基于小波包变换的电磁超声接收信号特征提取

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　　0 引言

　　电磁超声技术(EMAT)起源于20世纪60年代，电磁超声的核心器件是电磁超声换能器，它是一种新型的超声发射、接收装置[1-3]。因其在检测过程中可以不与被检材料表面直接接触、且无需加入声耦合剂、检测速度快、重复性好、耐高温、适宜对特殊形状材料的检测等优点而受到越来越多的关注。

　　电磁超声信号特征提取主要是通过分析回波信号中所包含的特征信息，由此来确定被测物质的缺陷类型，它的关键步骤就是回波信号的识别和分析，但是直接从回波信号中提取特征是很难实现的，尤其在对复合材料及缺陷结构较复杂的构件进行分类时，由于超声波在构件中传播时会产生多次反射，而且衰减严重[2]，使得回波信号变形，传统的方法是通过改善超声探头来提高测试精度，但该方法有一定的局限性，故需要采用不同的信号处理方法来提取回波信号的特征，以获得更准确的缺陷特征。

　　为了能较好地从电磁超声接收信号中提取出包含缺陷信息的特征信息，研究了基于信号功率谱能量分布的缺陷定性分析，但由于该方法在检测环境复杂时，信号功率谱估计结果容易出现失真，会导致误检和漏检。故在定性分析后使用小波包能量谱能量比的方法作为判断缺陷相似度的依据。最后分析和总结了文中提出的方法的有效性和可行性。

　　1 EMAT接收信号的特征特取

　　1.1 EMAT的发射接收原理[1-3]

　　EMAT通常由高频线圈、磁铁和工件3部分组成(如图1所示) 。

　　EMAT作为一种超声发生器，其基本原理是围绕着EMAT三要素展开的。当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时，它要在工件的趋肤层内产生涡流，此涡流在外加磁场的作用下，会受到机械力作用而产生高频振动，形成超声波波源。接收超声波时，工件表面的振荡也会在外加磁场力的作用下，在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。因此，存在于上述机制中的这些相互作用就构成了检测全过程。

　　1.2 缺陷定性分析

　　1.2.1 功率谱估计概述[4-5]

　　功率谱密度函数反映信号在频域上的能量分布，突出了信号频谱图中的主频率。功率谱估计可分为经典功率谱估计和现代功率谱估计，经典谱估计方法包括直接法和间接法。

　　对于直接法，当数据长度N太大时，谱线起伏加剧; 当数据长度N太小时，谱的分辨率又不好。在MATLAB中，对直接法改进的有: 利用函数psd来实现Barlett平均周期图方法的功率谱估计; 利用函数pwelch来实现Welch法的功率谱估计。由于函数pwelch所计算的功率谱估计在从宽带噪声中检测窄带信号应用过程中效果最好，是实际信号功率谱估计的首选。故选用函数pwelch作为功率谱估计函数。