時頻技術(shù)對復合材料試驗的重要性范文

本站小編為你精心準備了時頻技術(shù)對復合材料試驗的重要性參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

作者：李迎單位：深圳職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院

三種時頻分析法用于簡單信號的實驗分析

以一個頻率切換的簡單信號驗證以上三種方法在時頻分析上的能力。某信號在某個時間點頻率從20Hz跳變到5Hz，如圖1(a)，對它進行不同的時頻變換后可以看出，每種分析結(jié)果都有明顯的兩個頻率成分發(fā)生切換，符合時域信號的情況。但由圖1(b)可得短時傅立葉變換時間定位誤差較大。圖1中(c)和(d)兩個圖分別給出了頻率切換信號在morlet和db5兩種基小波下的時頻譜。從兩圖可知圖1(c)中morlet小波的分析結(jié)果明顯好于db5的結(jié)果，表現(xiàn)在尺度的分辨力更高。證明了小波分析對基小波選擇的依賴性。圖1(e)的Hilbert譜圖中不僅給出了精確的時間定位和頻率定位，還有效地表達了信號能量。信號的能量用灰度來表示，顏色越白能量越大，顏色越暗能量越小。綜合三種分析方法，雖然他們都能給出時間－頻率信息，但是Hilbert譜給出了最精確的結(jié)果。

三種時頻分析法用于復合材料損傷判定的實驗分析

當結(jié)構(gòu)的健康狀況出現(xiàn)問題時，結(jié)構(gòu)的強度會根據(jù)損傷發(fā)生的程度產(chǎn)生一定的減弱現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的一些固有特性也會發(fā)生變化，如此一來，結(jié)構(gòu)的總體性能會隨之下降。不論是橋梁、飛機還是民用建筑，一旦發(fā)生這樣的狀況，而又沒有及時監(jiān)測到損傷的存在，就會導致潛在的危險，直接威脅公共財物和人身安全。本實驗在復合材料上模擬損傷信息，用不同的時頻分析方法來進行試驗數(shù)據(jù)分析，以進行復合材料損傷判定以及時頻分析法的比較研究。

1實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)的硬件部分包括基體材料、壓電片、電荷放大器、NIPCI-6110數(shù)據(jù)采集板以及各種傳輸線。基體材料采用玻璃纖維增強的復合材料層合板，疊層次序為(0/90°)，尺寸為700mm×500mm×2mm，如圖2。其中，圖2(a)為沒有任何損傷的板材，圖2(b)在AB之間制作直徑為8mm的圓孔，作為模擬缺陷。A處、B處分別粘貼直徑為15mm的壓電片，用于信號發(fā)送與接收，間距為10cm，激勵信號選擇中心頻率為125MHz的Lamb波。YE5850型電荷放大器接收壓電片信號，并將信號傳送到數(shù)據(jù)采集裝置。NIPCI-6110數(shù)據(jù)采集板是即插即拔，具有多功能模擬、數(shù)字和定時的I/O設備。軟件系統(tǒng)是自行開發(fā)基于VC的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件系統(tǒng)，涉及信號設置、數(shù)采設置、信號顯示以及數(shù)據(jù)處理等幾個部分，具有很強的適用性。

2數(shù)據(jù)分析

圖3為健康板材與圓孔損傷板材的接收時域信號，以下分別采用STFT、小波變換和HHT對這兩組數(shù)據(jù)進行分析處理。圖4為短時傅立葉分析譜，譜圖可以基本定位信號的中心頻率125kHz，在譜圖的分布上表現(xiàn)了一定的變化，然而在時間定位和信號差異區(qū)分方面還存在欠缺。雖然STFT在很多領(lǐng)域具有一定的適應性，但在本實驗中表現(xiàn)的分析能力有限。

小波分析結(jié)果很大程度上取決于采用的小波基，本實驗嘗試選擇了Morlet和db5兩種基小波，最終選擇了效果更好的Morlet小波基，譜圖如圖5。小波譜圖獲取的是數(shù)據(jù)點和尺度的關(guān)系圖，雖然尺度與頻率沒有明確的轉(zhuǎn)換關(guān)系，但是根據(jù)大尺度對應小頻率、小尺度對應大頻率的準則，我們可以間接掌握頻率信息，因此小波譜表現(xiàn)出了一定的時頻分析能力，但在精度上略顯不足。相比較而言，Hilbert譜圖提供了更精確完整的信息。圖6提供的每個HHT分析結(jié)果都包括時間－能量、時間－頻率圖兩個部分。時間－能量圖以實線條表達信息，從中不僅可以確定能量隨時間的變化情況，還能定位出最大能量抵達時間。當發(fā)生打孔損傷后最大能量值發(fā)生了明顯的衰減，健康信號的最大能量值可達到0.6以上，可打孔損傷的結(jié)果使得其能量值已經(jīng)不足0.6，從這一點可以證明損傷的存在。時間－頻率圖即Hilbert譜圖以二維的形式表示出了時間－頻率－能量的關(guān)系，能量是以灰度圖來表示的，其中，顏色越亮白表示能量越大，顏色越暗表示能量越小。由圖6(a)可知，健康信號在0.12～0.15ms時間段有一段能量譜，但是在圖6(b)打孔信號中這段能量譜轉(zhuǎn)移到了0.2ms附近，這說明當復合材料板發(fā)生打孔損傷后，接收信號的能量分布發(fā)生了明顯移動。因此無論從能量的量值還是從能量的分布上，HHT分析結(jié)果都明確告訴了我們損傷的存在。以此為基礎還可以繼續(xù)實現(xiàn)對損傷定位的研究。

小結(jié)

基于短時傅立葉變換、小波變換、HHT的理論與數(shù)學算法基礎，利用Matlab實現(xiàn)算法編程并針對復合材料損傷判定實驗數(shù)據(jù)進行分析與處理，結(jié)果證明它們是行之有效的時頻分析技術(shù)，可以綜合描述信號在時間、頻率甚至是能量上的變化，表現(xiàn)出對復合材料損傷判定的分析能力。較短時傅立葉變換和小波變換，HHT在時間定位、頻率定位上表現(xiàn)出更高的精度，為復合材料損傷判定實驗提供了更明確的信息，是一種有效的時頻分析方法。