摘 要

现代工业生产中，石油、天然气以及其它运输管道的泄露时有发生，加之工业零件、操作设备及其它设施需要保证安全可靠地运行和对它们的保养维护，为了降低或者避免其发生故障的可能性，所以要对它们进行无损检测。超声导波具有传播长距离而衰减小的特性，因此采用超声导波检测技术可以针对深埋于地下的石油运输管道和水下的石油钻井平台的支撑管道等找好合适的检测点不开挖进行检测，既方便又能够大大节省时间。

传统的傅里叶方法在处理非平稳信号时会出现时间分辨率与频率分辨率无法兼顾的问题。鉴于此本文将采取短时傅里叶变换的分析方法对导波信号进行时频分析，并进一步探索信号的能量及频率是如何随时间变化的，同时在MATLAB软件上编写短时傅里叶变换的程序，并在程序编完之后进行必要的调试，以达到预期的结果，最后通过实验来验证程序的可行性。

关键词：超声导波；时频分析；短时傅里叶变换

Abstract

In the modern industrial production, oil, natural gas and other transportation pipelines are leaking, and industrial parts, operating equipment and other facilities need to be safely and reliably operated and maintained in order to reduce or avoid the possibility of failure , So they are nondestructive testing. Ultrasonic guided wave has the characteristics of long-distance attenuation and low attenuation. Therefore, ultrasonic guided wave detection technology can be used to find suitable detection points for deep-buried oil transportation pipeline and underwater oil drilling platform. To detect, both convenient and can save a lot of time.

The traditional Fourier method in dealing with non-stationary signal will appear when the time resolution and frequency resolution can not be compatible with the problem. therefore, in this paper, we will use the short-time Fourier transform analysis method to conduct time-frequency analysis of the guided-wave signal, and further explore how the energy and frequency of the signal change with time, and write the short-time Fourier transform program on MATLAB software , And after the completion of the program to carry out the necessary debugging to achieve the desired results, and finally through the experiment to verify the feasibility of the program.

Keywords: Ultrasonic wave; time - frequency analysis; short - time Fourier transform

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文选题意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文结构安排 2

1.4 本章小结 3

第2章 基本理论 4

2.1 导波的概念 4

2.2 超声波的基本概念 4

2.2.1 声阻抗 4

2.2.2 声衰减 5

2.3 超声导波的基本概念 5

2.3.1 群速度和相速度 5

2.3.2 频散现象 5

2.3.3 多模态特性 6

2.3.4 板中的波 6

2.4 导波的激发与接收 8

2.4.1 板中导波的激励与接收 8

2.4.2 管中导波的激励与接收 9

2.5 本章小结 10

第3章 导波信号的时频分析方法 11

3.1 几种常见的时频分析方法 11

3.1.1 短时傅里叶变换 11

3.1.2 Wigner-Ville分布 12

3.2 本章小结 13

4.1 基于磁伸缩效应的导波实验装置 14

4.2 导波无损检测实验 15

4.2.1 实验材料 15

4.2.2 实验检测与滤波分析 18

4.3 本章小结 19

致谢 21

参考文献 22

第1章 绪论

1.1 论文选题意义

近年来，随着人们对检测技术的要求越来越高，无损检测其互容性、动态性、严格性等特点越来越被人们所关注。以对管道的无损检测为例，管道系统在长期使用中，由于腐蚀、疲劳破坏等缺陷造成的工业事故数不胜数，给社会和环境带来了严重后果。

在无损检测的各种方法中，超声导波无损检测因其自身特点而被广泛的应用，因此有必要对导波信号进行时频分析。

导波信号的时频分析方法有很多种，应用的比较成熟的有以下几种：短时傅里叶变换、Wigner-Ville变换^[1]、二维傅里叶变换^[2]和希尔伯特黄变换。但这几种分析方法又有各自的优点以及局限性。二维傅里叶变换主要针对的是平稳时变信号；短时傅里叶变换主要针对的是非平稳时变信号。综合以上优缺点，短时傅里叶变换分析的方法渐渐地被大多数人所接受。当然，随着科技的不断发展，人们对非平稳时变信号进行分析的要求越来越高，短时傅里叶变换的分析方法可能也不会得到人们需要的结果。但对于非平稳时变信号，现阶段采用短时傅里叶变换的方法对导波信号进行时频分析，仍然可以很大程度上满足人们的需要。在管道检测中，导波检测技术具有常规无损检测技术所不具备的优势^[3]。导波的特点之一就是它可以传播很长的距离，并且能够覆盖被检测物体的整个横截面，因而在管、杆、板等检测领域得到了广泛的应用^[4],此外，由于超声导波技术实际上检测的是一条线，不是一点，因此可以节约很多的检测时间，从而提高了检测效率^[5～9]。这是说超声导波与其他检测方法相比的优点。但超声导波的缺点在于它存在频散和多模态现象。常规的超声导波探伤仪发出的导波信号往往包含至少两种模式，且这些模式难以分辨；同时，导波信号在遇到边界或者缺陷时，模态会发生转换，信号的频率成分也会发生变化，此外对于缺陷位置、材料厚度等物理参量，可以通过对超声回波信号的时域处理得到，类似的相速度、共振频率等信息也可以通过频域处理获得。然而单一的时域或者频域分析只能在单一模态或者是多模态中传播。瞬态信号有频散特性，而且也会受频率及时间的限制，导波检测信号作为瞬态信号的一种，因而具有非平稳随机信号的一些特征，与传统的时域或者频域的单一分析方法相比，采用时频分析也更具有其现实意义。

本文将采取短时傅里叶变换的分析方法对导波信号进行时频分析，并进一步探索信号的能量及频率是如何随时间变化的，同时在MATLAB软件上编写短时傅里叶变换的程序，并在程序编完之后进行必要的调试，以达到预期的结果，最后通过实验来验证程序的可行性。

1.2 国内外研究现状

对于导波的研究一直就没停止过，比如在1967年，Viktorov^[10]借助计算机的便利，发表了关于兰姆波以及瑞利波的一些十分有见解的文章，他还描述了导波作用于表面以及导波作用于内部缺陷这样两种情形，而对弹性波进行无损检测和评价则要追溯到1929年，由Sokolov^[11]在他设计的系统中，通过一定频率的超声信号，产生了接近于显微镜的分辨率。近几年，随着对导波研究的深入，超声无损检测又有了新的突破，这其中比较突出的是微波技术在无损检测中的应用，Roqueta^[12]所采用的是钢筋混凝土，并用微波无损检测方法对其结构进行了研究，McDonal^[13]则选取的碳纳米管复合材料作为研究对象。随着对导波信号研究的不断深入，对导波信号的时频分析也一直是人们关注的焦点。20世纪40年代，Koenig^[14]提出了语谱图的分析方法，之后法国科学家Morlet^[15]发现了地震信号的一个特点：地震信号在低频端频率分辨率应该较高，而在高频端频率分辨率则较低一些，据此，在Meyer和Grossman^[16]的共同努力下，小波变换的分析方法得以发展，几十年间许多科学家的共同努力使得小波变换的发展取得重要突破，并形成了多分辨率分析、滤波器组、框架三大体系。之后S变换被Stockwell^[17]提出，这种变换可以看做是短时傅里叶变换及小波变换的进一步发展，然而S变换的窗函数与短时傅里叶变换一样，也是固定不变的，因此在之后的几年Pinnegar^[18,19]对S变换又进行了推广，进一步的提出了声谱图的分析方法。