基于EMD的激光声表面波仿真分析

姚伟　贾慈力　顾鹏　陈超　杨鸽鸽

摘要：激光超声凭借其具有非接触、信号的信噪比高、灵敏度高、频带宽等特点，在材料的检测方面有着独特优势。本文利用有限元软件针对激光激励声表面波过程进行了数值模拟，得到了声表面波的传播特性;对实际检测信号进行了EMD去噪，得到了去噪后的重构信号，将去噪后的信号同仿真信号对比。结果证明激光超声激发的声表面波主要沿着材料表层向四周发散，其在远场区域会有小幅度的衰减，并且经过EMD去噪后的信号具有和仿真信号相同的特征，对今后激光超声的实验具有重要的参考价值。

关键词：激光超声;有限元;声表面波;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：姚伟（1997-），男，硕士研究生，主要研究方向：无损检测及信号处理。

0引言

激光超声技术是在传统无损检测技术基础上的进一步发展，与传统的无损检测技术相比，该技术有着自身独特的作用，在某些特殊场合，激光超声有着无法代替的地位。由于激光超声本身具有非接触、传播距离远等特点，导致激光超声检测所得到的信号具有非线性、非平稳的特征，常规的傅里叶变换、小波变换等无法表征频谱的会遇到成分分布情况、阈值难以确定等问题。这时经验模态分解由于其基函数从信号自身获得、无需考虑阈值选择，从而适合于超声信号的去噪处理。

近几十年来，许多学者致力于研究激光激励Rayleigh波检测表面破裂裂纹的特征，并获得了丰富的研究成果[1-3]。激光声表面波由于具有表面及近表面传播特性，对检测材料的表面及近表面特征具有独特的优势[4-5]。利用声表面波的色散特性，研究不同介质下的传播声学参数，同时又根据声表面波传播时与材料中表面缺陷与近表面缺陷的相互作用，实现对材料表面缺陷进行检测[6-7]。小波变换因其具有良好的局部特性，且表现出传统降噪方法不可比拟的优越性，在信号去噪中获得了广泛应用[8-9]，但是，小波分解存在基函数选择困难、频域重叠和阈值不确定等问题，这也必然带来一定局限性。经验模态分解（empiricalmodedecomposition，EMD）是近十年中发展起来的针对非线性非平稳信号处理的有效方法[10]，EMD的主要优势在于基函数可以依据信号自身特征来获得，避免了小波变换中选择基函数较为困难的问题。

本文利用有限元软件对激光超声的激励过程进行了数值模拟，得到了材料表面的激光超声的声表面波的传播规律，并且对实际检测的超声信号进行了EMD去噪分析，将经过去噪后的信号同仿真信号进行验证，去噪效果较好。

1激光超声热弹理论及EMD去噪原理

1.1激光超声热弹理论

实验采用热弹机制激发超声波形，激光脉冲辐照于材料表面（其能量低于熔融阈值），材料表面通过吸收激光辐照能量，从而导致材料局部升温，发生热不平衡，材料表面形成热膨胀，在材料表面及其附近产生的温度场不均匀，从而导致材料中产生应力、应变，激发产生瞬态位移，形成声表面波信号。对于各向同性的金属铝而言，其热弹耦合过程可表示如下：

1.2EMD去噪原理

EMD依据信号本身的局部自适应特点产生“基函数”，不需要预先设定基函数，其自适应性优于小波变换和短时傅里叶变换。而考虑到信号时间尺度的不同，EMD则可将复杂的信号分解成若干个按频率由高到低排列的固有模态函数（intrinsicmodefunction，IMF），因此可以将其看作是以信号极值特征尺度为度量的时空滤波过程，可以根据这个性质对检测信号进行滤波分析和降噪处理。

经验模态分解可以将复杂的信号分解成一系列具有不同时间尺度的固有模态函数，其中固有模态函数必须符合以下的2个条件：

（1）在整个取值范围内，函数的极值点与过零点的数目相等或者最多相差一个。

（2）在任意时刻，上包络线的局部最大值和下包络的局部最小值的平均值为零。