【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的特征。第三章主要介紹聲源定位的方法，提出一種簡(jiǎn)單的聲源定位方法，分別通過(guò)對(duì)聲源的方向和距離的確定來(lái)確定聲源位置，并對(duì)聲源定位中產(chǎn)生的誤差做出分析。第四章為工作總結(jié)及展望。總結(jié)本文的主要工作，指出了本文存在的不足的地方和今后可以進(jìn)行改進(jìn)的方向。 2 基于小波變換的聲發(fā)射信號(hào)分析 聲發(fā)射原理概述 聲發(fā)射信號(hào)的特征通常聲發(fā)射信號(hào)指的是物體在受到形變或外力作用時(shí)，因迅速釋放彈性能而產(chǎn)生的瞬間應(yīng)力波，因此大多數(shù)聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域中具有瞬態(tài)性。聲發(fā)射信號(hào)是由多模式波組成，而每種模式又是由寬帶頻率成分的波組成。因此頻譜多模態(tài)性是聲發(fā)射信號(hào)的另一個(gè)特點(diǎn)。聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)的時(shí)間相當(dāng)短，大約為幾十毫秒到幾百毫秒。材料中彈性能卸載的時(shí)間決定了聲發(fā)射信號(hào)的頻譜。卸載時(shí)間越短，能量釋放越快，聲發(fā)射信號(hào)的頻率越高。不同材料和不同聲發(fā)射產(chǎn)生形式，聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍不一樣，可從次聲直到數(shù)十MHz的超聲信號(hào)，幅度范圍可從幾微伏到上百伏。對(duì)于單個(gè)聲發(fā)射事件，同一時(shí)刻可能出現(xiàn)幾個(gè)不同頻率信號(hào)疊加的情況，這是由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在受力時(shí)復(fù)雜變化導(dǎo)致的結(jié)果。由于在實(shí)際應(yīng)用中低頻信號(hào)易受環(huán)境噪聲的干擾，高頻信號(hào)在傳播中又衰減強(qiáng)烈，所以，在絕大多數(shù)聲發(fā)射檢測(cè)中，主要頻率段大概在100400kHz。 聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù) 聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化波形參數(shù)定義參數(shù)分析是目前分析聲發(fā)射信號(hào)比較常用的方法。它是波形方法的簡(jiǎn)述，根據(jù)波形提取幾個(gè)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以多個(gè)簡(jiǎn)化的波形特征參數(shù)來(lái)表示聲發(fā)射信號(hào)的特征，然后對(duì)其進(jìn)行分析和處理。常用的參數(shù)有振鈴數(shù)、撞擊數(shù)、能量、事件、上升時(shí)間和脈沖持續(xù)時(shí)間等。 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)參數(shù)含義特點(diǎn)與用途波擊和波擊計(jì)數(shù)超過(guò)閾值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱(chēng)為一個(gè)波擊,可分為總計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)率反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度,常用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)事件計(jì)數(shù)由一個(gè)或幾個(gè)波擊鑒別所得聲發(fā)射事件的個(gè)數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)率。反映聲發(fā)射事件的總量和頻度，用于源的活動(dòng)性和定位集中度評(píng)價(jià)振鈴計(jì)數(shù)越過(guò)門(mén)檻信號(hào)的振蕩次數(shù)，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率粗略反映信號(hào)強(qiáng)度和頻度，廣泛用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)，但甚受門(mén)檻的影響幅度事件信號(hào)波形的最大振幅值，通常用dB表示直接決定事件的可測(cè)性，常用于波源的類(lèi)型鑒別，強(qiáng)度及衰減的測(cè)量能量計(jì)數(shù)（MARSE）事件信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，可分為總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度，可取代振鈴計(jì)數(shù)，也用于波源的類(lèi)型鑒別持續(xù)時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻到最終降至門(mén)檻所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，用us表示與振鈴計(jì)數(shù)十分相似，但常用于特殊波源類(lèi)型和噪聲鑒別上升時(shí)間事件信號(hào)第一次越過(guò)門(mén)檻到最大振幅所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，用us表示因甚受傳播的影響而其物理意義變得不明確，有時(shí)用于機(jī)電噪聲鑒別有效值電壓（RMS）采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均方根值，以V表示與AE的大小有關(guān)。不受門(mén)檻的影響，主要用于連續(xù)型AE活動(dòng)性評(píng)價(jià)平均信號(hào)電平（ASL）采樣時(shí)間內(nèi)信號(hào)電平的均值，以DB表示對(duì)幅度動(dòng)態(tài)范圍要求高而時(shí)間分辨率要求不高的連續(xù)型信號(hào)，尤為有用。也用于背景噪聲水平的測(cè)量時(shí)差同一個(gè)聲發(fā)射波到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，以US表示決定于波源的位置，傳感器間距和傳播速度，用于波源的位置計(jì)算外變量試驗(yàn)過(guò)程外加變量，包括經(jīng)歷時(shí)間，載荷，位移，溫度及疲勞周次不屬于信號(hào)參數(shù)，但屬于波擊信號(hào)參數(shù)的數(shù)據(jù)集，用于聲發(fā)射信號(hào)的活動(dòng)性分析由上表可知，可以通過(guò)提取聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)來(lái)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，并通過(guò)分析聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間來(lái)對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位，從而達(dá)到定位的目的。 小波變換的定義對(duì)于任意平方可積的函數(shù) ,其傅里葉變換為 ,若 滿足 （）則稱(chēng)為小波基函數(shù),將小波基函數(shù)進(jìn)行伸縮和平移后得到一個(gè)小波序列 a,bR a0 （）式中　a ———尺度因子b ———時(shí)間因子對(duì)于任意平方可積的函數(shù)f ( t) ∈L 2 ( R) ,其連續(xù)小波變換的定義為 ()若對(duì)式() 中的尺度因子a 和時(shí)間因子b 進(jìn)行離散化,即取a = ( a0 1) , b = nb0 ( b0 ∈R 。 m , n∈Z) ,則可定義函數(shù)f ( t ) 的離散小波變換,為了便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算,尺度因子a 通常取2 。 小波變換的時(shí)頻局部分析 小波變換對(duì)信號(hào)的頻域分析令小波基函數(shù) 的頻譜函數(shù)為 ,根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì), 小波序列 的頻譜函數(shù)為。由此可見(jiàn),時(shí)間因子b 只是改變信號(hào)在頻域的相位,而尺度因子a 則對(duì)信號(hào)起著頻限的作用:信號(hào)被分成不同的頻帶成分,尺度因子越大，頻率越小，頻帶越窄。 ,其中,A 表示信號(hào)的低頻信息, D 表示信號(hào)的高頻信息。假定用采樣率2 f s 對(duì)信號(hào)f ( t) 進(jìn)行j 尺度小波分析,則 （）其中A j 的頻帶范圍是[0 ] , Di 的頻帶范圍是[ 　 ] ,1 ≤i ≤j 。f(t)D1AtD2A2DjAj 小波變換對(duì)信號(hào)的頻帶分解圖 　小波變換對(duì)信號(hào)的時(shí)頻分析式() 表明小波序列函數(shù)可以看作一系列窗函數(shù)，在b 時(shí)間點(diǎn)對(duì)f ( t) 進(jìn)行局部分析。設(shè)小波基函數(shù) 的中心為t*, 時(shí)窗寬為2Δt , 則式() 是在如下的時(shí)間窗內(nèi)對(duì)f ( t) 進(jìn)行時(shí)域局部分析[ at*+ b aΔt , at*+ b + aΔt ] ()　　類(lèi)似的令小波基函數(shù) 的頻譜函數(shù)的中心頻率為w*, 頻帶寬2Δw , 則根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì),與式() 時(shí)間窗對(duì)應(yīng)的頻窗為[ w*/ a Δw/ a , w*/ a +Δw/ a ] ()　　對(duì)于較小的尺度a ，對(duì)應(yīng)的是高頻信號(hào)，根據(jù)式() 和式() 可知，小波變換對(duì)函數(shù)f ( t ) 的局部分析在時(shí)域采用較小的時(shí)窗,而在頻域采用較大的頻窗；對(duì)于較大的尺度a 所對(duì)應(yīng)的低頻信號(hào)的分析則剛好相反。正是因?yàn)樾〔ê瘮?shù)具有可變的時(shí)窗和頻窗,使得小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化特性，對(duì)于含有瞬態(tài)變化的信號(hào)具有很好的分析能力。 聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)提取 小波基和小波尺度的選擇對(duì)聲發(fā)射信號(hào)作小波變換處理，小波基函數(shù)的選擇非常重要，其適當(dāng)與否將直接關(guān)系到信號(hào)處理效果的好壞以及特征信號(hào)提取的成敗?；瘮?shù)的選擇要考慮以下幾個(gè)性質(zhì)：正交性：具有正交性的小波基的小波變換可以采用Mallat快速算法。緊支性：小波基應(yīng)具有時(shí)、頻域緊支性，即具有良好的時(shí)、頻域局部特性。緊支寬度越窄，局部特性越好。對(duì)稱(chēng)性：對(duì)稱(chēng)的小波基可以避免信號(hào)小波變換的分解和重構(gòu)過(guò)程對(duì)信號(hào)產(chǎn)生畸變。消失矩：具有消失矩的小波基能將信號(hào)能量相對(duì)集中在少數(shù)幾個(gè)小波系數(shù)里，它對(duì)檢測(cè)信號(hào)的奇異性以及信號(hào)與噪聲的分離都具有作用。常用的小波基函數(shù)有Haar小波、Daubechies(dbN)小波、Mexican Hat(mexh)小波、Symlet(symN)小波等，將其特點(diǎn)歸納如下 ：Haar小波：該小波具有正交性和對(duì)稱(chēng)性。時(shí)域中有緊支性，頻域中沒(méi)有，只具有0消失矩，一階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)；Daubechies(dbN)小波：該小波具有正交性。在時(shí)域和頻域都是有限緊支，沒(méi)有解析式，在實(shí)施中不需要對(duì)小波進(jìn)行人為地切斷，具有計(jì)算快、精度高等特點(diǎn)。其消失矩為N，簡(jiǎn)稱(chēng)為dbN；Mexican Hat(mexh)小波：這是著名的墨西哥帽子小波，它沒(méi)有正交性，但有對(duì)稱(chēng)性。1階消失矩，任意階導(dǎo)數(shù)連續(xù)；Symlet(symN)小波：該小波具有正交性和近似對(duì)稱(chēng)性。在時(shí)域和頻域都是有限緊支，具有N 階消失矩。經(jīng)過(guò)以上分析，可以認(rèn)為Daubeehies(dbN)小波和Symlet(symN)小波是較適于聲發(fā)射信號(hào)的分析處理。本文采用Daubeehies(dbN)小波來(lái)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析處理。在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波變換時(shí)，分解級(jí)數(shù)不是盲目選擇的，而是與信號(hào)的采樣長(zhǎng)度有直接的關(guān)系，尺度的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際信號(hào)的分析需要，這樣聲發(fā)射信號(hào)小波變換的每個(gè)分解尺度才具有明確的物理意義，在此基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)的特征分析才具有意義。尺度越大,頻率劃分得越細(xì),但是計(jì)算量也相應(yīng)增加。只有選擇合適的小波基函數(shù)和小波尺度,小波變換信號(hào)分析的優(yōu)越性才能得以實(shí)現(xiàn)。 用小波分析實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)信噪分離小波用于聲發(fā)射信號(hào)除噪的原理是把帶有噪聲的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波分解，由于聲發(fā)射信號(hào)與噪聲在小波變換下的行為各不相同，二者可以被分離出來(lái)；把那些屬于噪聲的小波系數(shù)置為零，剩余的部分進(jìn)行小波重構(gòu)得到?jīng)]有噪聲的聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射信號(hào)信噪分離可以采用兩種途徑：一是在了解聲發(fā)射信號(hào)中所關(guān)心的頻率成分的情況下，通過(guò)小波分解，只保留所關(guān)心的頻帶的小波變換結(jié)果，將其它頻道的變換結(jié)果置零，然后重新合成信號(hào)；二是在了解聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中噪聲成分頻率范圍的情況下，可以通過(guò)將噪聲成分所在的頻道的小波變換系數(shù)置零，然后重新合成信號(hào)，去除噪聲。這兩種信噪分離途徑，具體本質(zhì)上的一致性。但二者所要求的對(duì)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)不同。途徑一要求了解有用聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍。途徑二要求了解信號(hào)噪聲的先驗(yàn)知識(shí)。，其中有類(lèi)似白噪聲的噪聲信號(hào)。Fd為用小波去噪后的重構(gòu)信號(hào)。結(jié)合對(duì)聲發(fā)射信號(hào)機(jī)制的了解與頻譜分析結(jié)果可知聲發(fā)射信號(hào)的頻譜主要分布在100–400kHz,經(jīng)過(guò)小波分解，可以發(fā)現(xiàn)第3和第4級(jí)信號(hào)是信號(hào)的主頻帶，可以用這兩級(jí)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，去除其它頻帶的低頻和高頻噪聲。 小波變換用于聲發(fā)射波波達(dá)時(shí)間的提取 傳統(tǒng)的聲發(fā)射定位中常采用門(mén)檻跨越技術(shù)，其困難之處在于，由于聲發(fā)射波的頻散現(xiàn)象使其波形改變，當(dāng)傳感器距離增大時(shí)，會(huì)引起相當(dāng)大的誤差，這意味著不是在波形的同一相位點(diǎn)上跨越門(mén)檻。而采用波形分析技術(shù)，雖然有可能減小誤差。但由于分析的聲發(fā)射波仍然是不同特性波的混合，其考慮的只是某種波(彎曲波或擴(kuò)展波)占主導(dǎo)，因此仍存在較大的誤差。聲發(fā)射波包含擴(kuò)展波和彎曲波。在聲發(fā)射信號(hào)傳播過(guò)程中，高頻擴(kuò)展波傳播速度較快。彎曲波較慢，先行到達(dá)的波頻率較高，后到達(dá)的波頻率較低 。因此，用小波分析的方法提取聲發(fā)射信號(hào)中的某一頻率的聲發(fā)射波隨時(shí)間變化的規(guī)律，這個(gè)分離信號(hào)的最大幅值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是該頻率聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間，根據(jù)這個(gè)到達(dá)時(shí)間和實(shí)測(cè)出的波速進(jìn)行聲發(fā)射源定位。用上述方法能有效減小聲發(fā)射源定位的誤差，提高定位精度。 為了比較定位效果，在平面內(nèi)設(shè)置三個(gè)傳感器（m1，m2，m3），并產(chǎn)生模擬的聲 聲發(fā)射信號(hào)小波分解各尺度的重構(gòu)波形及去噪后的重構(gòu)波形發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射儀采集了三個(gè)傳感器接收到聲發(fā)射信號(hào)，、。對(duì)這三個(gè)波形信號(hào)進(jìn)行小波分析得到時(shí)間、頻率和幅值的分布。有了各個(gè)時(shí)間和頻率的幅度值，可以提取任何一頻率下的聲發(fā)射波隨時(shí)間的幅度變化值，、。幅度的最大值就是給定頻率下的聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間。有了三個(gè)傳感器的到達(dá)時(shí)間就能確定時(shí)間差，有了時(shí)差、波速以及三個(gè)傳感器的幾何位置尺寸， 就可以利用時(shí)差定位原理計(jì)算出聲發(fā)射源的位置。 傳感器m1的波形 m1波形信號(hào)在100kHz小波變換后的幅值隨時(shí)間變化關(guān)系 傳感器m2的波形 m2波形信號(hào)在100kHz小波變換后的幅值隨時(shí)間變化關(guān)系 傳感器m3的波形 m3波形信號(hào)在100kHz小波變換后的幅值隨時(shí)間變化關(guān)系。通過(guò)傳感器的采集聲發(fā)射源發(fā)射的聲發(fā)射信號(hào)后，利用小波db4進(jìn)行分解，可得到聲發(fā)射波的波達(dá)時(shí)間，然后根據(jù)時(shí)間差對(duì)聲源定位。 聲發(fā)射源的精確坐標(biāo)序列x/cmy/cm123456789 在小波變換下時(shí)差t和定位結(jié)果序號(hào)t/usx/cm123456789 用傳統(tǒng)方法得出的