题目：空气耦合超声检测方法及信号处理技术研究

空气耦合超声检测技术作为一种具有较大技术优势和发展潜力的非接触无损检测手段，逐渐受到国内外研究人员的关注。近年来，空气耦合超声换能器等关键技术的突破性研究成果为该技术的发展创造了良好条件，大大加快了该技术从实验研究走向应用化的发展步伐。该技术在航空航天领域无法使用耦合剂的新型复合材料的检测方面优势明显，然而，目前面临因声波在空气介质中的衰减及气固界面透射衰减导致的信号信噪比差的问题，影响了该技术的检测性能。因此，研究空气耦合超声检测及其信号处理技术具有重要的理论意义和工程应用价值。论文围绕空气耦合超声基础声学特性、穿透式空气耦合超声检测方法及信号处理技术、同侧导波检测方法及信号处理技术开展研究。主要研究工作如下：

探讨了空气耦合超声基础声学特性。首先，基于波动方程及结构动力学方程建立了空气介质、气固耦合介质有限元瞬态/稳态分析模型，探讨了模型单元大小、时间步长、稳定性条件等对结果精度的影响，分析了完美匹配层（Perfectly Matched Layer，或PML）厚度与入射声波吸收率之间的关系。然后，基于解析法、有限元及实验手段探讨了空气耦合条件下平面换能器及聚焦换能器的声场分布特性、轴线声压分布特性、不同频率声波在空气介质中的衰减特性、气/固界面的透射特性等，尤其对低频声波遇到固体介质时的“谐振增强”效应、“泊松亮斑”效应等进行了分析。

针对穿透法检测中因声波在空气介质中的衰减及气固界面声阻抗不匹配导致的透射信号能量低、信噪比差的问题，探讨透射信号脉冲压缩方法及小波阈值滤噪技术在空气耦合超声检测中的实现及参数选取。首先，基于脉冲压缩处理技术的基本原理，深入分析了匹配滤波器及脉冲压缩算法的基本原理，建立了线性调频、非线性调频和相位编码脉冲压缩算法在超声信号处理中的实现方法，通过实验分析了不同参数的脉冲压缩性能，确定了脉冲压缩参数的选优准则。然后，分析了小波基函数、小波分解层数、阈值函数等参数对滤噪性能的影响，得出小波阈值滤噪技术在空气耦合超声信号处理方面的实现及参数选取方法。最后，提出了脉冲压缩与小波阈值滤噪联合处理技术，该方法从滤除噪声和提高有效信号能量两方面着手显著提高了信噪比。

建立了实验系统验证上述信号处理方法及选优参数的有效性，并开展图像增强及缺陷量化与识别方法研究。基于C++环境编制了具备特殊信号处理算法的超声检测与分析软件，以模拟不同尺寸缺陷的蜂窝夹芯复合材料试样为对象验证了优化参数后线性调频、非线性调频、相位编码脉冲压缩技术及联合处理方法在C扫描检测中的应用效果，实验结果很好地验证了上述方法在实际检测中的有效性及选优参数的合理性。以含不同尺寸缺陷的PMMA试样为对象，通过实验很好地验证了泊松亮斑效应的理论分析结果。分析了图像对比度增强及高斯滤噪技术，显著提高了C扫描检测图像的质量，基于原始C扫描图像分析了灵敏度量化方法及Canny算子边缘识别技术，实现了大缺陷的定量及小缺陷边缘识别。

为解决因不具备换能器布置条件而无法实现穿透法检测的问题，以各向同性介质为对象，初步探讨空气耦合超声导波同侧检测方法及信号处理技术。首先，建立了各向同性介质中导波频散曲线的数值解法。然后，建立斜入射空气耦合超声导波FEM分析模型模拟了空气耦合条件下导波的激发，采用Pseudo Wigner-ville Distribution（PWVD）时频分析方法探讨了PMMA材料中特定模式导波信号的识别，探讨了缺陷对S0导波幅值及渡越时间（TOF）的影响。最后，采用实验方法分析了有无缺陷时的S0导波的缺陷特征变化情况，并基于此缺陷特征（幅值），实现了平底孔缺陷的同侧扫描成像。

研究表明，空气介质中声波的衰减系数随超声频率呈幂增长的趋势，空气耦合条件下声波透过常见固体介质时的透射衰减较水耦合条件下高50dB~80dB。同时，较低频声波在介质中的“谐振增强”效应及“泊松亮斑”效应显著影响透射信号幅值；优化参数后的脉冲压缩技术、小波阈值滤噪及联合处理方法能提高信号能量及信噪比，信号稳定性得到增强；采用灰度变换、频域滤波方法能显著改善图像对比度和图像质量，建立的灵敏度方法和边缘提取方法能实现蜂窝材料内部缺陷定量及识别；基于空气耦合超声S0模式导波缺陷特征可实现PMMA板中平底孔缺陷的扫描成像。上述研究成果为空气耦合超声检测技术的推广应用奠定了基础。