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基于小波分析的结构损伤诊断

孙涛

武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉(430070)

摘要:本文研究了小波分析在工程结构损伤检测中的应用技术,并根据结构动力学中线加速度法的基本原理,利用MATLAB编制了结构分析程序,实现了小波分析理论在结构检测中的应用。

关键词:小波分析,结构损伤诊断,奇异性检测

1.引言

随着社会的发展,科技的进步,人类社会的需求也日益提高,对重要的大型复杂结构如高层建筑、海岸结构、武器系统、宇宙飞船、航天飞机等的要求也日益严格,而这些复杂结构在其服役期间内,由于受到设计荷载以及各种其他突发因素的作用,使结构发生损伤,从而威胁整个结构的安全。为了保证结构的安全,需要尽早发现结构的损伤,并且采取防范和修复措施,否则,将有可能导致灾难性的后果。这些都对科技界和工程界提出了更高的要求,迫切需要对结构作出及时有效的诊断检测,需要建立早期探测结构损伤的方法,以探明损伤的存在、损伤的位置、损伤的类型、损伤的程度以及损伤对结构安全的影响。因此对重要大型复杂结构的安全监测和损伤检测问题的研究越来越受到人们的普遍关注和重视,人们迫切希望能尽早地发现损伤,确定损伤的位置及程度,因此在结构工作和使用期间,如何及早准确地检测出损伤,对损伤的位置及程度进行判定,并能够由此提出维修的方法,措施,对于保证结构的安全,减少损失,延长结构的使用期限等具有重要的意义[1]。

2.小波变换

传统的信号分析是建立在傅立叶变换基础之上的,由于傅立叶变换使用的是一种全局变换,要么完全在时域,要么完全在频域,因此无法同时表述信号的时频分布特性,而时频特性对非平稳信号来说是非常重要的。为了分析和处理非平稳信号,人们对Fourier分析进行了改进,提出并发展了一系列新的信号分析理论,其中之一是小波分析方法。小波变换是一种信号的时间-尺度或时间-频率的分析方法,即在时域对信号进行离散变换,在频域进行谱分析的方法。它具有高分辨率的特点,而且在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力。它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率,很适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象,所以被誉为分析信号的显微镜和望远镜。

2.1小波函数的定义[2]

小波(wavelet),即小区域的波,是一种特殊的长度有限、平均值为0的波形。小波函数的确切定义为:设Y(t)?L2(R),若其傅立叶变换(FT:FourierTransform)Y(w)满足条件:

dω∞(1)

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则称Y(t)为一个基本小波或小波母函数。式(1)为小波函数的可容许条件。将小波母函数Y(t)进行伸缩和平移,就可以得到函数Ψa,τ(t):

Ψa,τa,τ∈R;a0(2)

式中,a为尺度因子,τ为平移因子,我们称Ψa,τ(t)为依赖于参数a、τ的小波基函数。由于尺度因子a和平移因子τ是连续变化的值,因此我们称ψa,x(t)为连续小波基函数。它们是由同一母函数Y(t)经伸缩和平移后得到的一组函数序列。

由于小波基函数在时间、频率域都具有有限或近似有限的定义域,显然,经过伸缩平移后的函数在时域、频域仍是局部性的。

2.2连续小波变换的定义

将任意L2(R)空间中的函数f(t)在小波基下展开,称这种展开为函数f(t)的连续小波变换(CWT:ContinueWaveletTransform)[3],其表达式为:

由以上定义,我们可以看出小波变换和傅立叶变换一样,也是一种积分变换。WTf(a,τ)为小波变换系数。它不同于傅立叶变化的地方是,小波基具有尺度a和平移τ两个参数,所以函数经过小波变换,就意味着将一个时间函数投影到二维的时间-尺度相平面上。这样有利于提取信号函数的某些本质特征。

3.利用小波变换分析信号的奇异性[4]

从工程上看,奇异性是关于信号奇异点突变程度的定性描述,而奇异点就是指信号中的突变点。数学上常采用Lipchitz指数来描述某点的奇异性,简称Lip指数。f(x)在x0的Lip指数刻画了f(x)在x0的正则性,Lip指数越大,函数越光滑;Lip指数越小,该点的奇异性越大。

若小波变换采用

则当采用的小波为紧

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