楔波检测的时频域分析方法研究
摘 要楔波由于受楔体结构的影响，在传播过程中会形成多模态和色散的特征。时频域分析方法分析楔波能够从在时间-频率-能量三个方面进行分析,相比传统的时域或频域分析能够显示出更多的信息。因此，本文主要是采用时频域分析方法对在不同角度的楔体上传播的楔波信号进行分析以获得楔波信号的特征。本文归纳分析了信号的时频分析方法，线性时频分布：短时傅里叶变换（STFT）和连续小波变换（CWT）以及信号的二次时频分析方法:维格纳威利分布（WVD）和希尔伯特黄变换（HHT）。从楔波信号的传统分析方法入手，分析了楔波信号的时域波形，根据时域波形只能得到楔波不同时刻对应的振幅，而从频域的频谱上能够得到信号在整个频域上的变化。再通过分析B-scan扫描图，得到了楔波各模态到达时间及模态总体变化。通过对楔波信号进行了短时傅里叶变换，维格纳威利分布和连续小波变换的仿真，得到楔波信号的时频图。通过观察时频图，可以发现频率随时间的变化趋势以及能量分布情况。经过对时频图的分析，可以得到楔波信号的模态阶数，各模态出现的具体时刻点，同一频率在各模态中出现的时间以及各模态中频率出现的具体范围。本文的研究成果可供楔波信号特性研究，为楔波信号在超声无损检测和地质勘测等方面的实际应用做参考。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2国内外研究进展 2
1.2.1激光超声技术研究进展 2
1.2.2楔波的研究进展 3
1.2.3时频分析技术的研究进展及应用 5
1.3本文的主要研究工作 6
第2章 信号的时频分析方法 7
2.1信号的线性时频分析方法 7
2.1.1短时傅里叶变换 7
2.1.2连续小波变换 8
2.2二次时频分析方法 10
2.2.1 WVD时频分布 10
2.2.2 HHT变换 14
2.3本章小结 15
第3章 楔波信号的传统分析方法 16
3.1信号的表示方法 16
3.1.1信号时域波形图 16
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1.2信号频谱图 17
3.1.3信号时频图 18
3.2楔波信号传统分析方法 18
3.2.1楔波信号的时域分析 18
3.2.2楔波信号的时域分析 19
3.2.3楔波信号的沿楔尖方向的表面扫描图分析 20
3.3本章小结 20
第4章 楔波信号的时频域分析 22
4.1. 楔波信号的短时傅里叶变换 22
4.1.1楔波时域波形 22
4.1.2楔波的短时傅里叶变换 23
4.2楔波信号的WIGNERVILLE分布时频分析 25
4.2.1几种WignerVille分布时频图的比较 25
4.2.2其它几个角度的WignerVille分布时频图 26
4.3楔波信号的连续小波变换分析 27
4.4 三种时频分析方法的优缺点比较 29
4.5 本章小结 29
第5章 总结与展望 31
5.1 总结 31
5.2 研究展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 36
1．短时傅里叶变换时频图MATLAB实现程序 36
2．WVD时频分布图MATLAB实现程序 37
3．连续小波变换MATLAB实现程序 38
4．外文文献及翻译 40
第1章 绪论
1.1本文的研究背景和意义
激光超声是一种新型超声检测技术，它具有非接触，高精度，无损伤的优点。它是一种利用激光脉冲激发超声并对被检测进行无损检测,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。任意难以检测的工件都能够满足激光激发的条件,即使在高压、高温、剧毒、具有放射性等极端恶劣环境下也都可以进行激光超声检测。该技术与传统的压电超声技术相比，具有很多优点[1]:
(1)非接触性。这是一种完全非接触式的超声波检测技术，无需耦合剂,这样不但避免了耦合剂对测量精度的影响,而且避免了耦合剂对被检件和环境的污染，试验重复性好。
(2)可以远距离激发和接收,具有很强的抗干扰性，能在高温高压等恶劣环境中检测，易于实现自动化。
(3)频带宽，对检测工件空间位置要求不高。因此对于评价材料的微结构和测定参量有明显的优势，而且可以检测许多难以接近的工件。
(4)具有特殊的方向性。可同时产生纵波、横波和表面波,并且纵横波的方向性又不同，因此激光超声不仅可用来检测体缺陷,还可检测表面缺陷。
(5)空间分辨率高。探测激光束可以聚焦成约m量级的点，从而使得基于超声波衍射方法具有高分辨率。
(6)全方位快速扫描。激光超声波的激发和接收可以在很短的时间里完成,满足快速实时检测的要求。
由于激光超声的以上优点,这些年来激光超声技术迅猛发展,被广泛应用于医疗领域，工业领域。如声显微镜的应用，硅片检测，缺陷检测，电子元器件/半导体封装质量检测等诸多行业。
19世纪70年代,科学家Lagasse[2]在分析过程中发现了一种沿楔体楔尖传播的导波,将其定义为楔波。此后,科学家们对楔波进行了广泛的研究，取得了很多进展，包括非线性信号处理[34],无损检测[5] ,地质结构的检测,楔波传感器等。在实际的工业生产中,有很多的楔体结构机械工件, 对楔体的无损检测的一个重要应用就是工件磨损情况的检测。基于激光超声技术的众多优点,可以将激光超声技术应用到楔波的研究当中，楔波在此后的无损检测应用中应当会起到非常重要的作用。
因此，系统的对楔波传播特性进行研究是非常必要的，使用时频分析方法分析研究楔波信号，观察其时频谱以获得更多的信号特征，如：模态成分，色散特征等。
1.2国内外研究进展
1.2.1激光超声技术研究进展
激光超声无损检测技术是一门复杂交叉的学科,它包括很多方面的内容：激光激发超声的机理、超声波的传播特性、激发和探测的方法等。国内外学者已经开展了大量的研究工作并在激光超声技术的应用上取得了很多成就。上世纪60年代到80年代期间激光超声应用技术迅猛发展。
20世纪60年代，因为激光技术的快速发展，研究者们将引入到了光声领域。最早是1963年，White[6]提出了用脉冲激光在固体中激发超声的方法，并且演示了固体因为吸收激光脉冲而产生弹性波的实验，他在实验中使用红宝石作为激光器激发，用梳状换能器接收表面波，这标志着激光超声技术的开始。
1976年俄罗斯的Bondarenko[7]等人首先将激光超声技术用于材料试验，将应力波脉冲和Michelson干涉仪结合取得了很好的效果。。1980、1982年Scruby[8]、Dewhurst、Hutchins等[9]对热弹条件下产生的超声波做了定量测量，分别用正交力偶、垂直力偶解释了热弹条件和融蚀条件下的激发现象，可以说奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。自此以后，激光超声向更深入更实用的方向发展。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1本文的研究背景和意义 1
1.2国内外研究进展 2
1.2.1激光超声技术研究进展 2
1.2.2楔波的研究进展 3
1.2.3时频分析技术的研究进展及应用 5
1.3本文的主要研究工作 6
第2章 信号的时频分析方法 7
2.1信号的线性时频分析方法 7
2.1.1短时傅里叶变换 7
2.1.2连续小波变换 8
2.2二次时频分析方法 10
2.2.1 WVD时频分布 10
2.2.2 HHT变换 14
2.3本章小结 15
第3章 楔波信号的传统分析方法 16
3.1信号的表示方法 16
3.1.1信号时域波形图 16
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1.2信号频谱图 17
3.1.3信号时频图 18
3.2楔波信号传统分析方法 18
3.2.1楔波信号的时域分析 18
3.2.2楔波信号的时域分析 19
3.2.3楔波信号的沿楔尖方向的表面扫描图分析 20
3.3本章小结 20
第4章 楔波信号的时频域分析 22
4.1. 楔波信号的短时傅里叶变换 22
4.1.1楔波时域波形 22
4.1.2楔波的短时傅里叶变换 23
4.2楔波信号的WIGNERVILLE分布时频分析 25
4.2.1几种WignerVille分布时频图的比较 25
4.2.2其它几个角度的WignerVille分布时频图 26
4.3楔波信号的连续小波变换分析 27
4.4 三种时频分析方法的优缺点比较 29
4.5 本章小结 29
第5章 总结与展望 31
5.1 总结 31
5.2 研究展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 36
1．短时傅里叶变换时频图MATLAB实现程序 36
2．WVD时频分布图MATLAB实现程序 37
3．连续小波变换MATLAB实现程序 38
4．外文文献及翻译 40
第1章 绪论
1.1本文的研究背景和意义
激光超声是一种新型超声检测技术，它具有非接触，高精度，无损伤的优点。它是一种利用激光脉冲激发超声并对被检测进行无损检测,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。任意难以检测的工件都能够满足激光激发的条件,即使在高压、高温、剧毒、具有放射性等极端恶劣环境下也都可以进行激光超声检测。该技术与传统的压电超声技术相比，具有很多优点[1]:
(1)非接触性。这是一种完全非接触式的超声波检测技术，无需耦合剂,这样不但避免了耦合剂对测量精度的影响,而且避免了耦合剂对被检件和环境的污染，试验重复性好。
(2)可以远距离激发和接收,具有很强的抗干扰性，能在高温高压等恶劣环境中检测，易于实现自动化。
(3)频带宽，对检测工件空间位置要求不高。因此对于评价材料的微结构和测定参量有明显的优势，而且可以检测许多难以接近的工件。
(4)具有特殊的方向性。可同时产生纵波、横波和表面波,并且纵横波的方向性又不同，因此激光超声不仅可用来检测体缺陷,还可检测表面缺陷。
(5)空间分辨率高。探测激光束可以聚焦成约m量级的点，从而使得基于超声波衍射方法具有高分辨率。
(6)全方位快速扫描。激光超声波的激发和接收可以在很短的时间里完成,满足快速实时检测的要求。
由于激光超声的以上优点,这些年来激光超声技术迅猛发展,被广泛应用于医疗领域，工业领域。如声显微镜的应用，硅片检测，缺陷检测，电子元器件/半导体封装质量检测等诸多行业。
19世纪70年代,科学家Lagasse[2]在分析过程中发现了一种沿楔体楔尖传播的导波,将其定义为楔波。此后,科学家们对楔波进行了广泛的研究，取得了很多进展，包括非线性信号处理[34],无损检测[5] ,地质结构的检测,楔波传感器等。在实际的工业生产中,有很多的楔体结构机械工件, 对楔体的无损检测的一个重要应用就是工件磨损情况的检测。基于激光超声技术的众多优点,可以将激光超声技术应用到楔波的研究当中，楔波在此后的无损检测应用中应当会起到非常重要的作用。
因此，系统的对楔波传播特性进行研究是非常必要的，使用时频分析方法分析研究楔波信号，观察其时频谱以获得更多的信号特征，如：模态成分，色散特征等。
1.2国内外研究进展
1.2.1激光超声技术研究进展
激光超声无损检测技术是一门复杂交叉的学科,它包括很多方面的内容：激光激发超声的机理、超声波的传播特性、激发和探测的方法等。国内外学者已经开展了大量的研究工作并在激光超声技术的应用上取得了很多成就。上世纪60年代到80年代期间激光超声应用技术迅猛发展。
20世纪60年代，因为激光技术的快速发展，研究者们将引入到了光声领域。最早是1963年，White[6]提出了用脉冲激光在固体中激发超声的方法，并且演示了固体因为吸收激光脉冲而产生弹性波的实验，他在实验中使用红宝石作为激光器激发，用梳状换能器接收表面波，这标志着激光超声技术的开始。
1976年俄罗斯的Bondarenko[7]等人首先将激光超声技术用于材料试验，将应力波脉冲和Michelson干涉仪结合取得了很好的效果。。1980、1982年Scruby[8]、Dewhurst、Hutchins等[9]对热弹条件下产生的超声波做了定量测量，分别用正交力偶、垂直力偶解释了热弹条件和融蚀条件下的激发现象，可以说奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。自此以后，激光超声向更深入更实用的方向发展。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/1780.html
