基于小波包變換的復(fù)合材料聲發(fā)射信號互相關(guān)分析和時延探究論文
引 言
隨著大量新型無人機(jī)裝備陸續(xù)研制和裝備部隊(duì)，對無人機(jī)機(jī)體大量使用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷檢測，是當(dāng)前無人機(jī)部隊(duì)技術(shù)保障中的技術(shù)難題。在復(fù)合材料的制造和使用過程中，不可避免地產(chǎn)生脫膠、減薄、變質(zhì)、分層、孔洞等各種缺陷，大大影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還有可能造成災(zāi)難性的后果。由于聲發(fā)射技術(shù)具有全面、準(zhǔn)確和快速等特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域，歐美等發(fā)達(dá)國家不但在飛機(jī)的研制過程中應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)材料、零部件及整機(jī)疲勞損傷的研究。
本文通過小波包對無人機(jī)復(fù)合材料的的聲發(fā)射信號進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)而通過時差法定位出聲發(fā)射源的位置。
1 方法介紹
1.1 小波包分析
小波包分解是使用給定的小波函數(shù)對信號進(jìn)行分解，生成一組小波包基，每個基都提供了一種特定的信號編碼方法，它能保留信號的全部能量，并對信號的特征進(jìn)行準(zhǔn)確的重構(gòu)。這些小波包可以對給定信號進(jìn)行多種分析和解釋。
綜合考慮小波基函數(shù)的性質(zhì)和超聲回波信號的特點(diǎn)，要求：(1)小波具有很好的頻域分辨率，即好的正則性;(2)必須是不完全對稱的，這樣可以盡可能多的保持信號不失真;(3)同一小波的消失矩和緊支集長度不同。根據(jù)聲發(fā)射信號的特點(diǎn)，本文選取在時域和頻域都具有較好正則性的Meyer小波對聲發(fā)射信號進(jìn)行分析和處理。Meyer小波在頻域具有緊支集，能更好保證頻域分析的分辨率;在時域的衰減快，時域特性也較好。
1.2 時延估計(jì)
利用互相關(guān)分析，找到小波包處理后信號互相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)時刻，就可以確定2個或多個傳感器接收到信號的'時差，進(jìn)而利用時差法定位出聲發(fā)射源的位置。將互相關(guān)系數(shù)曲線峰值所對應(yīng)的橫坐標(biāo)與采樣點(diǎn)數(shù)相減，再乘以采樣間隔時間就得到了2個信號的時間延遲。
因?yàn)閷?shí)測聲發(fā)射信號中含有大量噪聲信號，所以需要進(jìn)行去噪處理。本文利用小波包變換對信號進(jìn)行分解后，找到有意義的頻段進(jìn)行重構(gòu);利用互相關(guān)分析重構(gòu)后信號，確定傳感器接收到信號的時差，再利用時延估計(jì)進(jìn)行聲發(fā)射源定位。
2 試驗(yàn)驗(yàn)證
本試驗(yàn)采用的斷鉛聲發(fā)射源是在玻璃纖維蒙皮試件上以規(guī)格為25mm×Φ0.5mm的鉛芯與試件平面成30°折斷時發(fā)出的信號作為標(biāo)準(zhǔn)聲發(fā)射源。試件尺寸為250mm×150mm×15mm，結(jié)構(gòu)為“蒙皮—蜂窩結(jié)構(gòu)—蒙皮”，本試驗(yàn)在蒙皮表面完成，蒙皮內(nèi)部為正交鋪設(shè)的層合板，波速采用板波中的S0波進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定波速為2600m/s。試驗(yàn)采用DS2系列全信息聲發(fā)射信號分析儀，傳感器接觸面為陶瓷材料，采樣頻率為3MHz。傳感器布置如圖2所示。利用斷鉛依次在試件上選擇11個點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，每個點(diǎn)重復(fù)20次采集數(shù)據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與傳感器的夾角在27°~63°之間，在此角度范圍內(nèi)波聲速變化不大(最大為150m/s)，故而標(biāo)定波速為2600m/s。
3 結(jié) 論
本文采用小波包和互相關(guān)分析，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)復(fù)合材料聲發(fā)射信號的時延估計(jì)，推動了準(zhǔn)確反演聲發(fā)射源方法。通過無人機(jī)復(fù)合材料的聲發(fā)射試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該方法能夠提供準(zhǔn)確的聲發(fā)射源定位，若要進(jìn)一步提高聲發(fā)射源的定位精度，需要充分考慮正交層合板中傳播角度不同對波速的影響。
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