基于EMD的激光聲表面波仿真分析

姚偉　賈慈力　顧鵬　陳超　楊鴿鴿

摘要：激光超聲憑借其具有非接觸、信號(hào)的信噪比高、靈敏度高、頻帶寬等特點(diǎn)，在材料的檢測方面有著獨(dú)特優(yōu)勢。本文利用有限元軟件針對激光激勵(lì)聲表面波過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了聲表面波的傳播特性;對實(shí)際檢測信號(hào)進(jìn)行了EMD去噪，得到了去噪后的重構(gòu)信號(hào)，將去噪后的信號(hào)同仿真信號(hào)對比。結(jié)果證明激光超聲激發(fā)的聲表面波主要沿著材料表層向四周發(fā)散，其在遠(yuǎn)場區(qū)域會(huì)有小幅度的衰減，并且經(jīng)過EMD去噪后的信號(hào)具有和仿真信號(hào)相同的特征，對今后激光超聲的實(shí)驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：激光超聲;有限元;聲表面波;EMD

【Abstract】Laserultrasoundhasuniqueadvantagesinmaterialdetectionduetoitsnon-contactcharacteristics，highsignal-to-noiseratio，highsensitivity，andfrequencybandwidth.Thispaperusesfiniteelementsoftwaretonumericallysimulatethelaser-excitedsurfaceacousticwaveprocess，andobtainthepropagationcharacteristicsofthesurfaceacousticwave;fortheactualdetectionsignal，theEMDdenoisingiscarriedout，andthereconstructedsignalafterdenoisingisobtained.Thelattersignaliscomparedwiththesimulatedsignal.Theresultprovesthatthesurfaceacousticwaveexcitedbylaserultrasoundmainlydivergesaroundthesurfaceofthematerial，anditwillhaveasmallamplitudeattenuationinthefarfieldarea.ItisdemonstratedthatthesignalafterEMDdenoisinghasthesamecharacteristicsasthesimulationsignal.Theexperimentsoflaserultrasoundwillhaveimportantreferencevalueinthefuture.

【Keywords】

laserultrasound;finiteelement;surfaceacousticwave;EMD

作者簡介：姚偉（1997-），男，碩士研究生，主要研究方向：無損檢測及信號(hào)處理。

0引言

激光超聲技術(shù)是在傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展，與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比，該技術(shù)有著自身獨(dú)特的作用，在某些特殊場合，激光超聲有著無法代替的地位。由于激光超聲本身具有非接觸、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，導(dǎo)致激光超聲檢測所得到的信號(hào)具有非線性、非平穩(wěn)的特征，常規(guī)的傅里葉變換、小波變換等無法表征頻譜的會(huì)遇到成分分布情況、閾值難以確定等問題。這時(shí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解由于其基函數(shù)從信號(hào)自身獲得、無需考慮閾值選擇，從而適合于超聲信號(hào)的去噪處理。

近幾十年來，許多學(xué)者致力于研究激光激勵(lì)Rayleigh波檢測表面破裂裂紋的特征，并獲得了豐富的研究成果[1-3]。激光聲表面波由于具有表面及近表面?zhèn)鞑ヌ匦裕瑢z測材料的表面及近表面特征具有獨(dú)特的優(yōu)勢[4-5]。利用聲表面波的色散特性，研究不同介質(zhì)下的傳播聲學(xué)參數(shù)，同時(shí)又根據(jù)聲表面波傳播時(shí)與材料中表面缺陷與近表面缺陷的相互作用，實(shí)現(xiàn)對材料表面缺陷進(jìn)行檢測[6-7]。小波變換因其具有良好的局部特性，且表現(xiàn)出傳統(tǒng)降噪方法不可比擬的優(yōu)越性，在信號(hào)去噪中獲得了廣泛應(yīng)用[8-9]，但是，小波分解存在基函數(shù)選擇困難、頻域重疊和閾值不確定等問題，這也必然帶來一定局限性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（empiricalmodedecomposition，EMD）是近十年中發(fā)展起來的針對非線性非平穩(wěn)信號(hào)處理的有效方法[10]，EMD的主要優(yōu)勢在于基函數(shù)可以依據(jù)信號(hào)自身特征來獲得，避免了小波變換中選擇基函數(shù)較為困難的問題。

本文利用有限元軟件對激光超聲的激勵(lì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了材料表面的激光超聲的聲表面波的傳播規(guī)律，并且對實(shí)際檢測的超聲信號(hào)進(jìn)行了EMD去噪分析，將經(jīng)過去噪后的信號(hào)同仿真信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，去噪效果較好。

1激光超聲熱彈理論及EMD去噪原理

1.1激光超聲熱彈理論

實(shí)驗(yàn)采用熱彈機(jī)制激發(fā)超聲波形，激光脈沖輻照于材料表面（其能量低于熔融閾值），材料表面通過吸收激光輻照能量，從而導(dǎo)致材料局部升溫，發(fā)生熱不平衡，材料表面形成熱膨脹，在材料表面及其附近產(chǎn)生的溫度場不均勻，從而導(dǎo)致材料中產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變，激發(fā)產(chǎn)生瞬態(tài)位移，形成聲表面波信號(hào)。對于各向同性的金屬鋁而言，其熱彈耦合過程可表示如下：

1.2EMD去噪原理

EMD依據(jù)信號(hào)本身的局部自適應(yīng)特點(diǎn)產(chǎn)生“基函數(shù)”，不需要預(yù)先設(shè)定基函數(shù)，其自適應(yīng)性優(yōu)于小波變換和短時(shí)傅里葉變換。而考慮到信號(hào)時(shí)間尺度的不同，EMD則可將復(fù)雜的信號(hào)分解成若干個(gè)按頻率由高到低排列的固有模態(tài)函數(shù)（intrinsicmodefunction，IMF），因此可以將其看作是以信號(hào)極值特征尺度為度量的時(shí)空濾波過程，可以根據(jù)這個(gè)性質(zhì)對檢測信號(hào)進(jìn)行濾波分析和降噪處理。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可以將復(fù)雜的信號(hào)分解成一系列具有不同時(shí)間尺度的固有模態(tài)函數(shù)，其中固有模態(tài)函數(shù)必須符合以下的2個(gè)條件：

（1）在整個(gè)取值范圍內(nèi)，函數(shù)的極值點(diǎn)與過零點(diǎn)的數(shù)目相等或者最多相差一個(gè)。

（2）在任意時(shí)刻，上包絡(luò)線的局部最大值和下包絡(luò)的局部最小值的平均值為零。