超声非线性效应表征的动态小波指纹分析方法

针对结构早期损伤超声非线性检测中损伤表征问题,发展了一种基于动态小波指纹的超声信号分析方法,从超声信号的动态小波指纹分布中提取出一种可用于结构早期损伤表征的超声非线性特征参数。研究了小波基函数及分析尺度对超声非线性效应提取效果的影响,优选出对结构早期损伤敏感的小波基函数以及尺度范围。将提出的动态小波指纹分析方法应用于二次谐波及混频非线性超声检测信号分析,结果表明,动态小波指纹分析方法可有效提取出检测信号中的二次谐波及混频分量,基于小波指纹分布的非线性特征参数可用于板结构中微裂纹的定量表征.本文研究工作为结构早期损伤超声非线性检测中的弱非线性效应提取作了有益探索。      

超声换能器对线性调频信号脉冲压缩性能的影响分析*

该文研究了不同编码带宽下超声换能器对编码信号脉冲压缩后信噪比与轴向分辨率的影响关系。将脉冲压缩后的时域峰值转化为频域积分的形式，得到考虑换能器影响的脉冲压缩信噪比公式。以线性调频信号为例，仿真与实验结果表明，编码激励相对于方波激励的信噪比增益随编码带宽的减小而增大，因为受换能器带宽限制，编码激励的轴向分辨率随编码带宽的增大先减小后趋于稳定。该研究为编码激励方法更有效地应用于超声检测的背景中提供了参考。     

行波超声马达定子和转子接触状态实验研究

提出了一种直接测量行波超声马达定子和转子接触状态的方法—电接触法。利用这种方法研究了接触预压力和定子激励电压(定子振幅)对定子和转子接触状态的影响。借助于自制的超声马达摩擦特性模拟实验装置,测量了超声马达堵转力矩和空载转速随接触预压力和定子激励电压的变化。提出用相对接触长度描述定子和转子的接触特性,建市了超声马达特性与定子和转子相对接触长度的联系。此外,还利用现有的行波超声马达定子和转子接触理论模型,计算了给定工作条件下接触区长度,并与实验结果进行了比较。研究结果可为行波超声马达的设计提供理论指导。     

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

可产生"任意"超声检测信号的方法

提出了一种实现超声检测中期望检测信号的方法.该方法采用自适应滤波解卷积计算获得期望检测信号所需的激励信号,通过将该激励信号施加在检测系统上获得期望的检测信号,达到检测信号的可控可调.实验获得了时宽带宽积达33的线性调频检测信号和信噪比达18.1 dB的单周期检测信号,达到期望要求.仿真分析表明,所实现的检测信号信噪比将随检测系统带宽的增加而增加.该方法可用于产生与检测目标相匹配的检测信号,提高超声检测性能.     

面向CMUT声发射特性的驱动电路优化设计

根据电容式微机械超声换能器(CMUT)的工作原理,设计了用于驱动CMUT发射超声波的电路.通过适当的串行匹配,消除了脉冲激励信号的过冲现象.在此基础上进一步探究了脉冲激励参数对CMUT声发射特性影响.结果表明,随着激励脉冲个数的增加,CMUT输出超声信号的有效带宽逐渐变窄,二次谐波逐渐增强;随着激励脉冲占空比的增加,C...     

窗函数在扬声器异常声客观检测中的影响

该文研究了基于短时傅里叶变换的扬声器异常声检测方法中,窗函数对特征距离阈值设定的影响。以连续对数扫频信号激励被测扬声器单元,并对响应信号进行短时傅里叶变换。通过对比不同窗函数下,被测单元之间的特征距离来寻找合适的窗函数。结果表明,不同窗函数下得到的特征距离具有不同的离散度;选择合适的窗函数,可使特征距离具有较大离散度,从而更合理地设定阈值。     

人脸运动状态下的非接触式心率稳定测量算法

远程光电容积描记法(rPPG)可用于从人脸视频中计算得到心率,但目前提出的rPPG算法大多对受试者要求和限制较多,不利于日常条件下心率的稳定测量。提出了一种肤色正交平面算法(POS)的改进算法,针对在实际环境下由于被测者头部运动导致心率测量结果精确度较低的问题,利用基于颜色畸变的频域滤波器和POS算法,首先对信号在频率域上进行频域滤波处理,再送入POS算法进行时域滤波,以此减少不同噪声对信号质量的影响。结果表明,本算法各项评价指标相较于其它算法均有所提升,适用于人脸运动状态下心率的稳定检测。     

超声检测中常用激励波形的高精度相控发射实现

超声无损检测根据不同的检测需求使用不同的激励波形,而超声相控阵技术的应用则要求各通道的激励波形能够相控发射。分析了不同检测对象、不同检测方法对激励信号的波形类型要求,研究了基于FPGA主控的数字式超声检测平台下实现单通道方波脉冲、尖脉冲、正弦波形和任意波形等的发射方法,以及以上各种波形在多通道高精度相控发射时的实现方法。实验表明,各种波形的激励信号都实现了高精度相控发射,最高可达1ns的延时精度。     

用于缺陷定量的超声散射信号去相关分析及贝叶斯反演方法

针对结构中缺陷定量识别问题,建立了椭圆缺陷超声散射仿真模型,研究了缺陷偏转角度及尺寸对散射信号去相关特性的影响。结果表明,超声信号去相关系数矩阵与缺陷几何状态(如尺寸及角度)存在很大关联性,但并非线性相关。结合参数化有限元分析与贝叶斯理论,发展了一种基于超声散射信号去相关分析的缺陷反演方法,开展了缺陷反演数值仿真及检测实验。结果表明,发展的缺陷反演方法可以很好实现铝块与铝板缺陷位置及尺寸反演。其中铝块开口缺陷尺寸(深度)反演误差约为激励波长0.2倍,位置误差约为激励波长0.6倍;铝板圆形缺陷尺寸反演误差约为激励波长0.04倍,位置误差约为激励波长0.4倍。研究工作为结构中缺陷定量识别与评价做了有益探索。      

闭合裂纹非共线混频超声检测试验研究

针对结构中微裂纹检测难题,发展了一种闭合裂纹非共线混频超声检测方法。在对非共线混频超声检测机理分析基础上,进行了结构中疲劳裂纹混频非线性超声检测实验。对有无裂纹试件中检测信号进行了滤波和时频分析,结果表明,可根据信号滤波后时域波形中是否存在明显的混频波包或时频分析中是否存在明显的和频分量,实现有无闭合裂纹的判识;通过移动激励探头的位置,控制两列入射声波在试件中的交汇位置,实现试件中不同深度位置的混频非线性检测。并根据测得的混频非线性系数沿试件深度方向上分布,实现了闭合裂纹沿深度方向上长度的测量。研究工作为结构中微裂纹定量评价做了有益探索。      

基于空耦超声Lamb波的金属板状结构内部缺陷检测方法

针对接触式超声检测方法在金属板结构内部缺陷实际工程检测中存在的环境要求高、效率低、操作难度高等问题,提出了空耦超声Lamb波检测方法,该方法能更好地适应现场应用环境,提高检测效率,减少传感器数量。通过有限元仿真和实验分析比较了空耦超声检测与接触式超声检测两种方法接收到的信号和成像效果。结果表明:有限元仿真和实验中,空耦超声检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和3.6 mm,接触式检测方法对缺陷位置的定位误差分别为2 mm和11.3 mm,空耦检测具有较高的定位精度;单侧激励条件下,适合采用A0模态Lamb波对板内缺陷进行检测;空耦超声检测可以通过调整信号接收角度接收单一模态Lamb波,避免伪像产生。该方法为后续金属板状结构内部缺陷的空耦超声检测提供参考。     

某型指挥信息系统有线远传接口自动识别方法

为提高对指挥信息系统有线远距离传输接口测试的自动化水平,提出一种基于信号特征提取的信号类型自动识别方法。在对各类接口信号时域和频域特性分析的基础上,采用限幅滤波法实现对信号峰峰值的准确判断,通过基于Burg算法AR模型的谱估计方法实现信号频谱准确估计。依据提取到的信号峰峰值和频带宽度,采用双阀值判决方法对接口类别进行自动识别。实验结果表明,基于信号时频域特征差异的自动识别方法,能够有效区分3种类型15个接口,识别准确度达到87%以上。     

A new similarity index for nonlinear signal analysis based on local extrema patterns

Common similarity measures of time domain signals such as cross-correlation and Symbolic Aggregate approximation (SAX) are not appropriate for nonlinear signal analysis. This is because of the high sensitivity of nonlinear systems to initial points. Therefore, a similarity measure for nonlinear signal analysis must be invariant to initial points and quantify the similarity by considering the main dynamics of signals. The statistical behavior of local extrema (SBLE) method was previously proposed to address this problem. The SBLE similarity index uses quantized amplitudes of local extrema to quantify the dynamical similarity of signals by considering patterns of sequential local extrema. By adding time information of local extrema as well as fuzzifying quantized values, this work proposes a new similarity index for nonlinear and long-term signal analysis, which extends the SBLE method. These new features provide more information about signals and reduce noise sensitivity by fuzzifying them. A number of practical tests were performed to demonstrate the ability of the method in nonlinear signal clustering and classification on synthetic data. In addition, epileptic seizure detection based on electroencephalography (EEG) signal processing was done by the proposed similarity to feature the potentials of the method as a real-world application tool.     

A new technique for the identification of ultrasonic flaw signals using deconvolution

The identification of ultrasonic flaw signals is a difficult task in the angle beam ultrasonic testing of welded joints due to the presence of non-relevant signals from the geometric reflectors such as weld-roots and counter-bores. This paper describes a new approach to identify ultrasonic flaw signals in such a problematic situation. A similarity function is defined as the deconvolution of a target signal by a reference signal. The similarity functions for the same type of flaws/references are symmetric bandlimited impulse-like patterns with larger amplitudes while those for different types of flaws/references are asymmetrical broad patterns with relatively smaller amplitudes. Therefore, ultrasonic signals could be identified by the pattern of the similarity function. In the initial experiments, the proposed technique showed great potential for identifying ultrasonic flaw signals in the inspection of weld joints.     

长骨中振动声激发超声导波的方法

为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号,本文提出一种采用聚焦高频(5 MHz)超声换能器在长骨皮质骨中激发低频(150 kHz)超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理;进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象,然后结合牛胫骨板离体实验,验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明,双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度,以及在一定频段内实现任意频率激励等,对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.     

The optimum bandwidth of chirp signals in ultrasonic applications

A new formula for the pulse-compression ratio achievable with linear FM pulses (chirp signals) in ultrasonic applications is derived. The calculations take into account the frequently omitted effects of the transfer function of an ultrasonic transducer. For a squared-cosine type transducer spectrum, the optimum chirp signal bandwidth is 1.14 times the 6 dB bandwidth of the transducer. The pulse-compression ratio is 2.24 dB lower than in the case of an ideal broadband transducer. Measurements show a close agreement with the presented theory.     

超声阵列的多频脉冲压缩方法研究

脉冲压缩方法通过采用编码信号激励与脉冲压缩接收来提高超声检测的时间分辨率和信噪比。然而,受换能器带宽的限制,编码信号的时间带宽积往往有限,影响脉冲压缩效果。开展了基于超声阵列的多频脉冲压缩方法研究,超声阵列是由具有不同中心频率和带宽的多个阵元组成,从而使得整个阵列具有比单个换能器更宽的带宽。提出了压缩后叠加取包络的脉冲压缩方法,并研究了这种方法在提高时间分辨率和主副瓣比上的技术方案,对多频脉冲压缩的超声阵列进行了设计与优化,发现多频脉冲压缩方法能很大程度地提高时间分辨率,并能有效地抑制各阵元信号叠加产生的周期副瓣。理论和实验结果表明,这种压缩后叠加取包络的方法得到的时间分辨率在性能上受阵元带内不平整度的影响很小,能使阵元压缩包络中的主副瓣比得到明显改善。