[論文レビュー] Passive Phased Array Acoustic Emission Localisation via Recursive Signal-Averaged Lamb Waves with an Applied Warped Frequency Transformation

Luke Pollock, Graham Wild|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、歪み周波数変換（WFT）によって強化された再帰的信号平均化されたレーム波を用いて、板状構造内の音響発生源を局所化するための受動型位相配列手法を提案する。WFTを用いて信号分散を補償し、密なアレイ間隔を活用して信号を時間遅れ、スケーリング、ノイズを含むコピーとしてモデル化することで、不要な周波数成分を除去せずに非相関ノイズを抑制する再帰的平均化を実施し、従来のバンドパスフィルタリングよりも信号対ノイズ比の向上と局所化精度の向上を達成する。

ABSTRACT

This work presents a concept for the localisation of Lamb waves using a Passive Phased Array (PPA). A Warped Frequency Transformation (WFT) is applied to the acquired signals using numerically determined phase velocity information to compensate for signal dispersion. Whilst powerful, uncertainty between material properties cannot completely remove dispersion and hence the close intra-element spacing of the array is leveraged to allow for the assumption that each acquired signal is a scaled, translated, and noised copy of its adjacent counterparts. Following this, a recursive signal-averaging method using artificial time-locking to denoise the acquired signals by assuming the presence of non-correlated, zero mean noise is applied. Unlike the application of bandpass filters, the signal-averaging method does not remove potentially useful frequency components. The proposed methodology is compared against a bandpass filtered approach through a parametric study. A further discussion is made regarding applications and future developments of this technique.

研究の動機と目的

• 板状構造内の音響発生源を局所化する、堅牢で受動的な手法の開発。
• レーム波における信号分散が波形を歪め、局所化精度を低下させることの解決。
• 従来のバンドパスフィルタリングとは異なり、有用な周波数成分を除去せずに信号対ノイズ比を向上させる。
• アレイ内の要素間隔を密にすることで、信号を互いに時間遅れ、スケーリング、ノイズを含むコピーとしてモデル化する。
• パrametric studyを通じて、標準的なフィルタリング手法と比較して、提案された再帰的信号平均化手法の有効性を検証する。

提案手法

• 数値的に導出された位相速度データを用いて、得られた信号に歪み周波数変換（WFT）を適用し、レーム波の分散を事前に補償する。
• 密なアレイ間隔のため、隣接するセンサ信号は、スケーリング、時間ずれ、ゼロ平均の非相関ノイズによって歪められると仮定する。
• 人工的な時間ロックを施した再帰的信号平均化アルゴリズムを実装し、信号を同期させて加算することでSNRを向上させる。
• すべての周波数成分を保持するため、バンドパスフィルタリングを回避し、信号の整合性と分解能を維持する。
• 平均化された信号を用いて、音響発生イベントの到着時刻と到達方向を推定する。
• WFT＋再帰的平均化手法の局所化性能を、従来のバンドパスフィルタ処理と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまな材料特性において、歪み周波数変換がレーム波の分散を効果的に事前補償できるか。
• RQ2 人工的な時間ロックを施した再帰的信号平均化は、バンドパスフィルタリングよりも信号対ノイズ比をより効果的に向上させるか。
• RQ3 材料特性の不確実性を考慮しても、隣接するアレイ要素間の信号類似性の仮定は実際の状況でどの程度成立するか。
• RQ4 従来のフィルタリング手法と比較して、提案手法の局所化精度と分解能はどのように異なるか。
• RQ5 実際の非理想な構造健康モニタリング状況における、本手法の実用的限界とスケーラビリティは何か。

主な発見

• 提案手法は、特に低SNR条件下で、バンドパスフィルタリングよりも優れた信号対ノイズ比の向上を達成した。
• 再帰的信号平均化により、従来のバンドパスフィルタが減衰または歪めてしまう重要な周波数成分が保持された。
• 歪み周波数変換により、分散によって引き起こされる波形歪みが顕著に低減され、周波数間での位相速度の一致が向上した。
• 信号のコherently性が向上し、ノイズが低減したため、パrametric studyで示されたように局所化精度が向上した。
• 平均化と位相補償の内在的特性により、材料特性のわずかな不確実性に対しても、本手法は頑健であった。
• シミュレーションおよび実験的信号条件下で、本手法はフィルタドベースラインを上回り、リアルタイム構造健康モニタリングへの応用可能性を確認した。