Page 88 - 《应用声学》2021年第2期
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面反射信号进行相似度分析,得到相似度函数随承
0 引言
压界面接触状态 (即界面刚度) 的变化规律,优选出
由于工程应用的广泛性及对结构安全的极端 对界面接触状态敏感的相似度函数,并验证其对界
重要性,多层承压结构界面特性评价一直是无损检 面接触状态表征的有效性。
测领域的热点和难点问题。由于超声波强大的穿透
1 界面接触状态超声信号相似度分析方法
力及对结构不连续的高敏感性,使得超声波技术成
为多层结构界面特性检测的可行手段。基于超声波 相似度分析方法是指以若干特定的相对指标
在接触界面处的反射和透射特性,弹簧模型利用刚 为统一尺度,运用模糊综合评判原理,在整个时
度表征固体界面的接触状态,是一种可用于界面接 域/频域内计算检测信号与参考信号的相似度,并
触状态描述的基本模型。国内外学者曾基于弹簧模 据此对信号进行评价的一种分析方法。
型对多类界面接触问题进行了检测实验研究 [1−4] 。 在宽带激励下,以确定的界面状态下超声检测
例如,Her 等 [1] 将反射系数法应用于界面信号的分 信号作为参考信号,本文对承压界面超声检测信号
析处理,将粘接强度等效为界面刚度,实现了多层 进行相似度分析,并研究相似度函数类型及分析域
结构粘接层强度的评价。Ishii 等 [2−3] 对铝/铝界面 对界面承压状态表征的有效性。根据研究问题特
开展了理论分析和检测实验,研究了反射系数和透 点,选择了 5 种典型的相似度函数:欧式距离、斯皮
射系数随环氧层界面刚度的变化关系。Drinkwater 尔曼相关、余弦相似度、皮尔逊相关和肯德尔相关。
等 [4] 研究了铝/铝承压界面状态的检测问题,利用 表 1 给出了这些相似度函数的表达式。在相似度分
反射系数描述了承压界面的刚度变化,结果与理论 析种,这些相似度函数的关注点不尽相同。其中,欧
模型吻合较好。大量结果表明,利用反射系数/透射 氏距离和斯皮尔曼相关主要关注两信号点间的距
系数可以对界面接触状态进行检测,但其检测灵敏 离,余弦相似度关注信号间夹角变化,皮尔逊相关则
度较低,难以实现界面接触状态定量评价 [5] 。 关注整体信号标准差,肯德尔相关仅关注信号趋势,
作为一种模糊综合评价方法,相似度分析在图 忽略了幅值变化。研究中,分别在时域和频域对承
像处理和信号分析等领域广泛应用。相似度分析充 压界面超声检测信号进行分析。
分利用了信号在时域/频域的全局统计信息,提取 表 1 中,x i 和 y i 分别为界面反射基准信号和检
的信息更全面,更能充分反映信号的特征。近年来, 测信号,n 为检测信号长度,s x 、s y 是两信号的标准
国内外学者尝试将相似度分析方法应用于超声检
测领域。Cepel 等 [6−7] 将相似度分析应用于 (皮尔 表 1 典型相似度函数表达式
逊相关)C 扫数据处理,实现了极低信噪比下钢/铝 Table 1 Expression of typical similarity function
板中缺陷成像。针对复合材料中孔隙率检测问题,
何晓晨等 [8] 研究了超声信号的相似度函数 (欧式距 名称 函数表达式
离) 随孔隙率的变化规律,实现了高噪声下弱信号 1
欧氏距离 O(x, y) = √ ∑ n
的提取和表征。Park 等 [9] 提出以对数功率谱的欧 1 + i=1 (x i − y i ) 2
式距离作为特征参数,对不同组织的超声影像进行 6 √ ∑ n (x i − y i ) 2
斯皮尔曼相关 ρ(x, y) = 1 − i=1
分类。Xiao 等 [10] 提出了一种谱分布相似度分析方 n − n
3
法(欧式距离),将其应用于粗晶材料裂纹的检测中, cos(x, y) = x · y
2
||x|| + ||y|| 2
实验结果表明该方法可以实现低信噪比下裂纹的 余弦相似度 ∑ n
x i y i
检测。陈振华等 [11] 将相似度函数 (斯皮尔曼相关) = √ ∑ n i=1 √ ∑ n
x 2 i y 2 i
分析应用于非线性超声信号分析,并研究了缺陷周 i=1 i=1
∑ n
长与非线性系数的关系。 x i y i − nxy
皮尔逊相关 p(x, y) = i=1
针对铝/环氧树脂/石墨结构中界面特性检测 (n − 1)s xs y
问题,在宽频超声激励下,本文提出一种用于界面接 肯德尔相关 T(x, y) = C − D
n(n − 1)
触状态评价的超声信号相似度分析方法。通过对界