出值的差的平方達到最小，再通過托布利茲方程求解，達到降噪的效果。維納濾波能夠對含有噪聲的信號進行去噪處理，可用于提取被平穩噪聲污染的信號。

2.2 小波

小波去噪器也是信號處理的常用設備。小波基于傅里葉變換，不像其他波形一樣無窮無盡，而是在有限區間內非零。小波包括高頻小波和低頻小波，可以通過一定的拉伸和壓縮得到。在處理信號時，可以通過構造小波函數對有用信號進行提取。通過設置一個閾值來限定濾除的信號，大于閾值時保留信號，小于閾值時濾除信號，從而達到降噪的目的。

2.3 中值濾波

中值濾波是一種非線性的信號處理方法，基于排序統計理論處理非線性噪聲。其基本原理是：將某點信號的數值用該點相鄰點的中值代替[4]，讓周圍信號的數值接近真實值，實現對噪聲的濾除。中值濾波算法簡單，容易實現，在信號處理方面應用廣泛。

中值濾波在對信號或圖像進行去噪降噪的同時能夠保證邊緣信號的細節完整，濾波效果因噪聲的不同而有所差異。在處理圖像時，中值濾波有時會濾除一些重要細節，如細線、拐角等。為解決這些問題，研究人員發現了許多改進方法，使得中值濾波具有較大的靈活性，得到了更好的發展[5]。

2.4 巴特沃斯濾波

巴特沃斯濾波器的幅度平方函數為：

其中：N（正整數）為巴特沃斯濾波器的階數，N 越大該濾波器就越接近理想濾波器；ω_c 為通帶截止頻率，一般將 3 dB 作為取值參考點；幅度頻率響應|H(jω)|隨ω的增加而單調遞減。隨 N 的增大，巴特沃斯濾波器的過渡帶和阻帶下降，而通帶趨于平坦。

2.5 Fir 濾波

Fir 濾波函數是窗函數法的工具函數，能夠實現標準窗函數法。一個數字濾波器的輸出 y(n)如果僅取決于有限個過去的輸入和現在的輸入, 則稱之為有限長沖擊響應濾波器。輸入信號隨著時間的改變而改變，因此 Fir 濾波器最終的輸出是各個時刻的輸入乘以相應權重（系數）后的疊加輸出。

3、超聲信號仿真及濾波效果對比

對常規鍛件進行超聲波檢測時，超聲波回波信號包含始脈沖（始波）和鍛件底面回波信號（底波），在始波和底波之間，還可能存在鍛件內部缺陷回波信號、組織晶粒散射信號及非聲學噪聲信號等。當鍛件內部超聲波傳輸路徑中存在微小缺陷時，缺陷回波會顯示在始波與底波之間且幅值低于始波和底波幅值。利用 MATLAB 軟件建立一段始波、缺陷波、底波的簡單模型，如圖 1 所示。

采樣頻率為 100 M，縱坐標為信號波幅，橫坐標為采樣點數。全程采集 5 000 個點，在 0 點位設置始波，在 1 000 點位設置缺陷波，在 2 000 點位設置底波，形成完整的回波信號。加入高斯白噪聲，就能得到一個完整的超聲回波仿真信號，如圖 2 所示。

分別運用維納濾波、小波、中值濾波、巴特沃斯濾波和 Fir 濾波對超聲仿真信號進行噪聲濾除，濾波后的信號如圖 3—圖 7 所示。

在信號經過濾波處理后，對其進行分析，來判別濾波器濾波效果的優劣。此時，需要對濾波方法進行定量分析。通過設置同一頻率、同一條件下的數據對不同濾波的信噪比（SNR）和均方根（RMSE）進行比較，得出最優濾波方法。

對比圖 2—圖 7 可以發現：各信號圖像中，除較為明顯的始波、底波信號外，還存在幅值相對較低的缺陷信號；而在整個采樣過程中，始終存在噪聲信號（草狀波）。其中，圖 2 原始仿真信號中，缺陷信號幾乎全部被噪聲信號覆蓋。經 5 種濾波處理后，背景噪聲均有所降低，且可明顯識別出缺陷信號。草狀波的波幅可反應信號噪聲的大小，對比可以看出，維納濾波噪聲相對較低。利用 5 種濾波器對仿真信號進行處理，其 SNR 和 RMSE 如表 1 所示。

由表 1 中 SNR 可知：維納濾波處理后超聲信號信噪比最好；維納濾波處理后的信號均方根值最小，定量值最優。

4、實際超聲檢測信號濾波對比

采用超聲水浸法檢測 TC6鈦合金鍛件，檢測設備包括 OLYMPUS 5077PR 超聲波脈沖發射接收器，PicoScope 3000 示波器，搭載 10 MHz 水浸探頭的三軸掃查裝置。

由 OLYMPUS 5077PR 超聲波脈沖發射接收器發出脈沖激勵源，作用在 10 MHz 的水浸探頭上，使得水浸探頭發出超聲信號。超聲信號遇到缺陷時會發生反射、折射或衍射，這些信號被水浸探頭接收，再由 PicoScope 3000 示波器將模擬信號轉換為數字信號。獲得的超聲檢測原始信號和經 5 種濾波處理后的信號如圖 8—圖 13 所示。

總的來看，5 種濾波方法對于降低信號噪聲均有一定效果，草狀波波幅明顯降低，但肉眼無法明確區分哪一種濾波方法獲得的超聲信號噪聲最小。對不同濾波方法處理后信號的 SNR 及 RMSE 進行定量對比，具體如表 2 所示。由表 2 可知，維納濾波仍然是相對較為理想的濾波方法。

5、結語

當前，TC6鈦合金鍛件在高端制造業中的應用越來越廣泛，這些領域對于材料安全尤為重視。采用數字信號濾波處理方法規避由粗晶材料散射引起的超聲檢測信號信噪比差的劣勢，是提高 TC6鈦合金鍛件及類似產品微小缺陷檢出率的重要途徑。通過模擬仿真及實際檢測，分析對比了維納濾波、小波、中值濾波、巴特沃斯濾波、Fir 濾波 5 種常規濾波的

效果，發現維納濾波是相對理想的濾波。雖然維納濾波的優勢并不十分明顯，但可為相關檢測人員處理粗晶材料超聲信號提供一定思路，后續可在維納濾波的基礎之上進一步研究優化方案，提高缺陷信號相對背景噪聲的對比度，提高檢測質量。

參考文獻：

[1]肖峰. 微小缺陷的非線性超聲檢測研究[D]. 南昌: 南昌航空大學, 2019.

[2]JEONG M O, HONG J K, YEOM J T, et al. Accelerated for-mation of an ultrafine-grained structure in a two-phase Tialloy during compression with decreasing temperatures [J].Philosophical Magazine: Structure and Properties of Con-densed Matter, 2020, 100(9/12): 1569-1584.

[3]鄭善樸, 陸銘慧, 劉磨, 等. 背散射技術對纏繞復合材料均勻性的表征[J]. 玻璃鋼 / 復合材料, 2019(1): 87-90.

[4]余陽. 水下淺層隨波掃描探測系統研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2020.

[5]UMAPATHI A, SWAROOP S. Phase gradient in a laserpeenedTC6titanium alloy analyzed using synchrotron radi-ation[J]. Materials Characterization, 2017, 131: 431-439.

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