时频分析在超声导波检测信号分析中的应用new

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1、时频分析在超声导波检测信号分析中的应用周正干1冯占英1,2朱譞11.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083；2.天津军事交通学院，天津，300161摘要：超声导波信号具有频散现象，属于非平稳动态信号。传统的时域和频域分析方法不能分析信号频谱随时间的变化情况。为了解决这一问题，确定使用STFT（ShortTimeFourierTransform）对导波信号在时频域联合分析。首先从理论上研究了导波信号非平稳特征，介绍了STFT时频分析原理，然后分别对铝板试样和蜂窝板试样内的导波信号进行了STFT变换和时

2、频谱分析。分析结果表明，当传播距离比较远时，利用STFT变换可有效克服时域分析的不足，可以对导波信号进行动态的频谱分析和模式识别，同时可对实际的群速度进行较精确的测量。关键词：导波；频散；STFT；时频分析中图分类号：TG115.285文献标识码：A文章编号：ApplicationofTime-frequencyAnalysisontheUltrasonicGuidedWavesInspectionSignalZhouZhenggan1,FengZhanying1,2,ZhuXuan11SchoolofMechan

3、icalEngineeringandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing1000832TianjinMilitaryTransportationInstitute,Tianjin,300161Abstract:Ultrasonicguidedwavesarecharacterizedbydisperse,whicharenon-stationarysignals.Thefrequencyspectrumvariationca

4、nnotbetracedwithtraditionalmethodsrespectivelyintimedomainandfrequencydomain.STFT(ShortTimeFrequencyTransform)werepresentedtosolvethisproblem.Thenon-stationarycharacteristicsofguidedwaveswasfirststudied,theSTFTtheorywassubsequentlystated,thenSTFTandtime-freque

5、ncyanalysiswerediscussedabouttheguidedwavessignalpropagatinginAluminumplatesandhoneycombstructureplates.TheresulttestifiesthattheSTFTcanovercometheshortcomingofanalysisintimedomain.Notonlythefrequencyspectrumanalysisandmodeidentificationcanbedynamicallydone,bu

6、talsothegroupvelocitycanbemeasuredmoreaccurately.KeyWords:Guidedwaves;Disperse;STFT;Time-frequencyAnalysis1引言超声导波检测作为一种高效的无损检测手段，在大型板壳的缺陷检测中有很好的应用前景。但是，导波信号是一种非平稳信号，且存在频散现象。这样，由于普通探伤仪的激发信号是脉冲信号，频谱比较宽，所以从普通探伤仪激发出的导波通常至少包含有两种模式，当传播距离不远时，这些模式在时域内通常会混叠在一起，难于分辨。另外，

7、当遇到边界和缺陷时，导波信号会发生模态转换，信号频率成分发生变化。所以，导波信号的频谱是时间的函数，对导波信号进行时频分析非常必要。对导波信号进行时频分析的方法有二维FFT[1]、Wigner-ville变换[2]、Hibert-Huang变换[3]、小波变换[4]和短时傅立叶变换（STFT）[5]等。二维FFT能确定各个传播模式的幅度，但它不能在时频域内同时分析，会出现假频现象。Wigner-ville变换可以避免假频现象的发生，能够分辨出缺陷散射波，但计算起来相当复杂。Hibert-Huang变换计算群速度的精

8、度较低。小波变换在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，但应用起来比较复杂。STFT变换克服了傅立叶变换不具备局部分析的缺点，且易于实现，在一定的范围内对导波信号可进行有效的时频分析。针对大型薄板和蜂窝板中的导波信号，采用STFT变换方法对导波信号进行时频分析，对导波的频谱变化做了详细的研究。2导波信号特征分析超声波信号是瞬态信号，每个激发脉冲到来后，在传