CN109212040A - Lamb波时频脊线分析走时提取方法 - Google Patents

Lamb波时频脊线分析走时提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种Lamb波时频脊线分析走时提取方法，包括以下步骤：根据被检测物体的材料和厚度获取Lamb波激励参数；设置Lamb波发射换能器和Lamb波接收换能器；通过脉冲激励装置生成激励信号；对Lamb波接收信号进行放大和滤波处理，并存储波形数据；对处理后的信号进行短时傅里叶变换，获取谱图；获取谱图的峰值脊点；在峰值脊点两侧确立脊点；判断波包所有离散采样时间的脊点是否均已获取；若是，则将每个离散采样时间点的脊点进行拟合，建立Lamb波时频分析脊线，否则重新确立脊点；根据Lamb波时频分析脊线获取到Lamb波的走时数据。该方法有效提高Lamb波走时提取精度，并进一步改善Lamb波成像效果。

Description

Lamb波时频脊线分析走时提取方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种Lamb波时频脊线分析走时提取方法。
背景技术
超声Lamb波成像是一种重要的无损检测技术，Lamb波检测技术在继承了传统体波检测技术指向性好、效率高等优点的同时，还具有检测距离远且能同时检测物体上下表面和内部不同深度的缺陷等优势。在利用Lamb波进行检测时，需要获取缺陷的准确形状、分布情况等特征信息，Lamb波成像技术提供了可行方案。Lamb波成像技术需要从Lamb波中提取投影信息，较为常用的是走时信息，即Lamb波传播所用的时间，反映了传播距离，从而可以对缺陷进行定位以及进一步地成像。因此，走时信息的准确与否决定了Lamb波成像的准确程度，但是Lamb波固有的频散和多模特性对走时提取带来了一定的挑战。
在相关技术中，用于Lamb波走时提取的方法有基于小波神经网络的算法以及希尔伯特黄变换算法。前者需要进行大量的前期实验以获得训练样本，且计算效率低从而难以应用，后者基于时域波形的峰值进行走时提取，难免受到噪音等影响从而引入较大的误差。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种Lamb波时频脊线分析走时提取方法，该方法原理更加明确，准确度更高，同时更加简单便捷，有效提高Lamb波走时提取精度，有效改善Lamb波成像效果。
为达到上述目的，本发明一方面提出了一种Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，包括以下步骤：根据被检测物体的材料和厚度获取Lamb波激励参数；在所述被检测物体上设置Lamb波发射换能器和Lamb波接收换能器；通过脉冲激励装置在所述Lamb波发射换能器中生成所述Lamb波激励参数的激励信号；对所述Lamb波接收换能器接收的信号进行放大和滤波处理，并存储波形数据；对处理过后的Lamb波接收信号进行短时傅里叶变换，并获取谱图；获取所述谱图的峰值脊点；在所述峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点；判断波包所有离散采样时间的所述脊点是否均已获取；如果均已获取，则将每个离散采样时间点的脊点进行拟合，建立Lamb波时频分析脊线，否则在所述峰值脊点的相邻两侧重新确立脊点；以及提取所述Lamb波时频分析脊线中激励频率对应的时间，并获取到Lamb波的走时数据。
本发明实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，通过对Lamb波接收数据进行时频分析求取谱图，并进一步在谱图中建立时频脊线，从而在脊线提取Lamb波走时，使得原理更加明确，准确度更高，同时更加简单便捷，有效提高Lamb波走时提取精度，有效改善Lamb波成像效果。
另外，根据本发明上述实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Lamb波激励参数包括脉冲激励电压和激励频率。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Lamb波发射换能器和所述Lamb波接收换能器均采用电磁超声换能器，其中，换能器由曲折线圈和永磁体构成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述曲折线圈的线圈间距为所述Lamb波的波长的一半。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述谱图的计算公式为：
Sx(t,ω)＝|STFT(t,ω)|2，
其中，STFT(t,ω)为信号的短时傅里叶变换后的信号，Sx(t,ω)为信号的谱图。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对接收信号x(n),n＝1,2,…,M采用的短时傅里叶变换利用其离散形式，公式为：
其中，g(n)为短时傅里叶变换采用的窗函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取所述峰值脊点的计算公式为：
(tF,ωF)＝argmaxSx(t,ω)，
其中，(tF,ωF)为谱图中能量密度最大的点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述在所述峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点，进一步包括：
在所述峰值脊点右侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm+1,ωm+1)中tm+1为采样时刻点的下一时刻，ωm+1满足：
在所述峰值脊点左侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm-1,ωm-1)中tm-1为采样时刻点的上一时刻，ωm-1满足：
其中，m为正整数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，采用最小二乘拟合方法建立时频分析脊线，所述脊线的计算公式为：
进一步地，在本发明的一个实施例中，Lamb波的走时提取数据TOC为时频分析脊线上激励频率对应的时间，计算公式为：
ω(TOC)＝ωc，
其中，ωc＝2πfc，fc为激励频率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法的具体实施流程图；
图3为根据本发明一个实施例的时频脊线分析走时提取结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的Lamb波时频脊线分析走时提取方法进行描述。
图1是本发明一个实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法的流程图。
如图1所示，该Lamb波时频脊线分析走时提取方法包括以下步骤：
在步骤S1中，根据被检测物体的材料和厚度获取Lamb波激励参数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，Lamb波激励参数可以包括脉冲激励电压和激励频率。
例如，被检测物体可以为一件钢板，材料为钢，厚度为1～15mm。要产生低阶对称模态(S0)的Lamb波，依据Lamb波的频散曲线，选择需要的激励频率fc为250kHz。
在步骤S2中，在被检测物体上设置Lamb波发射换能器和Lamb波接收换能器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，Lamb波发射换能器和Lamb波接收换能器均采用电磁超声换能器，其中，换能器由曲折线圈和永磁体构成，曲折线圈的线圈间距为Lamb波的波长的一半。
在步骤S3中，通过脉冲激励装置在Lamb波发射换能器中生成Lamb波激励参数的激励信号。
具体而言，在步骤S2之后，本发明实施例还可以用射频功率放大器连接发射换能器的线圈，放大器产生猝发音信号电流流过线圈。
在步骤S4中，对Lamb波接收换能器接收的信号进行放大和滤波处理，并存储波形数据。
可理解的是，根据上述步骤S3，再采用高阶带通滤波器对信号进行滤波，将处理后的信号用采集卡采集起来，并用计算机将波形数据存储，其中，滤波器的中心频率与激励频率保持一致为250KHz。
在步骤S5中，对处理过后的Lamb波接收信号进行短时傅里叶变换，并获取谱图。
进一步地，在本发明的一个实施例中，对接收信号x(n),n＝1,2,…,M采用的短时傅里叶变换利用其离散形式，公式为：
其中，g(n)为短时傅里叶变换采用的窗函数。
进一步地，在本发明的一个实施例中，谱图的计算公式为：
Sx(t,ω)＝|STFT(t,ω)|2，
其中，STFT(t,ω)为信号的短时傅里叶变换，Sx(t,ω)为信号的谱图。
在步骤S6中，获取谱图的峰值脊点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取峰值脊的点计算公式为：
(tF,ωF)＝argmaxSx(t,ω)，
其中，(tF,ωF)为谱图中能量密度最大的点。
在步骤S7中，在峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点，还包括：
在峰值脊点右侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm+1,ωm+1)中tm+1为采样时刻点的下一时刻，ωm+1满足：
在峰值脊点左侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm-1,ωm-1)中tm-1为采样时刻点的上一时刻，ωm-1满足：
其中，m为正整数。
需要知道的是，脊点可以理解为谱图中能量密度下降最快的点。
在步骤S8中，判断波包所有离散采样时间的脊点是否均已获取。
在步骤S9中，如果均已获取，则将每个离散采样时间点的脊点进行拟合，建立Lamb波时频分析脊线，否则在峰值脊点的相邻两侧重新确立脊点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，利用所有的脊点(tm,ωm)，采用最小二乘拟合方法建立时频分析脊线，脊线ω(t)的计算公式为：
在步骤S10中，提取Lamb波时频分析脊线中激励频率对应的时间，并获取到Lamb波的走时数据。
进一步地，在本发明的一个实施例中，Lamb波的走时提取数据TOC为时频分析脊线上激励频率对应的时间，计算公式为：
ω(TOC)＝ωc，
其中，ωc＝2πfc，fc为激励频率。
简言之，如图2所示，判断峰值两侧已经确立的脊点是否均已求得，如果脊点均求得，那么就将求得的所有脊点建成时频分析脊线，再将脊线中的激励频率所对应的时间提取出来即Lamb波的走时数据；如果脊点未全部求得，那么就继续确立脊点，直至将所有脊点全部求得，再获取Lamb波的走时数据。
下面对本发明Lamb波时频脊线分析走时提取方法的原理以举例形式进行详细赘述。
步骤1：在一块厚度为4mm长度为2m的钢板上做Lamb波实验，选择激发S0模态导波，激励频率为250kHz。
步骤2：在钢板左侧布置一个Lamb波发射换能器，在相距200mm和800mm的位置分别布置一个Lamb波接收换能器。换能器由曲折线圈和永磁体构成，曲折线圈流过交流电流，产生动态磁场，永磁体提供静态磁场。
步骤3：射频功率放大器连接发射换能器的线圈，放大器产生猝发音信号电流流过线圈，信号周期数为5，频率为250kHz。
步骤4：采用四阶带通滤波器对信号进行滤波，滤波器的中心频率与激励频率保持一致，为250KHz。将处理过后的信号采用采集卡采集，并用计算机存储。
步骤5：对接收Lamb波数据x(n),n＝1,2,…,M采用的短时傅里叶变换利用其离散形式，具体为：
其中，M＝16384为采样数据长度，g(n)为短时傅里叶变换采用的窗函数，使用Hamming窗，其时间宽度为128。
进一步地，求得信号谱图为：Sx(t,ω)＝|STFT(tm,ωk)|2。
步骤6：求取峰值脊点，即谱图中能量密度最大的点(tF,ωF)。计算峰值脊点的方法为(tF,ωF)＝argminSx(t,ω)。
步骤7：峰值脊点的两侧依次确立脊点(tm,ωm)，脊点为谱图中能量密度下降最快的点。在峰值脊点两侧确立脊点的方法是，在峰值脊点右侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm+1,ωm+1)中tm+1为采样时刻点的下一时刻，ωm+1满足：
在峰值脊点左侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm-1,ωm-1)中tm-1为采样时刻点的上一时刻，ωm-1满足：
步骤8：判断波包所有离散采样时间的脊点是否均已求得，若是，则进行步骤9；若不是，则继续利用步骤7进行脊点计算。
步骤9：利用所有的脊点(tm,ωm)，采用最小二乘拟合方法建立Lamb波时频分析脊线ω(t)，具体计算方法为：
步骤10：提取时频分析脊线中激励频率对应的时间。Lamb的走时提取数据TOC为时频分析脊线上激励频率fc对应的时间：ω(TOC)＝ωc，其中，ωc＝2πfc。
如图3所示为本实施例的结果，从发射换能器处传播到200mm处的接收换能器的直达Lamb波的走时提取为49.63μs，从发射换能器处传播到800mm处的接收换能器的直达Lamb波的走时提取为168.612μs，从而Lamb波200mm到800mm的传播用时为118.982μs，理论时间为116.64μs，计算可得相对误差为2.01％。
本发明实施例的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，通过对Lamb波接收数据进行时频分析求取谱图，并进一步在谱图中建立时频脊线，从而在脊线提取Lamb波走时，使得原理更加明确，准确度更高，同时更加简单便捷，有效提高Lamb波走时提取精度，有效改善Lamb波成像效果。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据被检测物体的材料和厚度获取Lamb波激励参数；
在所述被检测物体上设置Lamb波发射换能器和Lamb波接收换能器；
通过脉冲激励装置在所述Lamb波发射换能器中生成所述Lamb波激励参数的激励信号；
对所述Lamb波接收换能器接收的信号进行放大和滤波处理，并存储波形数据；
对处理过后的Lamb波接收信号进行短时傅里叶变换，并获取谱图；
获取所述谱图的峰值脊点；
在所述峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点；
判断波包所有离散采样时间的所述脊点是否均已获取；
如果均已获取，则将每个离散采样时间点的脊点进行拟合，建立Lamb波时频分析脊线，否则在所述峰值脊点的相邻两侧重新确立脊点；以及
提取所述Lamb波时频分析脊线中激励频率对应的时间，并获取到Lamb波的走时数据。
2.根据权利要求1所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，所述Lamb波激励参数包括脉冲激励电压和激励频率。
3.根据权利要求1所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，所述Lamb波发射换能器和所述Lamb波接收换能器均采用电磁超声换能器，其中，换能器由曲折线圈和永磁体构成。
4.根据权利要求3所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，所述曲折线圈的线圈间距为所述Lamb波的波长的一半。
5.根据权利要求1所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，所述谱图的计算公式为：
Sx(t,ω)＝|STFT(t,ω)|2，
其中，STFT(t,ω)为信号的短时傅里叶变换，Sx(t,ω)为信号的谱图。
6.根据权利要求1所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，对接收信号x(n),n＝1,2,…,M采用的短时傅里叶变换利用其离散形式，公式为：
其中，g(n)为短时傅里叶变换采用的窗函数。
7.根据权利要求5所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，获取所述峰值脊点的计算公式为：
(tF,ωF)＝argmaxSx(t,ω)，
其中，(tF,ωF)为谱图中能量密度最大的点。
8.根据权利要求5所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，所述在所述峰值脊点的相邻两侧分别确立脊点，进一步包括：
在所述峰值脊点右侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm+1,ωm+1)中tm+1为采样时刻点的下一时刻，ωm+1满足：
在所述峰值脊点左侧，若前一脊点为(tm,ωm)，则后一脊点(tm-1,ωm-1)中tm-1为采样时刻点的上一时刻，ωm-1满足：
其中，m为正整数。
9.根据权利要求8所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，采用最小二乘拟合方法建立时频分析脊线，所述脊线的计算公式为：
10.根据权利要求1所述的Lamb波时频脊线分析走时提取方法，其特征在于，Lamb波的走时提取数据TOC为时频分析脊线上激励频率对应的时间，计算公式为：
ω(TOC)＝ωc，
其中，ωc＝2πfc，fc为激励频率。
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