趙松玲1，林旭梅1，馬石巖2，羅萍萍1，薛亮亮1

　　（1.青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520;2.山東海科信息技術(shù)有限公司，山東 青島 266031）

       摘要：超聲波法是混凝土無損檢測(cè)的一種重要方法。在超聲波法檢測(cè)混凝土試驗(yàn)中，采集的超聲波信號(hào)含有大量噪聲和干擾成分。針對(duì)以往傳統(tǒng)降噪方法存在去噪不徹底、不能完全保留有效信息以致產(chǎn)生誤判的問題，提出采用小波降噪方法用于超聲波信號(hào)的去噪。試驗(yàn)及仿真結(jié)果表明，采用小波降噪方法保留了超聲波的有效特征，使原始信號(hào)中的噪聲和干擾得到抑制，提高了信噪比，在混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與診斷中發(fā)揮重要作用。

　　關(guān)鍵詞：超聲波；混凝土；小波降噪；信噪比

0引言

　　混凝土材料因具有性能優(yōu)越、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代土木工程建筑中得到廣泛應(yīng)用［1］。房屋、橋梁、海底隧道等大型建筑物的安全性和耐久性與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。大型建筑物內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)缺陷及裂縫，若長(zhǎng)期未被檢修人員察覺將嚴(yán)重危及人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前，常用的鋼筋混凝土材料的無損檢測(cè)方法主要包括：超聲波法、聲發(fā)射法、紅外線法、雷達(dá)法、沖擊回波法和微波法等［2］。其中，超聲波法是混凝土無損檢測(cè)方法中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。提高超聲波檢測(cè)信號(hào)的質(zhì)量是該技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問題之一。提高超聲波檢測(cè)信號(hào)的質(zhì)量，僅靠提高接收信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于硬件電路的引入等其他外部因素的影響，使超聲波接收信號(hào)信噪比大大降低，因此濾除超聲波檢測(cè)信號(hào)中的噪聲及干擾成分、提高信噪比是提高超聲波信號(hào)質(zhì)量的重要手段。

　　采用傳統(tǒng)的傅里葉變換對(duì)超聲波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析只能在時(shí)域或頻域內(nèi)展開，無法同時(shí)分析信號(hào)的時(shí)頻特征［3］；而短時(shí)傅里葉變換只能在一個(gè)分辨率上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，無法同時(shí)具有很高的時(shí)頻分辨率。小波分析［4］作為一種典型的時(shí)頻分析技術(shù)，在頻域和時(shí)域內(nèi)同時(shí)具有優(yōu)良的局部化性質(zhì)，不僅可以對(duì)指定頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析而且還可以對(duì)指定時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)成分進(jìn)行分析，對(duì)信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行聚焦［5］。

　　小波降噪以小波分析的基本理論為基礎(chǔ)，在諸多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要作用。采用小波降噪方法處理混凝土超聲波檢測(cè)信號(hào)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。

1超聲波法檢測(cè)混凝土缺陷的基本原理

　　超聲波法檢測(cè)的基本原理是在混凝土的配合比、齡期、原材料和測(cè)試距離等技術(shù)條件相同的條件下，根據(jù)混凝土中超聲波傳播的時(shí)間（或速度）、接收波的振幅和頻率等聲學(xué)參數(shù)的不同及變化，來判定混凝土的缺陷情況［6］。根據(jù)聲波的傳播特點(diǎn)及原理可知，當(dāng)超聲波在混凝土中傳播時(shí)，若遇到缺陷或裂縫，超聲波會(huì)在缺陷、裂縫界面發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，導(dǎo)致最終到達(dá)接收換能器的聲波幅值減小。通過對(duì)比分析完損兩組混凝土檢測(cè)波形之間的幅值等有效細(xì)節(jié)信息可判斷缺陷或裂縫發(fā)生的位置、尺寸等。

　　由于混凝土是由固、液、氣三相組成的復(fù)合材料，各相之間的聲阻抗差異很大（如砂漿—?dú)饪捉缑妫?，?dǎo)致散射衰減嚴(yán)重，散射衰減對(duì)高頻超聲波影響較大，為了使超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播距離足夠長(zhǎng)，必須采用較低頻超聲波。查閱大量文獻(xiàn)資料可知，適用于混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)的超聲波頻率在20 kHz~300 kHz范圍內(nèi)。因此，本文選定的發(fā)射型傳感器工作頻率為100 kHz。

2超聲波法檢測(cè)混凝土硬件電路設(shè)計(jì)

　　本文采用超聲波脈沖透射法對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)。選擇兩個(gè)用于垂直探傷的單晶片直探頭（探頭材質(zhì)為壓電陶瓷材料）分別作為超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭。其一是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)（逆壓電效應(yīng)），其二是將接收的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（正壓電效應(yīng)）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)電路主要由兩部分組成：探頭陣列觸發(fā)

電路和信號(hào)調(diào)理電路。系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　探頭陣列觸發(fā)電路用于產(chǎn)生幅值為400 V、頻率為100 kHz的高壓負(fù)脈沖施加于超聲波發(fā)射探頭。根據(jù)壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)，將幅值為400 V的高壓負(fù)脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。探頭陣列觸發(fā)電路如圖2所示。

　　探頭陣列觸發(fā)電路激勵(lì)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)混凝土傳播到達(dá)接收探頭。由壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路將接收的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以備后續(xù)信號(hào)分析工作的進(jìn)行。本試驗(yàn)中，信號(hào)放大電路采用AD公司生產(chǎn)的一種可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器AD603。該放大器具有寬頻帶、低噪聲、高增益精度的優(yōu)點(diǎn)，且采用線性增益控制方式。信號(hào)放大電路部分電路圖如圖3所示。

　　運(yùn)用設(shè)計(jì)搭建的探頭陣列觸發(fā)電路和信號(hào)放大電路對(duì)完整混凝土試塊和有缺陷混凝土試塊分別進(jìn)行檢測(cè)，采集到的信號(hào)波形圖如4所示。

3小波分析方法

　　小波變換因具有選基靈活、去相關(guān)性、多分辨性等特點(diǎn)而在去噪方面得到廣泛應(yīng)用［7］。利用有用信號(hào)和噪聲的小波系數(shù)在各個(gè)尺度上具有不同的特性，先去除屬于噪聲的小波系數(shù)，然后對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)便能得到降噪后的信號(hào)［8］。因超聲波法檢測(cè)混凝土試驗(yàn)中，接收信號(hào)噪聲成分大部分包含在具有較高頻率的細(xì)節(jié)中，因此對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理能夠達(dá)到信號(hào)去噪、保留有效信息的效果。

　　假定尺度空間（級(jí)小波空間的直接和）具有下列幾個(gè)性質(zhì)：

　?。?）嵌套性：

　?。?）完備性：

　　（3）稠密性：

　?。?）互補(bǔ)性：Vj+1=Vj+Wj；

　?。?）尺度性：。

　　將同時(shí)具有上述5個(gè)性質(zhì)的空間序列{Vj,j∈Z}定義為由尺度函數(shù)φ(x)生成的一個(gè)多分辨率分析（Multi-Resolution Analysis, MRA）［9］。

　　多分辨率分析的基本原理是將信號(hào)投影到一組互相正交的小波函數(shù)構(gòu)成的子空間上，形成信號(hào)在不同尺度上的展開，繼而提取信號(hào)在不同頻帶的特征，同時(shí)保留信號(hào)在各尺度上的時(shí)域特征［10］。多分辨率分析是一種有效的時(shí)頻分析方法，其示意圖如圖5所示。由圖5可看出，小波多分辨率分析具有優(yōu)良的時(shí)頻局部化能力，將信圖5多分辨率分析示意圖號(hào)分解為含有有效信息的低頻分量、含有噪聲和干擾的高頻分量。多分辨率分析每次對(duì)信號(hào)的低頻部分進(jìn)行分解，高頻部分保持不變。

　　本文對(duì)混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)，接收探頭收到的信號(hào)低頻部分包含信號(hào)的主要特征，反映了超聲波探測(cè)信號(hào)的有用部分，而高頻部分包含了外界干擾與噪聲。因此，在本文中，需要將超聲波信號(hào)的高頻部分濾除，保留信號(hào)的低頻部分即信號(hào)的有效特征。在混凝土超聲波檢測(cè)試驗(yàn)中，若想得到精確的分析結(jié)果，選擇小波多分辨率分析這一信號(hào)處理方法較為合適。

4超聲波檢測(cè)信號(hào)的小波分析

　　4.1小波基的選擇

　　查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，Haar小波在時(shí)域上不連續(xù)，且不具有對(duì)稱性；Morlet小波不具備緊支撐性和正交性，且沒有快速算法，計(jì)算量比較大、耗時(shí)長(zhǎng)；DBN小波和sym小波在緊支撐性、支撐長(zhǎng)度、正交性等方面都優(yōu)于Haar和Morlet小波基。sym小波在對(duì)稱性方面優(yōu)于DBN小波，采用sym小波進(jìn)行分析誤差較小，所以在超聲波信號(hào)處理方面sym小波效果更好［11］。因此，本文采用sym系小波作為小波基。對(duì)試驗(yàn)采集信號(hào)用sym系中的不同小波函數(shù)進(jìn)行分析比較，確定選用sym8小波作為小波基。

　　4.2尺度的確定

　　小波分解的層次不能無限制進(jìn)行，分解層次越多，信號(hào)就被分解得越徹底，計(jì)算量越大，耗時(shí)越長(zhǎng)［12］。為了確定具體的分解尺度，本文采用sym8小波對(duì)試驗(yàn)采集的超聲波檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)尺度取5時(shí)，相對(duì)于其他尺度，既能有效地去除信號(hào)中的無用成分，又完整地保留了有用成分。對(duì)混凝土采用超聲波脈沖透射法檢測(cè)得到的信號(hào)，采用該尺度進(jìn)行處理顯然是最為合適的。因此本文最終確定的分解尺度為5。

5試驗(yàn)仿真及結(jié)果

　　在MATLAB中對(duì)利用超聲波法檢測(cè)完整混凝土和缺陷混凝土采集到的信號(hào)波形分別選用sym8小波基進(jìn)行5層信號(hào)分解，重構(gòu)系數(shù)得到降噪后的信號(hào)［13］。將超聲波法檢測(cè)混凝土試塊采集的信號(hào)經(jīng)小波降噪法進(jìn)行處理，降噪前后波形對(duì)比如圖6所示。

　　由圖6可知，小波降噪處理所得信號(hào)的信噪比大大提高，去噪效果好。對(duì)試驗(yàn)采集信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理后更容易發(fā)現(xiàn)：完整混凝土與缺陷混凝土的超聲波特征差異主要體現(xiàn)在幅值方面，缺陷混凝土超聲波檢測(cè)波形幅值較小。經(jīng)試驗(yàn)和仿真可得，采用小波降噪方法既能抑制原始信號(hào)中的噪聲和干擾，又能保留有效信號(hào)，使信號(hào)明顯變得平滑，為后續(xù)信號(hào)特征和包絡(luò)的提取，以及缺陷位置、大小的識(shí)別提供必備條件。

6結(jié)論

　　本文采用超聲波透射法對(duì)混凝土試塊進(jìn)行無損檢測(cè)，試驗(yàn)搭建超聲波發(fā)射電路和信號(hào)放大電路，運(yùn)行穩(wěn)定。利用小波降噪方法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，可提高信噪比，保留信號(hào)的有效特征，提高信號(hào)分析效率，有利于信號(hào)特征和包絡(luò)的提取，為混凝土的缺陷識(shí)別打下基礎(chǔ)。

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