小波降噪在混凝土超聲波檢測中的應(yīng)用*

趙松玲，林旭梅，馬石巖，羅萍萍，薛亮亮

(1.青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520;2.山東海科信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266031)

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小波降噪在混凝土超聲波檢測中的應(yīng)用*

趙松玲1，林旭梅1，馬石巖2，羅萍萍1，薛亮亮1

(1.青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520;2.山東海科信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266031)

超聲波法是混凝土無損檢測的一種重要方法。在超聲波法檢測混凝土試驗(yàn)中，采集的超聲波信號(hào)含有大量噪聲和干擾成分。針對以往傳統(tǒng)降噪方法存在去噪不徹底、不能完全保留有效信息以致產(chǎn)生誤判的問題，提出采用小波降噪方法用于超聲波信號(hào)的去噪。試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，采用小波降噪方法保留了超聲波的有效特征，使原始信號(hào)中的噪聲和干擾得到抑制，提高了信噪比，在混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測與診斷中發(fā)揮重要作用。

超聲波；混凝土；小波降噪；信噪比

引用格式：趙松玲，林旭梅，馬石巖，等. 小波降噪在混凝土超聲波檢測中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(17)：91-93,96.

0　引言

混凝土材料因具有性能優(yōu)越、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代土木工程建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。房屋、橋梁、海底隧道等大型建筑物的安全性和耐久性與國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。大型建筑物內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)缺陷及裂縫，若長期未被檢修人員察覺將嚴(yán)重危及人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前，常用的鋼筋混凝土材料的無損檢測方法主要包括：超聲波法、聲發(fā)射法、紅外線法、雷達(dá)法、沖擊回波法和微波法等[2]。其中，超聲波法是混凝土無損檢測方法中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。提高超聲波檢測信號(hào)的質(zhì)量是該技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問題之一。提高超聲波檢測信號(hào)的質(zhì)量，僅靠提高接收信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于硬件電路的引入等其他外部因素的影響，使超聲波接收信號(hào)信噪比大大降低，因此濾除超聲波檢測信號(hào)中的噪聲及干擾成分、提高信噪比是提高超聲波信號(hào)質(zhì)量的重要手段。

采用傳統(tǒng)的傅里葉變換對超聲波檢測信號(hào)進(jìn)行分析只能在時(shí)域或頻域內(nèi)展開，無法同時(shí)分析信號(hào)的時(shí)頻特征[3]；而短時(shí)傅里葉變換只能在一個(gè)分辨率上對信號(hào)進(jìn)行分析，無法同時(shí)具有很高的時(shí)頻分辨率。小波分析[4]作為一種典型的時(shí)頻分析技術(shù)，在頻域和時(shí)域內(nèi)同時(shí)具有優(yōu)良的局部化性質(zhì)，不僅可以對指定頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析而且還可以對指定時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)成分進(jìn)行分析，對信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行聚焦[5]。

小波降噪以小波分析的基本理論為基礎(chǔ)，在諸多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要作用。采用小波降噪方法處理混凝土超聲波檢測信號(hào)，對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估、壽命預(yù)測具有重要意義。

1　超聲波法檢測混凝土缺陷的基本原理

超聲波法檢測的基本原理是在混凝土的配合比、齡期、原材料和測試距離等技術(shù)條件相同的條件下，根據(jù)混凝土中超聲波傳播的時(shí)間(或速度)、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的不同及變化，來判定混凝土的缺陷情況[6]。根據(jù)聲波的傳播特點(diǎn)及原理可知，當(dāng)超聲波在混凝土中傳播時(shí)，若遇到缺陷或裂縫，超聲波會(huì)在缺陷、裂縫界面發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，導(dǎo)致最終到達(dá)接收換能器的聲波幅值減小。通過對比分析完損兩組混凝土檢測波形之間的幅值等有效細(xì)節(jié)信息可判斷缺陷或裂縫發(fā)生的位置、尺寸等。

由于混凝土是由固、液、氣三相組成的復(fù)合材料，各相之間的聲阻抗差異很大(如砂漿—?dú)饪捉缑?，導(dǎo)致散射衰減嚴(yán)重，散射衰減對高頻超聲波影響較大，為了使超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播距離足夠長，必須采用較低頻超聲波。查閱大量文獻(xiàn)資料可知，適用于混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的超聲波頻率在20 kHz～300 kHz范圍內(nèi)。因此，本文選定的發(fā)射型傳感器工作頻率為100 kHz。

2　超聲波法檢測混凝土硬件電路設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本文采用超聲波脈沖透射法對混凝土構(gòu)件進(jìn)行無損檢測。選擇兩個(gè)用于垂直探傷的單晶片直探頭(探頭材質(zhì)為壓電陶瓷材料)分別作為超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭。其一是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)(逆壓電效應(yīng))，其二是將接收的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(正壓電效應(yīng))。試驗(yàn)設(shè)計(jì)電路主要由兩部分組成：探頭陣列觸發(fā)電路和信號(hào)調(diào)理電路。系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

探頭陣列觸發(fā)電路用于產(chǎn)生幅值為400 V、頻率為100 kHz的高壓負(fù)脈沖施加于超聲波發(fā)射探頭。根據(jù)壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)，將幅值為400 V的高壓負(fù)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。探頭陣列觸發(fā)電路如圖2所示。

圖2　探頭陣列觸發(fā)電路

探頭陣列觸發(fā)電路激勵(lì)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)混凝土傳播到達(dá)接收探頭。由壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路將接收的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以備后續(xù)信號(hào)分析工作的進(jìn)行。本試驗(yàn)中，信號(hào)放大電路采用AD公司生產(chǎn)的一種可變增益運(yùn)算放大器AD603。該放大器具有寬頻帶、低噪聲、高增益精度的優(yōu)點(diǎn)，且采用線性增益控制方式。信號(hào)放大電路部分電路圖如圖3所示。

圖3　信號(hào)放大電路

運(yùn)用設(shè)計(jì)搭建的探頭陣列觸發(fā)電路和信號(hào)放大電路對完整混凝土試塊和有缺陷混凝土試塊分別進(jìn)行檢測，采集到的信號(hào)波形圖如4所示。

圖4　超聲波法檢測混凝土采集信號(hào)波形圖

3　小波分析方法

小波變換因具有選基靈活、去相關(guān)性、多分辨性等特點(diǎn)而在去噪方面得到廣泛應(yīng)用[7]。利用有用信號(hào)和噪聲的小波系數(shù)在各個(gè)尺度上具有不同的特性，先去除屬于噪聲的小波系數(shù)，然后對處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)便能得到降噪后的信號(hào)[8]。因超聲波法檢測混凝土試驗(yàn)中，接收信號(hào)噪聲成分大部分包含在具有較高頻率的細(xì)節(jié)中，因此對接收信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理能夠達(dá)到信號(hào)去噪、保留有效信息的效果。

(1)嵌套性：…?V-1?V0?V1…;

(4)互補(bǔ)性：Vj+1=Vj+Wj；

(5)尺度性：f(x)∈Vj?f(2x)∈Vj+1。

將同時(shí)具有上述5個(gè)性質(zhì)的空間序列{Vj,j∈Z}定義為由尺度函數(shù)φ(x)生成的一個(gè)多分辨率分析(Multi-ResolutionAnalysis,MRA)[9]。

圖5　多分辨率分析示意圖

多分辨率分析的基本原理是將信號(hào)投影到一組互相正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間上，形成信號(hào)在不同尺度上的展開，繼而提取信號(hào)在不同頻帶的特征，同時(shí)保留信號(hào)在各尺度上的時(shí)域特征[10]。多分辨率分析是一種有效的時(shí)頻分析方法，其示意圖如圖5所示。由圖5可看出，小波多分辨率分析具有優(yōu)良的時(shí)頻局部化能力，將信號(hào)分解為含有有效信息的低頻分量、含有噪聲和干擾的高頻分量。多分辨率分析每次對信號(hào)的低頻部分進(jìn)行分解，高頻部分保持不變。

本文對混凝土試塊進(jìn)行檢測，接收探頭收到的信號(hào)低頻部分包含信號(hào)的主要特征，反映了超聲波探測信號(hào)的有用部分，而高頻部分包含了外界干擾與噪聲。因此，在本文中，需要將超聲波信號(hào)的高頻部分濾除，保留信號(hào)的低頻部分即信號(hào)的有效特征。在混凝土超聲波檢測試驗(yàn)中，若想得到精確的分析結(jié)果，選擇小波多分辨率分析這一信號(hào)處理方法較為合適。

4　超聲波檢測信號(hào)的小波分析

4.1小波基的選擇

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，Haar小波在時(shí)域上不連續(xù)，且不具有對稱性；Morlet小波不具備緊支撐性和正交性，且沒有快速算法，計(jì)算量比較大、耗時(shí)長；DBN小波和sym小波在緊支撐性、支撐長度、正交性等方面都優(yōu)于Haar和Morlet小波基。sym小波在對稱性方面優(yōu)于DBN小波，采用sym小波進(jìn)行分析誤差較小，所以在超聲波信號(hào)處理方面sym小波效果更好[11]。因此，本文采用sym系小波作為小波基。對試驗(yàn)采集信號(hào)用sym系中的不同小波函數(shù)進(jìn)行分析比較，確定選用sym8小波作為小波基。

4.2尺度的確定

小波分解的層次不能無限制進(jìn)行，分解層次越多，信號(hào)就被分解得越徹底，計(jì)算量越大，耗時(shí)越長[12]。為了確定具體的分解尺度，本文采用sym8小波對試驗(yàn)采集的超聲波檢測信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)尺度取5時(shí)，相對于其他尺度，既能有效地去除信號(hào)中的無用成分，又完整地保留了有用成分。對混凝土采用超聲波脈沖透射法檢測得到的信號(hào)，采用該尺度進(jìn)行處理顯然是最為合適的。因此本文最終確定的分解尺度為5。

5　試驗(yàn)仿真及結(jié)果

在MATLAB中對利用超聲波法檢測完整混凝土和缺陷混凝土采集到的信號(hào)波形分別選用sym8小波基進(jìn)行5層信號(hào)分解，重構(gòu)系數(shù)得到降噪后的信號(hào)[13]。將超聲波法檢測混凝土試塊采集的信號(hào)經(jīng)小波降噪法進(jìn)行處理，降噪前后波形對比如圖6所示。

圖6　小波降噪處理前后的波形對比圖

由圖6可知，小波降噪處理所得信號(hào)的信噪比大大提高，去噪效果好。對試驗(yàn)采集信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理后更容易發(fā)現(xiàn)：完整混凝土與缺陷混凝土的超聲波特征差異主要體現(xiàn)在幅值方面，缺陷混凝土超聲波檢測波形幅值較小。經(jīng)試驗(yàn)和仿真可得，采用小波降噪方法既能抑制原始信號(hào)中的噪聲和干擾，又能保留有效信號(hào)，使信號(hào)明顯變得平滑，為后續(xù)信號(hào)特征和包絡(luò)的提取，以及缺陷位置、大小的識(shí)別提供必備條件。

6　結(jié)論

本文采用超聲波透射法對混凝土試塊進(jìn)行無損檢測，試驗(yàn)搭建超聲波發(fā)射電路和信號(hào)放大電路，運(yùn)行穩(wěn)定。利用小波降噪方法對采集的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，可提高信噪比，保留信號(hào)的有效特征，提高信號(hào)分析效率，有利于信號(hào)特征和包絡(luò)的提取，為混凝土的缺陷識(shí)別打下基礎(chǔ)。

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Application of wavelet de-noising in ultrasonic testing of concrete

Zhao Songling1, Lin Xumei1, Ma Shiyan2, Luo Pingping1, Xue Liangliang1

(1.School of Automation, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China; 2.Shandong HAIKE Information Technology Co., Ltd., Qingdao 266031, China)

The ultrasonic wavelet analysis method is an important method for non-destructive testing of concrete. In the test of concrete by ultrasonic testing method, there are a lot of noise and interference exit in the acquisition of ultrasonic signal. For the drawbacks of traditional de-noising method that it cannot remove the noise thoroughly, and may remove the useful information, so that with the noise signal recognition and interpretation can produce misjudgment. An adaptive wavelet de-noising method was proposed to process ultrasonic signal. Simulated and experimental results demonstrate that the wavelet de-noising method remains the effective characteristics of ultrasonic, the original signal noise and interference is suppressed, the Signal Noise Ratio (SNR) is improved. The wavelet de-noising method plays an important role in concrete structures’ monitoring and diagnosis work.

ultrasonic; concrete; wavelet de-noising; Signal Noise Ratio(SNR)

山東省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(J13LN40)

TP391

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.027

2016-05-10)

趙松玲(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測。

林旭梅(1970-)，通訊作者，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：自動(dòng)控制理論與自動(dòng)檢測。E-mail: lxm-ll@163.com。

馬石巖(1983-)，男，本科，工程師，主要研究方向：智能建筑與智能城市。