HHT在薄板超聲Lamb波檢測中的應用

廣東海洋大學寸金學院 孟慶愿 鄭 芬

HHT在薄板超聲Lamb波檢測中的應用

廣東海洋大學寸金學院 孟慶愿 鄭 芬

超聲Lamb波可用來對薄板狀結構中的缺陷進行檢測。Lamb波在薄板中傳播時，存在多模態的現象，屬于非線性、非穩態信號，在提取反應缺陷的特征參數時，需要一種合適的信號處理方法。本文首先介紹了希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform，簡稱HHT)，該方法作為一種自適應的方法，能對非線性、非穩態信號進行處理。然后，針對無缺陷和有缺陷的鋁板進行超聲Lamb檢測，最后將檢測到的信號分別進行HHT變換。實驗結果表明，HHT應用于薄板超聲Lamb波的檢測，可以實現薄板缺陷的識別。

HHT；Lamb波；薄板；無損檢測

研究薄板缺陷檢測技術具有非常重要的意義。薄板缺陷健康監測技術在許多工業領域如航空航天、車輛工程、土木工程、生物醫療等工程應用中有非常重要的作用。這類設備在國民經濟和國防建設中有至關重要的作用,他們的安全運行直接關系到國民經濟的建設,影響到人民生活的質量。這些設備危險性極高,易發生重大惡性事故,迫切需要發展薄板缺陷健康檢測技術。主動Lamb波檢測是目前比較常用的薄板缺陷檢測技術。

本文將HHT應用于薄板的缺陷檢測,對薄板中缺陷的進行識別。

1 HHT原理

1998年,黃鍔(Norden E Huang)等人介紹了一種針對非線性和非穩態信號的自適應數據分析方法,即希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transformation,HHT)。

HHT包括2個部分:經驗模態分解和希爾伯特譜分析。經驗模態分解是通過不斷重復的篩選程序逐步找出IMF,將信號分解成IMF分量的組合,其獲得IMF分量的分解過程可以形象地稱之為“篩選過程(sifting process)”。

原始信號通過經驗模態分解之后,得到一組具有有意義瞬時頻率的獨立IMF分量,每個IMF可以作為獨立的信號對其直接應用Hilbert變換,每個IMF分量的希爾伯特變換可以表示為:

令其瞬時幅值為:

瞬時相位為:

則公式(2)可以表示為:

通過定義,希爾伯特變換就提供了一個獨特的定義幅值和相位的函數。公式(5)中個極坐標表示方式進一步表明了希爾伯特變換的局部特性。

本文方法與傳統方法在收集到的400張測試樣本上進行實驗（遮擋人臉250張、無遮擋人臉150張），分別在算法的檢測率、誤檢率、漏檢率和檢測時間幾個方面做了一個比較。假設用S表示測試樣本總人數，A表示樣本中遮擋人臉人數，B表示正確檢測到的遮擋人臉人數，C表示誤檢的總人數，則遮擋檢測率=B/A，誤檢率=C/S，漏檢率=1-B/A，實驗結果對比如下表1所示。

2 HHT在薄板超聲Lamb波檢測中的實驗研究

2.1 薄板超聲Lamb波檢測實驗

薄板超聲Lamb波檢測實驗系統框圖如圖1所示,檢測對象為1mm厚的鋁板,長100cm、寬100cm。在鋁板上加工有人工缺陷,缺陷尺寸為直徑1.5cm的圓狀通孔。超聲傳感器為直徑10mm,中心頻率500KHz的直探頭,超聲激勵信號為加5周期Hanning窗的正弦調制信號,中心頻率為500KHz,其時域波形圖和頻譜圖分別如圖2和圖3所示。

圖1 薄板超聲Lamb波檢測實驗系統框圖

圖2 激勵信號的時域波形圖

圖3 激勵信號的頻譜圖

2.2 缺陷檢測

無缺陷鋁板的傳感器接收信號如圖4所示,有缺陷信號如圖5所示。有缺陷和無缺陷信號的對比如圖6所示。其中紅色實線為有缺陷信號,藍色虛線為無缺陷的信號。

從圖6可以看出,S0模態的幅值較小,沒有明顯的缺陷對S0模態的回波。A0模態的幅值較大,有明顯的A0模態的缺陷回波。通過觀察信號的時域波形可以看出缺陷的存在。下面使用HHT分析方法檢測信號的缺陷。

圖5 有缺陷信號

圖6 有缺陷信號和無缺陷信號對比圖

圖7 無缺陷信號的EMD分解圖

圖8 有缺陷信號的EMD分解圖

2.3 HHT分析

分別對無缺陷信號和有缺陷信號做EMD分解,分解結果如圖7和圖8所示。其中,圖7為無缺陷信號的EMD分解結果,圖8為有缺陷信號的EMD分解結果。通過觀察各個IMF分量的時域波形,并不能夠明顯看出缺陷的存在,因此,需要對其做進一步的分析。

計算每個IMF分量的能量,其結果如圖9所示。圖9中圓圈代表有缺陷的IMF分量,方形代表無缺陷的IMF分量,橫坐標表示每個IMF分量,縱坐標為其對應的能量值。

圖9 lMF分量的能量

從圖9可以看出,原始信號的能量主要集中在第一個IMF分量,其他IMF分量的能量之和相對第一個IMF分量的能量較小,缺陷的回波信號主要分布在第一個IMF分量中,可以省略去其他IMF分量的分析,只對第一個IMF做HHT分析。第一個IMF分量的對比如圖10所示,其中紅色實線代表有缺陷信號的第一個IMF分量,藍色虛線代表無缺陷信號的第一個IMF分量。

圖10 第一個lMF分量對比圖

從圖10中可以看出,明顯存在缺陷的A0模態的回波信號。由EMD分解可知,可對IMF分量作Hilbert變換。

分別對信號的第一個IMF分量作Hilbert變換,求得信號第一個IMF分量的瞬時幅值,其結果如圖11和圖12所示,其中,圖11表示無缺陷信號的第一個IMF分量的瞬時幅值圖,圖12表示有缺陷信號的第一個IMF分量的瞬時幅值圖。

通過圖11和圖12的對比可以明顯的看出,相對無缺陷的IMF分量的瞬時幅值圖,有缺陷的瞬時幅值圖多出一部分幅值較大的信號,這是由缺陷對A0模態的回波造成的。

圖11 無缺陷信號的第一個lMF分量的瞬時幅值圖

圖12 有缺陷信號的第一個lMF分量瞬時幅值圖

3 結論與展望

從實驗結果可以看到,通過多有缺陷和無缺陷薄板中Lamb信號做EMD分解,對其第一個IMF分量作Hilbert變換,得到信號分量的瞬時幅值,可以明顯看出缺陷對A0模態的回波信號,確定缺陷的存在。HHT方法可以用于薄板缺陷信號的分析,實現對缺陷的檢測。

實驗主要檢測薄板缺陷的有無,在以后的實驗研究中,可以改變缺陷孔徑的大小,分析其缺陷回波部分幅值和能量大小與缺陷孔徑大小之間的關系。同時,可以改變傳感器和缺陷之間的位置,分析確定缺陷的具體位置等,這些都會在將來的實驗中研究。

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孟慶愿（1989—），男，安徽宿州人，碩士，主要研究方向：電力電子與智能檢測。