时频方法分析长骨中的超声导波及皮质骨厚度

超声导波在长骨中传播时,接收信号中含有相互叠加的多个导波模式。本文提出将希尔伯特-黄变换(HHT)用于分析叠加的多模式导波信号,将其分解成许多单个独立的模式,然后对分解出的模式求得其对应频率下的群速度,并与短时傅里叶变换所得的结果进行比较。通过与理论计算结果比较,可得到长骨皮质骨的厚度。研究结果表明,实验得到的厚度与实际厚度一致。说明通过测量导波模式的速度可以评价皮质骨的厚度,也说明HHT方法是一种识别叠加多模式导波信号的有效方法。     

长骨中振动声激发超声导波的方法

为了实现一定频段内任意低频下在长骨中激励导波信号,本文提出一种采用聚焦高频(5 MHz)超声换能器在长骨皮质骨中激发低频(150 kHz)超声导波的振动声方法.首先介绍了板状超声导波理论和双声束共聚焦法与单声束调幅法激发振动声的基本原理;进而采用三维有限元仿真方法分析振动声激发低频超声导波的基本现象,然后结合牛胫骨板离体实验,验证振动声激发低频超声导波的可行性.结果均表明,双声束共焦与单声束振动超声均可在骨板中激发低频超声导波.相关研究方法有助于提高空间域长骨中超声导波测量精度,以及在一定频段内实现任意频率激励等,对发展低频超声导波在体测量长骨皮质骨的新技术具有一定的指导意义.     

骨折长骨中超声导波传播特性的仿真研究

采用超声导波评价长骨骨折已成为近两年来的一个研究热点.本文采用混合边界元方法(HBEM)对超声导波在骨裂长骨中的传播情况以及各导波模式的反射系数和透射系数进行了数值分析.研究结果表明,入射导波模式经由裂纹处模式转换后依然保持为主要接收模式不变.对某一裂纹,各模式透射系数常在相近的频率点上达到局部峰值.对于不同深宽比(d/w)裂纹,某些模式透射系数曲线局部峰值所对应的频率存在着相互错开的现象,这些结果可用于选择最优入射导波模式和频率,以便更好地定量评价骨质以及骨裂状况.     

超声导波的频散补偿与模式分离算法研究

超声导波已被广泛应用于无损检测与评价,针对超声导波应用中普遍存在的模式混叠与频散问题,本文在采用频谱相位与信号时延函数建模导波频散信号传递系统的基础上,提出了一种单一模式的频散补偿算法。进一步地,通过将选择性频散补偿技术与导波模式分离相结合,本文算法克服了传统补偿算法所不能解决的多模式导波频散问题。板中的Lamb波A0,A1和S0混合模式仿真分析表明,本算法不仅可用于单一导波模式信号合成与频散补偿,而且可在实现多模式混合导波信号选择性频散补偿基础上,解决多模式导波信号中单一模式提取与分离。本文研究有助于超声导波多模式频散信号的分析与处理.     

时频域独立元分析方法实现超声兰姆波的多模式分离

为方便兰姆波信号分析与模式定征,提出一种将短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform,STFT)与独立元分析(Independent Component Analysis,ICA)相结合的多模式超声兰姆波识别方法。首先通过STFT将兰姆波时域信号投影至时频域,基于各模式信号在时频域相对独立的特点,利用ICA实现混叠模式分离。根据分离模式时频能量脊提取各模式群速度曲线,进而估计板厚。将方法运用于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法仿真与钢板实验,分离得到A0、A1和S0三种模式。仿真与实验中平均群速度估计误差约为1.5%和2.0%,板厚估计误差约为0.3%和2.0%。仿真结果表明,在信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)不小于0 dB的情况下,时频域独立元分析方法均可实现兰姆波多模式分离、群速度曲线提取及板厚估计。     

基于频散补偿和分数阶微分的多模式兰姆波分离

由于兰姆波的多模和频散特性,实际检测时在同一激发频率下存在多种模式的混合信号,而各模式信号有不同的频散特性,使得在时频混叠的情况下兰姆波的检测变得十分复杂.本文在频散补偿的基础上,通过时延函数建模,依靠不同模式频散趋势的差异性,将时频混叠信号的分离问题转化为部分模式混叠信号的分离问题.基于分数阶微分的理论,用信号幅值谱分数阶微分极大值和对应频率分别与微分阶次拟合多项式实现特征参数的提取并依靠特征参数重建幅值谱.结合相位谱重构时域信号以实现部分混叠信号中频散补偿后的模式的分离.最后恢复频散获得分离后的兰姆波信号.仿真和实验结果表明,本文方法不仅可以实现时频混叠多模式兰姆波信号的分离,更能保证分离精度,有助于复杂多模式频散信号的分离与处理的进一步研究.     

基于线调频频散变换的多模式超声兰姆波时延估计

适合薄板检测的超声兰姆波多模式具有频散特性,它携带着有用的时延信息,但估计其中的时延参数有一定的困难。本文提出的基于自适应线调频频散变换的超声兰姆波多模式时延估计方法使提取其时延参数成为可能。仿真和实验结果说明了这种方法的有效性。