时频技术对复合材料试验的重要性范文

作者：李迎单位：深圳职业技术学院机电工程学院

三种时频分析法用于简单信号的实验分析

以一个频率切换的简单信号验证以上三种方法在时频分析上的能力。某信号在某个时间点频率从20Hz跳变到5Hz，如图1(a)，对它进行不同的时频变换后可以看出，每种分析结果都有明显的两个频率成分发生切换，符合时域信号的情况。但由图1(b)可得短时傅立叶变换时间定位误差较大。图1中(c)和(d)两个图分别给出了频率切换信号在morlet和db5两种基小波下的时频谱。从两图可知图1(c)中morlet小波的分析结果明显好于db5的结果，表现在尺度的分辨力更高。证明了小波分析对基小波选择的依赖性。图1(e)的Hilbert谱图中不仅给出了精确的时间定位和频率定位，还有效地表达了信号能量。信号的能量用灰度来表示，颜色越白能量越大，颜色越暗能量越小。综合三种分析方法，虽然他们都能给出时间－频率信息，但是Hilbert谱给出了最精确的结果。

三种时频分析法用于复合材料损伤判定的实验分析

当结构的健康状况出现问题时，结构的强度会根据损伤发生的程度产生一定的减弱现象，结构的一些固有特性也会发生变化，如此一来，结构的总体性能会随之下降。不论是桥梁、飞机还是民用建筑，一旦发生这样的状况，而又没有及时监测到损伤的存在，就会导致潜在的危险，直接威胁公共财物和人身安全。本实验在复合材料上模拟损伤信息，用不同的时频分析方法来进行试验数据分析，以进行复合材料损伤判定以及时频分析法的比较研究。

1实验系统

实验系统由硬件和软件两部分组成。系统的硬件部分包括基体材料、压电片、电荷放大器、NIPCI-6110数据采集板以及各种传输线。基体材料采用玻璃纤维增强的复合材料层合板，叠层次序为(0/90°)，尺寸为700mm×500mm×2mm，如图2。其中，图2(a)为没有任何损伤的板材，图2(b)在AB之间制作直径为8mm的圆孔，作为模拟缺陷。A处、B处分别粘贴直径为15mm的压电片，用于信号发送与接收，间距为10cm，激励信号选择中心频率为125MHz的Lamb波。YE5850型电荷放大器接收压电片信号，并将信号传送到数据采集装置。NIPCI-6110数据采集板是即插即拔，具有多功能模拟、数字和定时的I/O设备。软件系统是自行开发基于VC的结构健康监测软件系统，涉及信号设置、数采设置、信号显示以及数据处理等几个部分，具有很强的适用性。

2数据分析

图3为健康板材与圆孔损伤板材的接收时域信号，以下分别采用STFT、小波变换和HHT对这两组数据进行分析处理。图4为短时傅立叶分析谱，谱图可以基本定位信号的中心频率125kHz，在谱图的分布上表现了一定的变化，然而在时间定位和信号差异区分方面还存在欠缺。虽然STFT在很多领域具有一定的适应性，但在本实验中表现的分析能力有限。

小波分析结果很大程度上取决于采用的小波基，本实验尝试选择了Morlet和db5两种基小波，最终选择了效果更好的Morlet小波基，谱图如图5。小波谱图获取的是数据点和尺度的关系图，虽然尺度与频率没有明确的转换关系，但是根据大尺度对应小频率、小尺度对应大频率的准则，我们可以间接掌握频率信息，因此小波谱表现出了一定的时频分析能力，但在精度上略显不足。相比较而言，Hilbert谱图提供了更精确完整的信息。图6提供的每个HHT分析结果都包括时间－能量、时间－频率图两个部分。时间－能量图以实线条表达信息，从中不仅可以确定能量随时间的变化情况，还能定位出最大能量抵达时间。当发生打孔损伤后最大能量值发生了明显的衰减，健康信号的最大能量值可达到0.6以上，可打孔损伤的结果使得其能量值已经不足0.6，从这一点可以证明损伤的存在。时间－频率图即Hilbert谱图以二维的形式表示出了时间－频率－能量的关系，能量是以灰度图来表示的，其中，颜色越亮白表示能量越大，颜色越暗表示能量越小。由图6(a)可知，健康信号在0.12～0.15ms时间段有一段能量谱，但是在图6(b)打孔信号中这段能量谱转移到了0.2ms附近，这说明当复合材料板发生打孔损伤后，接收信号的能量分布发生了明显移动。因此无论从能量的量值还是从能量的分布上，HHT分析结果都明确告诉了我们损伤的存在。以此为基础还可以继续实现对损伤定位的研究。

小结

基于短时傅立叶变换、小波变换、HHT的理论与数学算法基础，利用Matlab实现算法编程并针对复合材料损伤判定实验数据进行分析与处理，结果证明它们是行之有效的时频分析技术，可以综合描述信号在时间、频率甚至是能量上的变化，表现出对复合材料损伤判定的分析能力。较短时傅立叶变换和小波变换，HHT在时间定位、频率定位上表现出更高的精度，为复合材料损伤判定实验提供了更明确的信息，是一种有效的时频分析方法。