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基于小波包變換的復合材料聲發射信號互相關分析和時延探究論文
引 言
隨著大量新型無人機裝備陸續研制和裝備部隊，對無人機機體大量使用的復合材料結構進行缺陷檢測，是當前無人機部隊技術保障中的技術難題。在復合材料的制造和使用過程中，不可避免地產生脫膠、減薄、變質、分層、孔洞等各種缺陷，大大影響結構的強度，還有可能造成災難性的后果。由于聲發射技術具有全面、準確和快速等特點，在航空領域，歐美等發達國家不但在飛機的研制過程中應用聲發射技術進行飛機材料、零部件及整機疲勞損傷的研究。
本文通過小波包對無人機復合材料的的聲發射信號進行濾波處理，然后進行相關分析，進而通過時差法定位出聲發射源的位置。
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對信號進行分解，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，并對信號的特征進行準確的重構。這些小波包可以對給定信號進行多種分析和解釋。
綜合考慮小波基函數的性質和超聲回波信號的特點，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。根據聲發射信號的特點，本文選取在時域和頻域都具有較好正則性的Meyer小波對聲發射信號進行分析和處理。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
利用互相關分析，找到小波包處理后信號互相關系數最大值對應時刻，就可以確定2個或多個傳感器接收到信號的時差，進而利用時差法定位出聲發射源的位置。將互相關系數曲線峰值所對應的橫坐標與采樣點數相減，再乘以采樣間隔時間就得到了2個信號的時間延遲。
因為實測聲發射信號中含有大量噪聲信號，所以需要進行去噪處理。本文利用小波包變換對信號進行分解后，找到有意義的頻段進行重構;利用互相關分析重構后信號，確定傳感器接收到信號的時差，再利用時延估計進行聲發射源定位。
2 試驗驗證
本試驗采用的斷鉛聲發射源是在玻璃纖維蒙皮試件上以規格為25mm×Φ0.5mm的鉛芯與試件平面成30°折斷時發出的信號作為標準聲發射源。試件尺寸為250mm×150mm×15mm，結構為“蒙皮—蜂窩結構—蒙皮”，本試驗在蒙皮表面完成，蒙皮內部為正交鋪設的層合板，波速采用板波中的S0波進行標定，標定波速為2600m/s。試驗采用DS2系列全信息聲發射信號分析儀，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個點進行試驗，每個點重復20次采集數據。由于實驗點與傳感器的夾角在27°~63°之間，在此角度范圍內波聲速變化不大(最大為150m/s)，故而標定波速為2600m/s。
3 結 論
本文采用小波包和互相關分析，實現了無人機復合材料聲發射信號的時延估計，推動了準確反演聲發射源方法。通過無人機復合材料的聲發射試驗驗證，表明該方法能夠提供準確的聲發射源定位，若要進一步提高聲發射源的定位精度，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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