DISKRÉTNÍ FOURIEROVA TRANSFORMACE P I NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPII



Podobné dokumenty
27. asové, kmitotové a kódové dlení (TDM, FDM, CDM). Funkce a poslání úzkopásmových a širokopásmových sítí.

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU V ODLIŠNÉM PROST EDÍ METODOU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIE

VLASTNOSTI KOMPONENT MICÍHO ETZCE -ÍSLICOVÁÁST

Prostedky automatického ízení

VY_32_INOVACE_E 15 03

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

A/D převodníky - parametry

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

ELEKTROMAGNETICKÁ A AKUSTICKÁ EMISE P I TVORB TRHLIN V BETONOVÝCH VZORCÍCH

VOLBA ČASOVÝCH OKEN A PŘEKRYTÍ PRO VÝPOČET SPEKTER ŠIROKOPÁSMOVÝCH SIGNÁLŮ

DIPLOMOVÝ PROJEKT ELEKTRONICKÁ ZA ÍZENÍ PRO OSOBNÍ AUTOMOBILY

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

Podpora výroby energie v zaízeních na energetické využití odpad

Signál v čase a jeho spektrum

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

APLIKACE VYBRANÝCH METOD PRO MĚŘENÍ ZBYTKOVÉHO NAPĚTÍ APPLICATION OF SOME METHODS FOR RESIDUAL STRESS MEASUREMENT

LABORATORNÍ CVIENÍ Stední prmyslová škola elektrotechnická

PÍRUKA A NÁVODY PRO ÚELY: - RUTINNÍ PRÁCE S DATY

Úvod do zpracování signálů

Efektivní hodnota proudu a nap tí

Vzorkování. Je-li posloupnost diracových impulzů s periodou T S : Pak časová posloupnost diskrétních vzorků bude:

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

CW01 - Teorie měření a regulace

VLIV GEOMETRICKÉ DISPERZE

íta ové sít baseband narrowband broadband

Návrh frekvenčního filtru

Spektrální analyzátory

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

Pravdpodobnost výskytu náhodné veliiny na njakém intervalu urujeme na základ tchto vztah: f(x)

LABORATORNÍ CVIENÍ Stední prmyslová škola elektrotechnická

ANALÝZA LIDSKÉHO HLASU

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

Hmotnostní analyzátory a detektory iont

ANALÝZA AKUSTICKÝCH PARAMETRŮ ZVONU Z KOSTELA SV. TOMÁŠE V BRNĚ. Smutný Jaroslav, Pazdera Luboš Vysoké učení technické v Brně, fakulta stavební

1. Úvod Jednou z! "# $ posledn % & $$' ( )(( (*+ % ( (* $ $%, (* ( (* obvodech pro elektronickou regulaci.*' (( $ /

Technická kybernetika. Obsah. Principy zobrazení, sběru a uchování dat. Měřicí řetězec. Principy zobrazení, sběru a uchování dat

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

STANOVENÍ NEJISTOT PRIMÁRNÍ KALIBRACE SNÍMA AKUSTICKÉ EMISE

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 10. Měření hluku

KUSOVNÍK Zásady vyplování

SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIÍ

APLIKACE ALGORITMŮ ČÍSLICOVÉHO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ 1. DÍL

DUM. Databáze - úvod

P EHLED METOD POUŽÍVANÝCH PRO FILTRACI ULTRAZVUKOVÝCH SIGNÁLU

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Spektrální analýza a diskrétní Fourierova transformace. Honza Černocký, ÚPGM

Harmonický ustálený stav pokyny k měření Laboratorní cvičení č. 1

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY. OPTICKÝ SPOJ LR-830/1550 Technický popis

Laboratorní měření a analýza dynamicko-akustických parametrů železničních kol bez tlumičů a s tlumiči typu Schrey & Veith

Proces "Investice - výstavba nového objektu"

KATEDRA ELEKTRICKÝCH MĚŘENÍ

Direct Digital Synthesis (DDS)

Digitalizační rozhraní pro ultrazvukový detektor průtoku krve

Digitální ortofoto. struná teorie

Stabilita v procesním průmyslu

LOW-NOISE VOLTAGE AND CHARGE PREAMPLIFIERS FOR PIEZOSENSORS

P7: Základy zpracování signálu

(metalická vedení a vlastnosti) Robert Bešák

2. PÍKLAD DÍLÍ ÁSTI SOUSTAVY - DÍLÍ ÁST SDÍLENÍ TEPLA

Snímání biologických signálů. A6M31LET Lékařská technika Zdeněk Horčík Katedra teorie obvodů

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Měření neelektrických veličin. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

Párování. Nápovdu k ostatním modulm naleznete v "Pehledu nápovd pro Apollo".

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Elektronika 2. Vysoká škola báská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky. Píklady P1 až P8

Zbytky zákaznického materiálu

Zamení fasády stavebního objektu

Vysoká škola báská Technická univerzita Ostrava Institut geoinformatiky. Analýza dojíždní z dotazníkového šetení v MSK. Semestrální projekt

obr. 3.1 Pohled na mící tra

Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015

Konstrukce a kalibrace t!íkomponentních tenzometrických aerodynamických vah

Charakterizace koloidních disperzí. Pavel Matějka

QAW910. Prostorová jednotka. Building Technologies HVAC Products

Dodatky k FT: 1. (2D digitalizace) 2. Více o FT 3. Více k užití filtrů. 7. přednáška předmětu Zpracování obrazů

Paralelní kompenzace elektrického vedení (Distribuce Elektrické Energie - BDEE)

1. Základy teorie přenosu informací

Diskrétní řešení vzpěru prutu

METODY OCEOVÁNÍ PODNIKU DEFINICE PODNIKU. Obchodní zákoník 5:

PŘELAĎOVÁNÍ AKTIVNÍCH FILTRŮ POMOCÍ NAPĚŤOVĚ ŘÍZENÝCH ZESILOVAČŮ

P. Petyovsk", MAPV Aplikace po"íta"ového vid#ní v dopravních úlohách2, Virtualizovaná realita

Ing. Miloš Kalousek, Ph.D., Ing. Danuše Čuprová, CSc. VUT Brno

Spektrální analyzátory

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

MERENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ V MIKROLOKALITÁCH NANOINDENTACÍ. Radek Nemec, Ivo Štepánek

MENÍ A INTERPRETACE SPEKTER BIOMOLEKUL. Miloslav Šanda

Projektovéízení a strategický management - východiska programového financování - IPVZ, 2008

DOPRAVNÍ INŽENÝRSTVÍ

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory

Spektrální charakteristiky

1 KOMBINATORIKA, KLASICKÁ PRAVDPODOBNOST

Zkoušení velkých výkovků a digitální ultrazvukové přístroje

CW01 - Teorie měření a regulace

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

Základní principy přeměny analogového signálu na digitální

1.16 Lineární stabilita (pouze Fin 3D)

Analogově číslicové převodníky

A7B31ZZS 4. PŘEDNÁŠKA 13. října 2014

Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2012 October 30 - November 1, Seč u Chrudimi - Czech Republic

Transkript:

DISKRÉTNÍ FOURIEROVA TRANSFORMACE PI NELINEÁRNÍ ULTRAZVUKOVÉ SPEKTROSKOPII Luboš PAZDERA *, Jaroslav SMUTNÝ **, Marta KOENSKÁ *, Libor TOPOLÁ *, Jan MARTÍNEK *, Miroslav LUÁK *, Ivo KUSÁK * Vysoké uení technické v Brn, Fakulta stavební, * Ústav fyziky, ** Ústav železniních konstrukcí a staveb Abstrakt Nelineární ultrazvuková spektroskopie je metoda využívající nelineární vlastnosti namáhaného materiálu. Tato metoda se obvykle používá s využitím jednoho i dvou budi (obecn jejich poet není omezen). Digitáln zaznamenaný signál je peveden Diskrétní Fourierovou transformací do frekvenní oblasti, kde jsou spektra vyhodnocena. Ovšem je nutné transformaci použít uvážliv. Píspvek se zabývá nkterými komplikacemi pi použití transformace. Abstract Nonlinear ultrasound spectroscopy is a resonance-based technique exploiting the significant nonlinear behaviour of damaged materials. This method can be applied in two basic types with one or two exciters. Recorded signal is evaluated by help the Discrete Fourier Transform (Fast Fourier Transform). There are problem with its reasonable using. The aim of article is describing some of them.

Úvod Nelineární ultrazvuková spektroskopie využívá buzení jedním i více harmonickými signály. Výsledkem je sledování chování harmonických složek. Rozdíl ve velikosti tchto složek mže být dostaten významný z hlediska citlivosti a rozsah pístroj. Základní obvod se tedy sestává z budícíásti, vzorku a snímací ásti (obr. 1). Budi i sníma mže být více. budícíleny vzorek snímacíást Schéma zapojení vzorku Analogov digitální (A/D) pevodník má obvykle rozsah založený na mocnin dvou tj. 2 bity. Pro díve nejastji používané 8 bitové pevodníky je to 2 8 tj. 256 úrovní, do kterých mže být celý mící rozsah rozdlen. Užitené hodnoty pro pevodníky jsou v Tab. 1. Pro náhodné, zvlášt impulsní dje, se obvykle využívají ti tvrtiny celkového rozsahu. Poet bit Rozsah (2 bity ) Pesnost (1/Rozsah) Dynamický rozsah [db] 3/4 dynamického rozsahu [db] 8 256 410-3 48 40 12 4096 310-4 72 64 14 16384 610-5 84 76 16 65536 210-5 96 88 24 16777216 610-8 144 136 32 4264967296 310-10 192 184 Fourierova transformace Hodnoty A/D pevodníku Fourierova transformace pevádíasový signál s(t) do tzv. frekvenní oblasti G(f). Vlastní transformace pracuje s komplexním signálem. V pípad analýzy reálného signálu s(t), tj. imaginarní ást je nulová, je výsledek transformace komplexní íslo ( Re( Im(. V praxi je obvykle používáno vyjádení frekvenního spektra amplitudového a fázového 2 2 ( ( ( (1) Re Im

1 Im( ( ( (2) Re( Ovšem zmený signál s(t) je zaznamenán v jednotlivých asových okamžicích s konstantním asovým krokem t v omezené délce N hodnot tj. s(0), s(t), s(2t),..., s((n-1)t). Pokud by hodnoty byly ureny s jiným než konstantním krokem byl by výpoet komplikovanjší. Vtšina zaízení však pracuje s konstantním krokem. Ve frekvenním spektru pak dostáváme také diskrétní hodnoty na jednotlivých frekvencích daných frekvenním krokem f, který závisí na asovém kroku t a potu zmených bod N, tj. délce signálu 1 (3) Frekvenní amplitudové spektrum je tedy omezeno hodnotou aritmetického prmru G(0) a hodnotou na Nyquistov frekvenci G(fN/2). Tedy spektrum je pouze ve vybraných frekvenních bodech G(0), G(f), G(2f),..., G(fN/2). Poznamenejme, že signál je vzorkován frekvencí 1 (4) Výsledné hodnoty jsou tedy na frekvencích 0, f, 2f,..., (N/2-1)f, (N/2)f. Tedy užití Diskrétní Fourierovy transformace obsahuje nkteré dležité vlastnosti signál i spektrum jsou vzorkovány, tj. mají hodnoty jen v definovaných bodech (ase, resp. frekvenci) je pedpokládána periodicita signálu i spektra, tj. jakoby signál ml nejmenší periodu rovnu délce zaznamenané realizace (Nt) nejvyšší skutené frekvence v signálu musí být menší než je polovina vzorkovací frekvence, jinak je spektrum nereálné délka signálu by mla být úmrná nejnižší period obsažené v signálu Pro eliminování nkterých efekt lze použít tzv. okénkové funkce, které snižují hodnoty na okrajích signálu. Touto funkcí je signál násoben a výsledná velikost spektra je o definovanou velikost nižší. Je vhodné si uvdomit, že signál mající frekvenní složky mimo složky výsledné je rozptýlen energeticky do složek okolních. Diskretizace f [Hz] 8 9 10 11 12 13 14 a r 0.111 0.196 0.621 0.651 0.226 0.141 0.104 Hodnoty na frekvenních složkách pi generování frekvencí 10,5 Hz

Vliv diskrétní frekvence je patrný na obr. 2. Oba uvedené signály mají jednotkovou (stejnou) amplitudu, ale rozlinou frekvenci. Vzorkování je provedeno s frekvenním krokemf rovným 1 Hz. Tedy frekvence 10 Hz je ve spektru zobrazena na hodnot 10 Hz tj. 10x 1 Hz. Avšak frekvence 10,5 Hz nemže být umístna na jedné frekvenní složce, nebo sousední složky jsou 10 Hz a 11 Hz. Z tab. 2 je zejmé, že výpotem je ovlivnno i relativn vzdálené okolí intervalu 10 Hz a 11 Hz. Vliv vzorkování signál s rznou frekvencí Vliv vzorkování Dalším nezanedbatelným vlivem mže být analogov digitální pevod. Z obr 3 je patrný vliv potu bit u pevodníku na poet zaznamenaných harmonických složek.

V tomto pípad je pedpokládaný pokles každé složky ptinový k pedchozí složce. Pi osmibitovém pevodníku (8b) je maximální rozsah 48 db a teoreticky lze sledovat první tyi harmonické složky. Pedpokládáme-li ovšem využití ¾ rozsahu, tj. 40 db, mžeme sledovat již jen ti harmonické složky. Zde je zetelná nutnost použití vtšího rozlišení pro pesnjší zaznamenání více harmonických složek. Samozejm nutnost kritického rozlišení závisí na poklesu sledované harmonické složky vzhledem k celkovému poklesu signálu. Tedy vyšší rozlišení je obecn výhodnjší, avšak v souasnosti je omezeno rychlostí diskretizace signálu. Vyšší rozlišení snižuje maximální možnou vzorkovací frekvenci z dvodu hardwarové konstrukce A/D pevodníku.. Mící zaízení pro nelineární spektroskopii Z uvedených dvod je vhodné uvést aparaturu do souladu z hlediska teorie, tj. aby pedpokládaná diskrétní frekvence buzení resp. rozdílu buzení byla zahrnuta v diskrétním Fourierov spektru. Znamená to sledovat relativn velké signály, co se týe objemu dat, nebo rozlišení je závislé na potu zaznamenaných dat. Z hlediska omezených možností lze postupovat také s využitím analogových pásmových propustí. V pípad, že budeme porovnávat pomry amplitud frekvenních spekter potebujeme jak velkou pesnost mení (vícebitový A/D pevodník) tak souasn velké množství dat. Pi použití metody využívající dvou harmonických budících signál se mžeme zabývat pouze oblastí rozdíl nebo soutu budících frekvencí. Pak je vhodné použití analogových pásmových filtr, které budou propouštt pouze vymezenou oblast, umístných ped A/D pevodníkem. Budi f b1 Budi f b2 vzorek ízení a analyzátor pásmový filtr pedzesilova pásmový filtr a zesilova A/D pevodník a záznamník Blokové schéma mícího zaízení

Blokové schéma jednoho z možných zapojení je uvedeno na obr. 4. Dležitou roli hraje vhodn zvolená kombinace budících frekvencí f b1 a f b2. Vhodnost pásmového filtru ped pedzesilovaem mže být diskutabilní, ale pi pedpokladu relativn velkého vstupního signálu je jeho použití relevantní. Závr Metoda nelineární ultrazvukové spektroskopie se jeví jako velmi nadjná nedestruktivní metoda. Její aplikovatelnost je závislá na stavu vdy a techniky. Velmi dležitými prvky jsou budící elementy. Samozejm je dležitá i záznamová strana. Pi nastavování parametr mícíhoetzce je nutné také uvažovat nkteré principy Diskrétní Fourierovy transformace. Dležitý je vhodný výbr frekvencí v. vzorkovací. V souladu by mly být budící frekvence, vzorkovací frekvence a délka realizace resp. citlivost frekvenní osy. Dležitým prvkem je také bu frekvenní omezení zaznamenávaného signálu nebo vysoký stupe rozlišení A/D pevodníku, tj. vyšší poet bit. Neexistuje všeobecný návod jak volit jednotlivé parametry aparatury, nebo tento závisí na sledovaném vzorku. Stavební materiály patí k tm komplikovanjším. Podkování Tento píspvek vznikl za podpory ešení projektu MSM 0021630519 a GACR 103/06/1711 a GACR 103/07/0183. Literatura [1] Hájek K., Koenská M., Šikula J., Nonlinear Ultrasonic Spectoscopy of Fired Roof Tiles, WCNDT 2004 [2] Hajek K., Hefner S.: Possibilities of nonlinear ultrasound spectroscopy for NDT in civil engineering. Workshop NDT SMK 03, VUT Brno, 2003, p. 29-35, ISBN 80-7204-318-8. [3] Manychová, M., Možnosti využití nelineární ultrazvukové spektroskopie pro defektoskopii stavebních materiál, píspvek na konferenci Konstrukce a progresivní materiály s využitím druhotných surovin 2006, ISBN 80-214-3125-3 [4] Manychová, M., NDT Methods as Tool for Building Constructions Inspection, píspvek na konferenci Zborník príspevkov, ISBN 80-8073-678-2, CPRESS Košice, Štrbské Pleso