小波分析在复合材料声发射信号特征研究中的应用

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1、小波分析在复合材料声发射信号特征研究中的应用小波分析在复合材料声发射信号特征研究中的应用2007年1月小波分析在复合材料声发射信号特征研究中的应用张同华，张慧萍，晏雄(东华大学纺织学院，上海201620)摘要:在综合描述复合材料声发射信号特征和小波变换基本原理的基础上，本文总结了小波变换在声发射信号分析中的研究进展,并重点描述小波变换对复合材料破坏过程中声发射信号的特征提取，时频分析和信号除噪及声源定位方面的研究，提出了d,渡变换在声发射信号分析应用中需要进一步解决的问题.关键词:复合材料;声发射检测;小波变换;时频分析

2、中图分类号:TB5文献标识码:A文章编号:1003—0999(2007)01一0046—031引言声发射检测是对探测到的弹性波信号进行处理和分析，得到材料或结构损伤的相关信息的一种无损检测方法.然而，受材料特性及测试环境等因素的影响,AE波常表现为复杂的含有各种噪声的非平稳随机信号，因此寻找有效的信号分析方法显得尤为重要•对信号波形的分析，傅立叶变换不能同时进行时频域分析,短时傅立叶变换的窗口大小固定不变且与信号的频率无关，不适于对信号进行多尺度分析•小波分析是用一族小波基函数表示或逼近信号,解决了时频分辨力的矛盾•小波

3、分析在复合材料的检测中日益显示出其优势•通过对基函数和分析尺度的合理选择，可以对复合材料的声发射信号进行多尺度分析，有利于分辨材料损伤断裂中的不同信号特征，并除去原始信号中的噪声信号，从而为进一步研究和区分材料中纤维断裂，基体开裂,分层等损伤机理及声源定位提供更准确的处理手段….2小波变换的原理及多分辨分析设函数：戶(警)口,bWR,口工0,其中口为尺度因子仮映函数的尺度;6为平移因子,用于检测小波函数在t轴上的平移位置.对⑴彳三L(R)n(尺)且满足条件c=f(2)式中,()为(t)的傅立叶变换，这样的小波函数称为允许

4、小波・(t)是由⑴式定义的连续收稿日期:2006-03-26作者简介:张同华(1971・),男，博士生.啦嘲小波函数•对于信号f(t)eL(尺),其连续小波变换为：1,+oo?L嘴(口,b)=—I,(t)•(〜t,・0)(3)〜/I口1口其中，口主O,b,t为连续变量;(t)表示⑴的复数共轨•对任何信号函数£)丘(R)和£)的连续的点tER,小波变换可进行重构，基本小波及其傅立叶变换都是窗函数，与时间频率无关•检测高频信息时，时间窗会自动变窄，以便在频率域用较高频率对信号进行细节分析•检测低频信号时，时间窗会自动变宽，以

5、便在频率域用低频对信号进行轮廓分析，这便是小波变换的优势所在.多分辨分析是运用小波分析的思想将原始信号t)eL2(R)分解到(尺)的子空间,Wi中•其中,vj,分别为尺度空间和小波空间，在不同的空间对信号进行分析可找出信号的模式特征，同时也有利于去除信号噪声•小波空问是Vj和+之间的差，即vj+=+・它用于分析逼近+时丢失的信息•通过对信号的多分辨分析，将信号分解到不同的空间，可分离出较高频率信号和较低频率信号J.3小波变换对声发射信号的分析3.1小波分析信号除噪复合材料的破坏存在着多种不同的机制,纤维，基体破坏及界面分

6、离时信号的模式强调及频带范围往往存在着较大的差异•信号由多种模式的波组成，每种模式又是由宽带频率成分的波组成，提取感兴趣的信号是声发射应用的核心技术，也是能否提高和改进声发射检测信号分析的技术瓶颈•由于受到测试环境及测试系统等因素的影响,原始信号中含有大量2007年第1期玻璃钢/复合材料47的噪声信号，给信号的分析带來困难•傅立叶变换无法对信号进行精确分析,只能对主耍的频谱范围进行大致估计•小波变换能够提供一个行之有效的滤波降噪的方法，将信号分解到不同的频带上去,除掉某些含有大量噪声的水平尺度上的细节信号，再对信号进行重

7、构，可得到除噪后的检测信号.Chfistim〜U.Grosse运用离散小波变换对声发射信号进行r七尺度分解和分类,容易分辨出细节系数d,d:包含类似白噪信号,并利用设置门槛值予以除掉・cgQ运用Daubechies小波对玻璃纤维增强交叉铺层层合板复合材料在拉仲破损过程中的声发射信号进行了十一尺度水平分解，并取第六，第十，第十一尺度水平信号作为噪声信号予以除掉，选取持续时间最长的第七水平，最短的第九水平和介于两者之间的第八水平尺度信号作为分析对象，并且这3个尺度水平的信号频率及信号强度都可以明显的区分,然后对3种信号进行频

8、率能量分析予以模式识别.3.2小波变换对信号的时频分析复合材料破坏过程中材料不同形式的损伤形式声发射信号波的模式，信号的频带范围及强度往往不同•时频能量分析可以对声发射源进行定性，定量和定位的分析•检测中声发射源的定位问题尤为重要，而声源发出的信号在固体材料中传播时，声波会发生形态变化和模式转化，在信号中分离出AE信