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
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