（计算机应用技术专业论文）小波变换在粘接构件声激励监测系统中的应用.pdf

i o i 宄生学位论女稿纸 小波变换在粘接构件声激励监测系统中的应用 摘要 机械制造过程中的粘接结构，以其连接件重量轻和外形光滑 等特点被广泛应用于航天、航空和其他r 业领域。对粘结结构实 施有效的无损检测，可以保证生产质量预防事故的发生。般 的检测方法由于速度慢、易污染：不适合在线诊断，而传统的判 别方法要建立复杂的数学模型，识别率低，所以也难以满足实时 生产的需要。 本文介绍的粘接构件声激励检测方法，通过对粘结结构施加 微力、阵列传声器检测信号、信号的特征提取、人工神经网络的 分类识别等一系列过程，完成了：粘接结构承受拉脱力合格与否的 无损预报。其中，如何从声激励声信号中获取与粘接性能有关的 特征是该方法的关键所在，也是本论文的主要内容。 小波分析是- f 7 新兴理论，它克服了传统f o u r i e r 分析的不 足，在时域和频域都具有良好的局部化特性，在信号处理、图像 处理、语音分析等领域有重要的应用价值。本文采用小波变换的 方法对采集到的声激励信号进行分析，在时一频域提取出与粘接性 能有关的特征量，用于粘接结构力学性能无损检测的神经网络输 入，从而为有效进行分类判别和预报奠定了基础。 实验结果表明，用本文所提供的特征提取方法，可以从声激励 信号中提取出有效的特征信息，对以后进行粘接构件性能的分类 预报奠定了基础。 关键字：小波分析，声信号，特征提取，粘接构件 i - j | 允生学位论文稿纸 ，a v e l e tt r a n s f o r m sa p p l i c a t l 0 nt o t e s ts y s t e m0 fa c o u s t i ce x c i t a t i o n a b s l r a cj a d h e s i v es t r u c t u r ei nm a c h i n em a n u f a c t u r ep r o c e s si sa b r o a d a p p l i e di ns p a c e f l i g h t 、a v i g a t i o n a n de l s ei n d u s t r y f i e l d ，b e c a u s ei t s w e i g h ti sl i g h t e ra n di t ss h a p ei s v e l v e t i tc a ne n s u r et h eq u a l i t yo f p r o d u c t i o na n dp r e v e n ta c c i d e n tw h e nt h ea d h e s i v es t r u c t u r e sw e r e t e s t e de f f e c t i v e l y t h en o r m a lt e s t i n gm e t h o d sa r en o tf i tf o rt e s t i n g o n - l i n ed u et oi t sl o ws p e e da n dp o l l u t i o n ；w h i l et h et r a d i t i o n a l d i s c r i m i n a t i n gm e t h o d sa r ec o m p l i c a t e d w i t hm a t h e m a t i c sp a t t e r n a n dh a v el o wr a t eo fi d e n t i f l c a t i o n s ot h a ti tc a nn o tm e e t st h en e e d s o fr e a l t i m ep r o d u c t i o n t e s tt e c h n i q u eo fa c o u s t i ce x c i t a t i o n p r e s e n t e di nt h i sp a p e r c a r ld i s c r i m i n a t ei ft h ea d h e s i v es t r u c t u r ei si n t e n s i o n a le n o u g ht o e n d u r e c e r t a i n t yd r a ws t r e n g t h ， 、 t h r o u g has e r i e s o fp r o c e s s ，f o re x a m p l eb r i n g i n gd r a ws t r e n g t ht o b e a ro na d h e s i v es t r u c t u r e ，t e s t i n gs i g n a lt h r o u g hm i c r o p h o n ea r r a y , c h o o s i n gs i g n a l s c h a r a c t e l r e c o g n i z i n ga u t o m a t i c a l l yt h r o u g h m a n u a ln e r v en e t w o r k ，a n ds oo nt h e r e i n t o ，w h e r et h es h o ep i n c h e s i sh o wt oc h o o s ec h a r a c t e rr e l a t e dt oa d h e s i v ec a p a c i t yf r o ma c o u s t i c s i g n a l ，a n di ti sp r i m a r yc o n t e n ti nt i f f sp a p e r ，t o o w a v e l e ta n a l y s i si san e w l yd e v e l o p e dt h e o r y ，w h i c ho v e r c o m e s t h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lf o u r i e ra n a l y s i si th a sg o o dl o c a l i z e d f e a t u r e si nb o t ht h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yd o m a i na n dh a s i m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei nt h ef i e l d so fs i g n a lp r o c e s s i n g ，i m a g e p r o c e s s i n g ，s p e e c ha n a l y s i sa n ds oo n a c o u s t i ce x c i t a t i o ns i g n a l i s p r o c e s s e dw i t hw a v e l e ta n a l y s i si nt h i sp a p e r ，a n dc h o o s e sc h a r a c t e r s r e l a t e dt oa d h e s i v ec a p a c i t yf r o ma c o u s t i cs i g n a li nt h et i m ed o m a i n f i ) 究生学位论史稿纸 a n df r e q u e n c yd o m a i n t h e s ec h a r a c t e r si st h em p u to fn e r v en e t w o r k w h i c hi su s e dt o n o n m a n g l e t e s ta b o u tm e c h a n i c s c a p a c i t y o f a d h e s i v es t r u c t u r e ，a n de s t a b l i s ht h eb a s ef o rc l a s s i f yd i s t i n g u i s h i n g e f f e c t i v e l ya n d f o r e c a s t e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h em e t h o dp r o v i d e di nt h i s p a p e r c a l lc h o o s ee f f e c t i v ec h a r a c t e r sf r o ma c o u s t i c s i g n a l a n d e s t a b l i s ht h eb a s ef o rc l a s s i f yd i s t i n g u i s h i n ge f f e c t i v e l ya n df o r e c a s t k e yw o r d s ：w a v e l e ta n a l y s i s ；a c o u s t i cs i g n a l ；c h o o s i n gc h a r a c t e r a d h e s i v es t r u c t u r e 研究生学位论文稿纸 第一章绪论 1 1 引言 粘接技术的发展和应用由来已久，6 0 年代以来，随着各种新型粘 接剂的开发，粘接结构在航天、航空、军事、民用等工业领域己被广泛 采用。粘接结构同铆接、栓接、焊接等结构相比，具有能进行异种材料 的连接、很少增加连接件的重量、可使结构整体应力均匀、提高结构的 拉伸、剪切、扭曲和疲劳强度、密封性能好等优点。 金属与非金属材料粘接这种联接方式，在国防工业中应用较多，目 前我国用于三代、四代主战坦克的半可燃药筒，其简体( 非会属材料) 和金属筒底、金属弹头之间均采用粘接的联接方式：我国自行生产的反 直升飞机反坦克多用途导弹和其它野战火箭弹其发动机的钢质壳体与 包覆层是采用粘接联接方式；美、俄等国的导弹系统中有多处也采用粘 接方式；另外，远程火箭发动机、航天器等也常采用粘接方式。这些结 构的粘接界面的力学性能直接反映了其粘接质量的好坏，而粘接联接质 量的好坏又直接影响武器系统的安全性和可靠性，故了解和掌握金属与 非金属材料粘接结构力学性能，不仅可以为武器的研制提供实验依据， 而且能对武器的生产过程实施质量监控，减少生产过程中的浪费，更为 武器的发射安全性评估和确保武器系统的安全动作提供有效数据。所 以，开展金属与非金属材料粘接结构力学性能的无损预报方法研究，能 为多种武器系统的研制、生产和使用过程提供必要的检测手段和方法。 在民品方面，机器零部件、模具、飞机、汽车等各种产品中，金属 与非金属粘接结构件也占着越来越太的比例。如果粘接结构件的某些部 分出现了缺陷，例如：气泡、部分粘接表面剥离等等时，则其粘接强度 将会降低、粘接稳定性变坏、耐久性和可靠性低下，从而造成严重的后 果。尤其象飞机、汽车这样的交通工具，对耐久性和可靠性要求更高。 因而，对这种粘接结构进行无损检测也是极其重要的”1 。 研究生学位论文稿纸 对粘接结构的无损检测方法，目前主要集中在超声、声等应力波检 测技术上。声激励检测具有不需要耦合、携带有动态信息等优点，它通 过对粘接部位施加非破坏性外力，激励粘接部位发出声音，采集声音对 其进行粘接质量的识别。信息分析与处理是各种无损检测研究中的重要 方面，金属与非金属粘接检测技术要点是从传感器检测到的应力波的信 号中提取与粘接状态或粘接质量有关的特征量，利用这些特征量建立粘 接质量的判别模型。因此，粘接信号的分析处理是粘接检测的重要的基 本内容。 检测信息的处理和检测方法及检测对象是紧密联系在一起的，本论 文的目的是以可燃药筒与弹头的粘接结构力学性能的无损预报为研究 背景，通过对该种粘接结构力学性能的无损检测研究，解决国防工业中， 特别是非金属部件不允许被污染的情况下，类似的非金属( 在外部) 与 金属( 在内部) 粘接结构力学性能的无损预报方法。采用微声激励、阵 列传声器检测金属与非会属材料粘接结构力学性能的方法，研究各个传 声器之间的相关特性，对多路信息进行特征分析和融合处理，完成对粘 接部位粘接质量的预报。 随着粘接结构在军民产品应用的不断增多，粘接结构的无损检测越 来越重要，粘接构件信息融合处理技术与粘接检测技术相结合将会发挥 更大的作用。 1 2 金属与非金属粘接结构检测技术的发展概况 1 2 1 国外研究现状 对于金属与非金属材料之间的粘接检测，从查到文献中来看，粘接 结构有金属和橡胶的粘接、钢和化学药品之问的粘接、飞机蒙皮粘接等 o ”；粘接质量检测主要是检测脱粘( 大的孔洞、缺胶和微空隙) 、粘接 强度，而粘接强度又分胶层内聚强度和胶层与被粘物间的粘附强度。对 于粘接结构的脱粘目前基本上能可靠地检测出来，而对粘接强度的预报 还未找到较好的检测方法。 第2 砸 研究生学位论文稿纸 超声和声检测是金属与非金属粘接检测的行之有效的方法。其中超 声检测一般多采用超声探头耦合在粘接部位，以拾取的脉冲回波峰值、 振荡次数等作为应力波因子对探头下方粘接区的力学性能采用相关分析 和频谱分析的方法做统计识别。如八十年代美国气动力火箭推进剂实验 室( a i rf o r c er o c k e tp r o p e l l a n tl a b o r a t o r y ) 采用超声对钢制壳体 与包覆层的粘接状态进行检测，据称预报的误判率可控制在1 0 以下“1 。 采用超声穿透法也可以检测脱粘缺陷。 s u b r a m a n i a n 采用超声干耦合技术可以不使用液体耦合剂，在此技术 中通过与探头紧密连接的橡胶衬垫将超声传入试件和从试件接收回波的 办法，使用手工或操作器将压力施加于发射和接收探头上完成检测。该 方法在缺陷的定量检测方面有一定的局限性0 1 。 s i m t h 等用超声回波的转象相差技术来检测钢与橡胶粘接质量。这种 技术所测的信号为粘接界面反射回来的单音脉冲相位和幅值，当有缺陷 和粘接强度弱时，测得的相位表现为正向偏移。经实验证明，其测得的 粘接质量参数与粘接结构的拉伸强度具有一定的相关性“1 。 胶层的厚度和弹性模量与粘接结构的剪切强度是相联系的，6 u y o t t 等利用超声频谱技术测量了胶层的厚度和模量，并研究了胶层厚度、模 量与透射共振频率之间的关系，认为共振频率对胶层厚度和模量变化很 敏感“1 。d e w e n 等为全面评价这种检测技术的应用潜力，进行了试验研究， 结果表明，其在有些情况下检测的结果在误差较大，受被粘物的特性和 检测环境的影响较大“1 。 声一超声技术( a u ) 是一种相对较新的无损检测技术，其主要吸收 了超声检测和声发射的优点，是二者结合的产物。a u 技术用宽带超声探 头将重复的超声脉冲加到试件上，用声发射谐振探头获取信号。t i w a r i 等认为a u 技术的一个重要优点能检测出缺陷破坏的综合效应：应力波在 试件中传播时与胶接界面微观结构和缺陷相互作用，所接收到的信号经 处理后得到的应力波因子( s w f ) 可以反映一种动态应变能转移系数变化， 当s w f 值较低时，就意味者缺陷的存在。该检测方法对粘接界面的特征 变量变化较为敏感，能把高粘接强度和低粘接强度区分开来，但a u 技术 实质上仍是超声波检测技术4 3 。 第3 页 究生学位论义稿纸 从查到的几种粘接或粘接强度的超声检测方法看，存在以下问题： ( 1 ) 探头直接耦合在粘接部位或采用水浸法，i i i f 者不适合复杂构 件的粘接检测，后者不适合不防水的构件的粘接检测，如无法在非金属 侧耦合； ( 2 ) 每次只能检测探头下方的一小块听移 ，检测速度慢，不适合 在线检测； ( 3 ) 所采用的检测预报方法误判率高，且有一定豹漏报率： ( 4 ) 分时超声扫描检测，根据每个测点的检测数据( 粘合面积) 对总体力学性能进行预报：应力波因子预报时也是对测点下面积进行 的，而对总体预报需进行扫描检测； ( 5 ) 未考虑粘合面积力学结构在受力过程中的相关信息。 声发射技术( a e ) 是一种动念无损检测方法”。”，它把试件所受 的动态载荷和变形过程联系起来，可以表征试件在动念测试中产生微小 变化，是显示缺陷发展过程和预测缺陷破坏性的一种检测方法，其包括 粘接受力过程中的信息。一旦从破坏性试验中确定了声发射与粘接强度 的关系，就可以用在低应力条件下获得的数掘来预测粘接强度。除 了粘接强度，声发射还可以检测其它质量项目，如美国曾用声发射测量 f 1 l l 飞机上蜂窝铝结构件的受潮变质和活性腐蚀。声发射可以检测粘 接强度，但由于结构的破损模式比较复杂，对产生声发射的机理还缺乏 详细的分机，没有理论来确定给定的变形过程中的总能量有多少转变成 综合的发射能。总的况来，声发射在粘接检测中还处于起步发展阶段。”。 除声发射其它声阻抗法、声谐振法、声敲击法等也可用于粘揍检 测“”。”1 ，这些方法一般检测硬质材料效果较好，如在非金属硬质较低 的材料一侧检测效果不佳。 金属与非会属粘接瞧检测还有其它的_ 些技术。德国在红外热成像 技术研究火箭发动机金属壳体与非会属包覆层粘接处于领先水平，1 9 9 6 年曾研制一套样机，检测结果受环境温度变化影响较大。h o v e l l 等用 计算机仿真研究了热成像在检测固体火箭发动机粘接部位的应用“。 c l a r k 等用涡流法“、h e s l e h a r s t 等用全息干涉法对粘接检测进行了研 究! 。 第4 吹 研究生学位论文稿纸 实际的工程需求中，需要在非金属和金属两侧均可检测，且需要对 粘接结构能够承受的拉脱力进行分类识别，适合在线测试，具有较低的 错误率，因此研究探索新的金属与非金属粘接质量的无损检测方法具有 现实意义。 1 2 2 国内研究现状 国内对金属与非余属粘接质量的检测的研究也主要集中在超声、 声、射线、涡流、热成像等方面，其中也是以超声、声的方法居多。我 国航空材料及工艺研究所的何双起等用超声相位探伤的方法检测非金属 与金属粘接层的粘接质量，但未涉及粘接结构的力学性能预报，且为手 动探伤，不能满足特殊结构试件粘接质量的检测需求【2 ”。 胡绍海研究了金属铝单搭接结构，在拉伸实验中进行声发射检测， 记录胶接断裂时的声发射信号幅度分布，然后用1 3 函数分布来表征该幅 度分布，以便实现声发射信号的实时统计分布。研究的粘接结构虽是金 属与金属的粘接，研究结果仍能为在低应力条件下应用声发射技术无损 检测胶接结构缺陷和预测胶接强度提供参考。但是，其结果是在拉脱破 坏试验中获取的，低应力条件下声发射数较少，能否用于无损检测还需 进一步研究，采用的传感器系统也是单传感器系统。昆明理工大学何晓 聪等对声发射用于粘接检测进行了初步的实验分析，指出a e 检测可以用 于粘接构件断裂过程的载荷分析。 对于可燃药筒与金属简底的粘接，属于金属与非金属筒件搭接粘 接，其拉脱力合格与否的诊断，属于粘接整体力学性能的分类识别。对 药筒整体力学性能拉脱力的渗断，必须检测整个搭接区的粘接状态， 超声是一种较好的检测技术，若将探头置于粘接区检测，超声探头耦合 液不可避免的污染作为发射药的可燃简体，并从搭接缝渗入粘接界面， 况且有的可燃药筒在搭接区上还有其它非金属覆盖物，因而检测要求高。 华北工学院无损检测技术研究中心采用药筒轴向粘接状态在周向上投影 ( 简称周向粘接状念) ，忽略轴向粘接位置影响，对药筒粘接拉脱力进 锖51 j ： 口 究生学位：论史稿纸 行分类。这样，超声探头可以在钢质筒底侧壁靠底缘部位周向耦合( 这 一部位各种药筒都存在) ，沿周向从粘接区外，逐点( 轴向为逐块) 引 入、引出脉冲超声，利用特有的聚胺脂探头完成药筒轴向粘接状态在周 向上逐点投影信息的检测并利用多元检测信息处理方法，既可以得到药 筒粘合面积在周向上分布；又可利用检测信息的多元统计特征，对药筒 拉脱力合格与否进行诊断。上述方法不仅使用与可燃药筒与金属底座的 粘接结构力学性能的无损预报，也适用于其它金属与非金属材料的搭接 粘接，但前提条件是金属材料在外部，非金属材料在内部。对于非金属 材料在外部金属材料在内部的会属与非会属材料粘接结构力学性能的无 损预报方法，国外未检索到相关文献。而所有可燃药筒与弹头的联接都 采用这种粘接方式，因检测时不允许探头耦合液污染非金属部分，传统 的超声检测方法无法使用。 华北工学院也曾研制了基于声敲击法的检测可燃药筒与金属筒底的 粘接的设备，将传声器采集的经过粘接部位传输的信号进行统计分析， 建立判断粘接部位能否承受某一阈值拉脱力的二元识别模型，从而作出 合格与否的检测。该系统对于金属部分或材料硬质大的材料允许敲击的 情况下，对于硬质较低或弹头等不允许敲击的结构则不行。粘接结构的 强度或力学性能是在其受力情况下体现出来的，敲击法只是采用了声波 经过粘接部位携带的信息，无法采集粘接部位受力情况下的信息。该系 统是单传声器采集系统。 本课题提出的利用阵列传声器，通过微力激励，每一传声器同时获 取受力过程的信息，该信息不仅含有测点粘合力学信息，同时也包含整 体受力对该传感器的信息，这些信息的相关性携带了整体粘接结构力学 性能的精细信息，通过合理布置传声器阵列，并对传声器获取的多维时 间序列信息分析处理和重构，提高粘接结构力学性能预报精度是可能的。 目前在工厂仍采用抽样作拉脱力破坏性实验的方法，判断一批弹的 弹头与已装药的可燃筒体( 实际卜这罩的可燃简体指除弹头和引信外的 全弹) 的粘接是否合格，由于不能在线监测或检测，所以既存在大量的 浪费( 因抽样的一发不合格，而导致整批报废) ，又存在潜在的危险性 ( 有不合产品未被抽样到) ，故对此类型的金属与非会属粘接结构力学 第6 吹 研究生学位论义稿纸 性能的无损预报方法研究不仅可以解决三代、四代主战坦克所用可燃药 筒的粘接质量的监控和检测问题，也为金属与非金属粘接的另一大类型 的粘接结构力学性能的无损预报提供了解决方法。 1 3 小波变换的引入 近几年来，一种被称为小波变换的数学理论和方法正在科学技术界 引起了一场轩然大波。小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析， f o u r i e r 分析、样条分析，调和分析、数值分析的最完美的结晶；在应 用领域，特别是信号处理、图像处理、语音分析、模式识别及众多非线 性科学等领域，它被认为是近年来在工具及方法上的重大突破。小波分 析或多分辨率分析作为一种新兴的理论，从原则上讲，凡是传统使用 f o u r i e r 分析的地方，都可以用小波变换分析代替。小波分析在时域和 频域同时具有良好的局部特性，而且出于对高频信号采用逐渐精细的时 域或空域步长，从而可以聚焦到分析信号的任意细节，故对传统的 f o u r i e r 变换提出了挑战口】。 1 3 1 小波理论的产生( 从傅立叶变换到小波变换) 长期以来，无论是在信号处理界，还是在数学界，人们一直在寻找 一种信号的表示方法，或者说是一种基函数。它同时具有三角函数系和 l l a a r 函数系两者的优点。在对信号进行分解时，三角函数分解，也就 是f o u r i e r 变换，在频域上是完全局部化的，也就是说，以三角函数为 基函数对信号在频域上分解，其频率分辨率可以达到极限，一个信号分 量对应一条谱线，但是在空间和时间域上无任何局部性。恰恰相反，基 于h a a r 函数系的信号分解在时间域上是完全局部化的，然而在频域上 的局部性却很差，这主要是因为它缺乏正则性和振荡性的原因。 以前，传统的频域分析是傅立叶分析，它是信号处理中重要方法之 第7 “ 研究生学位论文稿纸 一，它架起了时间域和频率域之间的桥梁1 。图1 1 给出了傅立叶变 换的示意图。 振幅 时间 傅立叶变换 卜 振幅 图1 - 1 傅立叶变换示意图 频率 对很多信号来说，傅立叶分析非常有用，因为它能给出信号中包含 的各种频率成分。但是，傅立叶变换有着它自身的缺点：变换之后使信 号失去了时间信息，它不能告诉人们在某段时间里发生了什么变化。如 果我们关心的是信号在局部范围的特征，确切地说是在任一短暂的时间 间隔内的频率特性。例如处理一个音乐或语音过程时，我们关心的是全 过程中任一时刻声调或声调的构成情况：对地震信号处理时，关心的是 什么位置出现了什么样的反射波：又如在作图像处理时，需要在图像信 号输入的每一个小瞬间，及时地对处于不同空间频率的图像信号作不同 的处理。换言之，我们常常需要同时对信号在时域( 空域) 与频域上实 行局部化，所以就迫切需要寻找具有上述两种函数系优点的基函数。寻 找关于时间变量与频率变量都合适的基是b a l i a n 所提出来的，他指出： “在通讯理论中，人们可以对在给定时间内，把一个振动的信号表示成 每一个都同时具有足够确定的位置与频率的初等小波的叠加这件事感 兴趣。事实上，有用的信息常常是同时被发射的频率与信号的短暂结构 ( 如音乐) 所传递。然而，当把一个信号表达成时间的函数时，其中的 频率表现并不好，相反地，该信号的傅立叶变换却标出了信号中每一分 量发射的瞬间与持续的时i 刈。一个适当的表示应当结合这两种互补描述 的优点，用一个离散的刻划来表示以适应通讯理论”。 对信号f ( t ) 实行时频局部化，就是把f ( t ) 用一系列的窗口函数截 第8 负 研究生学位论文稿纸 取后展开，而根据展开的系数可以知道信号f ( t ) 在某一局部时间内，位 于某局部频带的信号分量的大小。 为了解决信号的时频局部化问题，1 9 6 4 年d g a b o r 首先引入了密函 数对信号作局部化分析，改善三角函数的时频局部性，也就是窗口 f o u r i e r 变换( 还被称作为短时f o u r i e r 变换，o a b o r 变换，简记为s t f t ) ， 图1 2 给出了短时傅立叶变换的示意图。 振幅时间窗频率 图卜2短时傅立叶变换的示意图 时间 短时傅立叶变换把一个时间信号变换为时间和频率的二维函数，它 能够提供信号在某个时间段和某个频率范围的一定信息。这些信息的精 度依赖于时间窗的大小。短时傅立叶变换的缺点是对所有的频率成分， 所取的时间窗的大小都相同。 对于信号f ( t ) l 2 ( r ) ，则它的短时傅立叶变换定义为： 吧一 g r ( ，f ) = i f ( t ) g ( t r x l “田 ( 卜1 ) + 由定义可知，g ，( c o ，f ) 反映了信号f ( t ) 在t = f 附近的频谱特性，而 且g a b o r 变换的窗口位置可以进行平移，可研究信号不同位置的局部 性，另外窗函数可以有不同的类型( 例如矩形窗、三角形窗、汉宁窗、 高斯窗等等) 满足不同的要求。但是g a b o r 变换的窗口的形状大小与频 率无关，也就是说，加窗f o u r i e r 变换是一种窗口大小及形状都固定的 时域局部化分析，它的时间分辨率不随信号频率的变化而自动变化。这 显然不符合实际问题中高频信号的分辨率应该比低频信号要高，即分析 第9 页 口 一竺：! 竺兰丝笙兰堕! ! 高频成分时需要窄的时阃窗，看清细节：分析低频成分时需要宽的时蚓 窗t 看到全貌。例如当f j 一乃，0 婶倍i j 戏”“ i q l t , 1 这些倍弓的频 域很宽且频率变化激烈时，为 f 瞧萨确获得，岛频信息变换的窗【一1 人小 要取得很小，而当窗i - - 7 太小时，会降低低频供；= ：的分辨率，对低频分量 不合适。 由上面所述知道了傅立叶分析的局限性，为r 解决这个问题，人们 找到了一种窗口大小固定但形状可以改变的窗雨数术满足上述时频局 部化分析的要求，这就是小波分析。 如果函数上ln l ：满足： 。= 警m 并且有 吲归咖( 字) ( j 一2 ) ( 1 3 1 则函数，2 的小波变换为： w r ( 咖) 叫 州鼽帅( 等弦( i - 4 ) 我们出上面可以看到小波变换是b a ia n 思想的一种最本质的体 现a 由nl ! 知道c j ( 刊“ 2 , 0 y ( ，) 具有衰减性，特别是沙( ，) 是 局部非零的紧支函数在这个意义下称它为“小”的。又出式( i 一2 ) 可知 ，( ，) 出= 0 即少( ，) 具有波动性。因此，我们赋予这个函数一个特 ! 定的名称为：小波函数。另外t 【j ( f ) l= 【陟( f ) 陋= o 可知，此函数 还具有带通性。 我们下面给出时间域信号，傅矗时变换短时傅立叶变换和小波 变换对比的示意图： 研究生学位论文稿纸 振幅振幅频率尺度因子 勿励詹纽 时间频率时间 时间域频率域短时傅立叶变换 图1 3各种变换对比的示意图 时间 小波变换 由上图可以看出，小波变换用的不是时间一频率域，而是时间一尺度 域。尺度越大，采用越大的时间窗，尺度越小，采用越短的时间窗，即 尺度与频率成反比。 用小波函数进行变换能够将交织在一起的不同频率组成的混合信号 分解成不同频率的块信号。因此能够有效地应用于如：信噪分离、奇异 检测，编码解码，压缩数据以及非线性问题和非平稳问题。小波变换也 常被称为数学显徽镜。 1 3 2 小波发展及现状 从上面所讲述的可以看到，小波分析的思想来源于伸缩和平移的方 法，即经典的调和分析。而早在1 9 1 0 年a l f r e dh a r r 就提出了这种思 想，特别是2 0 世纪3 0 年代l i t t l e w o o d p a l a y 对f o u r i e r 级数建立的 l - p 理论，即按= 进制频率成分分组f o u r i e r 变换的相位变化本质上不 影响函数的形状及大小。小波变换的皱形形成于2 0 世纪5 0 年代的纯数 学领域，但在这以后的3 0 年间一直没有受到广泛的重视。但是到了8 0 年代中期，法国e l f a q u i t a i n e 公司的地球物理学家j m o r l e t 在分析 地震波的局部特性时，发现传统的f o u r i e r 变换难以达到要求。于是他 引入了小波概念在信号分析中，并且首先引进和使用了小波( w a v e l e t ) 这一术语。随后理论物理学家g r o s s m a n 对m o r l e t 的这种信号按一个确 定函数的伸缩，平移系展开的可行性进行了研究。1 9 8 6 年，当m e y e r 第1 l 页 创造性地构造丁蛙何定艇：m t 陀t 1 9 光“ 荫数j ，其，：进制伸缩和移 “( ，) = 21 妒( 27 ，一) ：7 k z1 构成( 月) 的j 、范证交基。1 9 8 7 年 m a l l a t 又巧妙地将ir 算机视觉领域内的多尺度分析的思想引入到小波 变换并成功地统一了在此之前的s t r o m b e r g ，m e y e r 、l e m a r i e 等提出的 具体小波函数的构造，研究了小波变换的离敝化情景，并给出了相应的 算法( 现在称之为m a l l a t 算法) 。与此同时，d a u b e c h i e s 构造了具有 有限支集的正交小波集。至此，小波分析的系统理论已经初步建立起束 了。 在应用领域中，小波理论已经在许多信号处川! 领域中得到了成功的 应用。 g r o s s m a n 与s m a 】a i 等人利用小波变换捡测信号的奇异性用 于图像纹理分割、边缘检测。m b a s s e v i l e 利用随机信号的小波多尺度 模型进行随机信号分析处理，m a n r l m i n i 采用币交小波分解建立了图 像予带编码模型并结合矢量量化进行图像压缩rd u t i l l e u x 等人采用 g a b o r 小波进行语音分析、合成等方面的研究并作成了相应的硬件系 统。可以说小波变换由于其自身独特的性质，它必然有强大的生命力， 在信号处理等领域将有着十分广阔的应用前景。 1 4 本人所作的工作 本文在详细论述小波分析理论的基础j 二研究了小波分析在余属与 非金属粘接件声激励信号处理中的应用，本文所做的主要工作包括： 1 论述了小波分析的基本理论，简要介绍小波分析的有关基本理 论包括：傅立叶变换与小波分析、离散小波变换与_ 进小波变 换、多分辨分析和小波包分析，以及它们之间的关系： 。2 介绍了粘接件声激励信号贬测系统的实验装胃的组成及其渗断 原理： 3 对提取到的粘接件声激励信号的时频分杌： 4 利用小波变换分析，提“j 了种粘接件声激励信号的特征提取算 法。从而为有效进行余属与非命属粘接件分类判别和预报奠定了 第12 负 i i j | = 究生学位论文稿纸 基础； 5 粘接构件声激励信号的监测系统相关软件的开发； 本文内容的组织编排如下：第一章是绪论部分，主要介绍了小波理 论的发展历史，前人的研究成果，小波分析的发展前景以及本文所做的 研究工作和各章节的安排：第二章对会属与非金属粘接构件声激励检测 系统进行了简要的介绍；第三章叙述小波分析的基本理论，首先讨论了 多分辨分析的一般框架，它是构造萨交小波基的基本方法，接着描述了 一般的小波变换，尤其是有着广泛应用的= 进小彼变换，并给出了它的 快速算法，讨论了常用的小波函数：然后对小波包分析思想、定义、性 质及小波包算法作了详尽的论述；第四章详细介绍了声激励信号的采集 与预处理；第五章首先介绍了利用小波变换提取特征的原理和方法，然 后列出了实验结果和分析。 研究生学位论殳稿纸 第二章金属与非金属粘接件声激励检测系统简介 2 1声激励信号检测系统原理简介 争 本文拟通过对粘接结构力学性能的无损预报方法的研究，解决非盎 属部件不允许被污染的情况下，非会属与余属粘接结构力学性能的无损 预报方法。技术难点在于提取阵列信号中与金属非金属粘结状态及其粘 结力的相关特征量；建立粘结结构力学特性的预报模型。 本研究以可燃药筒与弹头粘接部位的检测为研究背景，以单面搭接 为研究对象，采用该技术的检测系统由声阵列传感器( 包括声激励系统 和声接收系统) 、检测工作台、控制系统、信号采集系统、计算机信号 处理及识别系统等几部分组成。实验装置框图如图2 一l ： 传感器不锈钢( 金属) 幽2 一i 实验装置框图 当已粘接试件经过检测工作台时，特制的检测机构在机电控制系统 的控制下向其金属部分施加一定的对产品性能无影响的微力( 非破坏) ， 由阵列传感器获取携带粘接界面力学性能的声信号( 我们称之为声激励 信号) ，经过信号采集系统将所获取的信号送入计算机进行信号处理和 特征提取，作出对粘接结构力学性能的无损预报。 鹅1 41 i f 印一 ) 一 一 属 一巾 金 一a 一一掌 掣 。 f 羔一 ， 研究生学位论丈稿纸 2 2 实验系统的组成简介 2 2 1 试验用试样的简介 本课题以可燃药筒与弹头粘接部位的检测为研究背景，以单面搭接 为研究对象，在具体作实验时我们的试样用同样形状、大小和厚度的不 幽2 - 2 试样简| 璺| 有机玻璃 锈钢块( 金属) 和有机玻璃块( 非余属) 来代替弹头和可燃药筒，不锈 钢和有机玻璃的规格为：1 6 1 0 2 ( 单位：厘米) 。不锈钢块和有机玻 璃块采用单面搭接的方式粘结在一块，我们用了不同的三种胶来粘结， 以此来代替粘结性能不同的粘结试件。 做实验时，把不锈钢块用螺丝固定在实验台上，微力施加在有机玻 璃块上，用带屏蔽装置地声阵列传感器紧贴在不锈钢和有机玻璃地粘结 部位，来接受在施加微小冲击力时产生的声激励信号，具体的传感器在 下面介绍。 2 2 2 阵列传声器 利用阵列传声器通过微力激励，每一传声器同时获取粘接部位受力 过程中发出的声音信息，见下图，图中的传声器阵列也可以放置在非金 属的一边。该信息不仅含有测点粘合力学信息，同时也包含整体受力对 第1 5 负 _ i ) f 究生学位论文稿纸 该传感器的信息，这些信息的相关性携带了整体粘接结构力学性能的信 息。 力 图2 - 3 阵列传声器检测方法示意图 声音检测的重点在于找出不同粘接试件发出的声音的差别。接受信 号的传感器直接决定整个系统的性能。通过各种传声器的比较，最后选 用了北京第7 9 7 音响股份有限公司研制的e c r i o i 型号的电容传声器， 该传声器的灵敏度高，失真小，输出阻抗低。主要性能指标如下： 频率响应：8 0 1 2 0 0 0 h z 灵敏度级：一3 4 2 d b f 输出阻抗： 4 0 0 q 2 2 3 音频放大器 我们的音频放大器也选用了北京第7 9 7 音响股份有限公司研制 的1 6 路放大器。主要性能指标如下： 输入灵敏度：i m v 输出电压( 最大) ：5 v 频率特性：( + 1 ，一3 d b ) 2 0 h z 2 0 k h z 谐波失真系数：4 0 5 ，2 0 2 0 k 输出信噪比：5 0 d b 输出阻抗：( i 0 0 q 笫1 6 【；i 研究生学位论文稿纸 2 2 4a d 转换卡 a d 转换卡我们采用了北京中泰p c - 6 3 4 超高速a d 转换卡。主要 的性能指标如下： 输入通道数：单端1 6 路女双端8 路 输入信号范围：o 5 v ，5 v * - 输入阻抗：1 0 m q 输入通道选择方式：单通道程序指定多通道自动扫描 a d 转换分辩率：1 2 位 最高采样频率：1 2 5 m h z a d 启动方式：程序启动外部信号启动可预嚣模拟电平启 动( 只对通道0 有效) 存储器容量：1 2 8 k x1 6 b i t ( 可扩至2 5 6 k x1 6 b i t ) 2 2 5 粘接构件声激励信号的特征提取 对于金属与非金属的粘接结构的力学性能，人们主要关心的其粘接 质量，其依赖于内聚强度、粘附强度和脱粘缺陷，利用一般的检测方法 检测粘接状况需要进行多次多个参数的测量，利用单项很难评定粘接质 量。声激励的检测方法获得的声音信号综合了多项信息。 由声学原理可知，不同的试件有不同的声学特性，声学特性中哪些 特征与粘接结构的力学特性相关并不知道，为此将表述声特性的信号的 特征逐一分析，确定与粘接有关的特征量来。对信号的特征分析主要是 时域分析、频域分析、倒谱分析和小波分析等 2 8 2 9 。 由于每次、每个传声器采集的信号具有一定的差异性，因此对信号 要进行预处理，使信号之间的可比性增强。主要处理有移位、截断、归 一化等，移位处理为了寻找有效信号的起始点，截断处理就是确定信号 的终止点，其主要是有频率分辨率决定的，移位、截断实际上就是加窗 处理；由于每次试验时微力的大小有差别，归一化处理是能量归一化， 目的是为了消除声激励能力的影响，归一化在移位、截断处理后进行。 第1 7 贝 究生学位论殳稿纸 对信号进行时域统计分析可以得到信号的均值、均方值、方差和概 率密度函数等，这些可作为粘接的预选特征。 一般粘接检测的声信号的时域波形上粘接的特征不强，需将信号作 频谱分析，使粘接特征在频谱图上比较容易地体现。由于粘接信息分布 在整个频谱上，有些频段强，有些频段弱，直接对信号的频率和峰值分 析不太方便。故将频率范围分成若二l 二频段( 也叫子带) ，每一个频段单 独分析，然后综合。每个频段选取的特征量有峰值及其对应频率、均值、 方差、频率方差、中心频率、频段的积分值( 面积) 等。 倒谱分析也称同念分析，是一维声音信号的有效手段，将信号进行 倒谱变换，有些信号的特征量表现的明显了，可以作为预选特征量的有 极小极大值、谱的均值、方差、能量、分段统计值等p 。 小波变换是一种具有很