基于EMD的激光聲表面波仿真分析

姚偉　賈慈力　顧鵬　陳超　楊鴿鴿

摘要：激光超聲憑借其具有非接觸、信號的信噪比高、靈敏度高、頻帶寬等特點，在材料的檢測方面有著獨特優勢。本文利用有限元軟件針對激光激勵聲表面波過程進行了數值模擬，得到了聲表面波的傳播特性;對實際檢測信號進行了EMD去噪，得到了去噪后的重構信號，將去噪后的信號同仿真信號對比。結果證明激光超聲激發的聲表面波主要沿著材料表層向四周發散，其在遠場區域會有小幅度的衰減，并且經過EMD去噪后的信號具有和仿真信號相同的特征，對今后激光超聲的實驗具有重要的參考價值。

關鍵詞：激光超聲;有限元;聲表面波;EMD

【Abstract】Laserultrasoundhasuniqueadvantagesinmaterialdetectionduetoitsnon-contactcharacteristics，highsignal-to-noiseratio，highsensitivity，andfrequencybandwidth.Thispaperusesfiniteelementsoftwaretonumericallysimulatethelaser-excitedsurfaceacousticwaveprocess，andobtainthepropagationcharacteristicsofthesurfaceacousticwave;fortheactualdetectionsignal，theEMDdenoisingiscarriedout，andthereconstructedsignalafterdenoisingisobtained.Thelattersignaliscomparedwiththesimulatedsignal.Theresultprovesthatthesurfaceacousticwaveexcitedbylaserultrasoundmainlydivergesaroundthesurfaceofthematerial，anditwillhaveasmallamplitudeattenuationinthefarfieldarea.ItisdemonstratedthatthesignalafterEMDdenoisinghasthesamecharacteristicsasthesimulationsignal.Theexperimentsoflaserultrasoundwillhaveimportantreferencevalueinthefuture.

【Keywords】

laserultrasound;finiteelement;surfaceacousticwave;EMD

作者簡介：姚偉（1997-），男，碩士研究生，主要研究方向：無損檢測及信號處理。

0引言

激光超聲技術是在傳統無損檢測技術基礎上的進一步發展，與傳統的無損檢測技術相比，該技術有著自身獨特的作用，在某些特殊場合，激光超聲有著無法代替的地位。由于激光超聲本身具有非接觸、傳播距離遠等特點，導致激光超聲檢測所得到的信號具有非線性、非平穩的特征，常規的傅里葉變換、小波變換等無法表征頻譜的會遇到成分分布情況、閾值難以確定等問題。這時經驗模態分解由于其基函數從信號自身獲得、無需考慮閾值選擇，從而適合于超聲信號的去噪處理。

近幾十年來，許多學者致力于研究激光激勵Rayleigh波檢測表面破裂裂紋的特征，并獲得了豐富的研究成果[1-3]。激光聲表面波由于具有表面及近表面傳播特性，對檢測材料的表面及近表面特征具有獨特的優勢[4-5]。利用聲表面波的色散特性，研究不同介質下的傳播聲學參數，同時又根據聲表面波傳播時與材料中表面缺陷與近表面缺陷的相互作用，實現對材料表面缺陷進行檢測[6-7]。小波變換因其具有良好的局部特性，且表現出傳統降噪方法不可比擬的優越性，在信號去噪中獲得了廣泛應用[8-9]，但是，小波分解存在基函數選擇困難、頻域重疊和閾值不確定等問題，這也必然帶來一定局限性。經驗模態分解（empiricalmodedecomposition，EMD）是近十年中發展起來的針對非線性非平穩信號處理的有效方法[10]，EMD的主要優勢在于基函數可以依據信號自身特征來獲得，避免了小波變換中選擇基函數較為困難的問題。

本文利用有限元軟件對激光超聲的激勵過程進行了數值模擬，得到了材料表面的激光超聲的聲表面波的傳播規律，并且對實際檢測的超聲信號進行了EMD去噪分析，將經過去噪后的信號同仿真信號進行驗證，去噪效果較好。

1激光超聲熱彈理論及EMD去噪原理

1.1激光超聲熱彈理論

實驗采用熱彈機制激發超聲波形，激光脈沖輻照于材料表面（其能量低于熔融閾值），材料表面通過吸收激光輻照能量，從而導致材料局部升溫，發生熱不平衡，材料表面形成熱膨脹，在材料表面及其附近產生的溫度場不均勻，從而導致材料中產生應力、應變，激發產生瞬態位移，形成聲表面波信號。對于各向同性的金屬鋁而言，其熱彈耦合過程可表示如下：

1.2EMD去噪原理

EMD依據信號本身的局部自適應特點產生“基函數”，不需要預先設定基函數，其自適應性優于小波變換和短時傅里葉變換。而考慮到信號時間尺度的不同，EMD則可將復雜的信號分解成若干個按頻率由高到低排列的固有模態函數（intrinsicmodefunction，IMF），因此可以將其看作是以信號極值特征尺度為度量的時空濾波過程，可以根據這個性質對檢測信號進行濾波分析和降噪處理。

經驗模態分解可以將復雜的信號分解成一系列具有不同時間尺度的固有模態函數，其中固有模態函數必須符合以下的2個條件：

（1）在整個取值范圍內，函數的極值點與過零點的數目相等或者最多相差一個。

（2）在任意時刻，上包絡線的局部最大值和下包絡的局部最小值的平均值為零。