《Journal of Marine Science and Engineering》：A Low-Power Ultrasonic Residual Stress Measurement Method Based on the CM-SSA-VMD Denoising Algorithm
编辑推荐：
焊接结构广泛应用于船舶和海洋装备。超声纵波临界折射（LCR）波方法是测量焊接结构残余应力的可靠技术。传统超声测量系统功耗高，难以在海洋环境有限供电条件下运行。降低激励电压可降低功耗，但随着激励电压降低，超声回波能量减弱且噪声干扰增加，从而影响应力测量精度。研究
焊接结构广泛应用于船舶和海洋装备。超声纵波临界折射（LCR）波方法是测量焊接结构残余应力的可靠技术。传统超声测量系统功耗高，难以在海洋环境有限供电条件下运行。降低激励电压可降低功耗，但随着激励电压降低，超声回波能量减弱且噪声干扰增加，从而影响应力测量精度。研究人员提出一种基于复杂度突变的自适应奇异谱分析–变分模态分解算法（CM-SSA-VMD）。该算法利用谱质心、波形粗糙度和过零率构建复杂度指标。通过识别相邻奇异谱分析（SSA）分量之间的复杂度突变，自适应确定保留用于重构的分量。然后，采用变分模态分解（VMD）进一步分离残余高频噪声。最后，利用互相关算法估计超声飞行时间（TOF），并计算应力。在5.2 V、3.3 V、1.2 V和0.5 V不同激励电压下评估所提算法的应力测量精度。结果表明，当激励电压降至0.5 V时，经CM-SSA-VMD处理后，应力测量的平均相对误差保持在10%以下；而新的自适应去噪方法灰狼优化–变分模态分解–小波变换（GWO-VMD-WT）、传统有限冲激响应（FIR）滤波和VMD的平均相对误差分别约为14%、18%和16%。与GWO-VMD-WT、FIR滤波和VMD相比，该方法的测量精度分别提高33.35%、46.16%和41.82%。CM-SSA-VMD算法能够有效抑制低激励电压下超声信号中的噪声，提高应力监测的可靠性。它为海洋工程中的低功耗超声残余应力监测提供了一种可行方法。
焊接结构广泛用于船舶和海洋工程，其质量直接影响结构完整性。船体建造中，纵向加强筋、肋板和壳板焊接形成大量加筋板结构，在焊接区域产生双轴残余应力。长期服役时，残余应力、波浪循环载荷和工作应力叠加，可能降低加筋结构极限承载能力。因此，关键焊接区域残余应力检测对评价焊接质量和保障结构安全可靠具有重要意义。现有残余应力测量方法包括钻孔法、X射线衍射法、电磁超声法和超声法。钻孔法会损伤焊接构件完整性，主要用于实验室；X射线衍射法无损且表面精度高，但设备昂贵且需严格辐射防护；电磁超声法操作方便且不损伤构件，但精度相对较低；超声法基于声弹性效应，通过测量应力引起的超声传播时间变化评价残余应力，具有无损、便携和高效优点，已广泛用于焊接构件。对于安装在船舶上长期监测的超声设备，更换电池困难，需降低功耗以延长工作时间。Xiao et al. 在10 V激励电压下实现0.83 mW功耗的超声监测，Marcus et al. 在5 V激励电压下实现1.5 mW功耗的超声监测，表明降低激励电压可降低功耗，但低激励电压会减弱接收信号能量并增加噪声干扰。因此，有效抑制信号噪声是实现低电压低功耗超声应力监测的关键。现有去噪算法有小波阈值、经验模态分解（EMD）和变分模态分解（VMD）等。小波阈值需人工选择小波基、分解层数和阈值函数；EMD无需预设参数但可能产生伪分量和模态混叠；Wu et al. 提出集合经验模态分解（EEMD）缓解模态混叠，但计算成本高且白噪声难完全去除；VMD通过求解约束变分问题自适应确定各模态有限带宽和最优中心频率，避免模态混叠。已有组合算法如Yang et al. 的CEEMDAN与小波包阈值组合、He et al. 的EMD与小波包变换组合，仍存在人工参数选择或模态混叠问题。为此，研究人员提出CM-SSA-VMD算法，利用谱质心、波形粗糙度和过零率构建复杂度指标，根据相邻SSA分量复杂度突变自适应确定重构分量，再以VMD进一步去噪，并采用互相关算法估计飞行时间（TOF）计算应力。研究旨在解决低激励电压下回波能量弱、噪声干扰大导致应力测量精度下降的问题，提高低功耗超声应力监测可靠性，为海洋工程低功耗超声残余应力监测提供可行方法。
关键技术方法：构建基于LCR波的实验系统，包括加载装置、自主研制超声换能器（5 MHz，芯片8 mm × 8 mm，楔块角20°）、信号发生器、示波器和7系铝合金板；样本来源包括7系铝合金板、MIG焊铝板，以及5083-H116、6061-T6、316L、2205、Q235、AH36六种材料。开展低激励电压5.2 V、3.3 V、1.2 V、0.5 V下应力测量；算法上先SSA分解，以复杂度指标识别分量，再用VMD进一步去噪，最后互相关估计TOF并按声弹性公式计算应力。
4.1 基于CM-SSA-VMD的去噪。研究人员用0.5 V、5 MHz超声信号验证，SSA窗口长度选500；SSA分量1–2低频慢波动，3–4较高频规则振荡，5不规则但保留有用特征，6–7更高频但有周期性，8–10振荡密度增大、平滑度降低，推测含大量高频噪声。复杂度突变位于分量7和8，故保留1–7重构，舍弃8–10。VMD参数选分解层数5、惩罚因子1000、拉格朗日乘子0.1。与仅用CM-SSA相比，CM-SSA-VMD处理后信号更平滑、峰值更少，SNR分别为13.10 dB和12.25 dB，表明引入VMD可更有效抑制低电压激励超声信号噪声。
4.2 算法比较。研究人员构造0、2、5、10、15 dB含噪仿真信号，与GWO-VMD-WT、VMD和FIR滤波比较，以信噪比（SNR）和均方根误差（RMSE）评价。CM-SSA-VMD在不同噪声水平下SNR最高，平均提高超过12 dB，RMSE最低且低于0.1；初始SNR为10 dB时其SNR高于20 dB，而其他算法低于20 dB；初始SNR为0 dB时SNR提高12.4124 dB，RMSE为0.0891。GWO-VMD-WT、VMD和FIR的平均SNR增量分别比CM-SSA-VMD低约3.1 dB、4.5 dB和3.4 dB。波形比较显示CM-SSA-VMD处理信号平滑并跟随干净信号趋势；GWO-VMD-WT在峰值有偏差，VMD残留尖峰，FIR首尾波动且趋势不一致。CM-SSA-VMD的皮尔逊相关系数（PCC）最高，TOF偏差为3 ns，说明其可保留波形特征并保证TOF计算精度。
4.3 应力测量误差分析。研究人员以10 V激励电压标定试样，在30、60、90、120、150和180 MPa应力水平获得线性标定曲线，拟合方程 y = 6.40118x ? 20.38848，r = 0.99737，R
2 = 0.99474，应力系数K = 6.40118 MPa/ns，标准误0.23266 MPa/ns，95%置信区间5.7552–7.0471 MPa/ns，用于后续不同激励电压应力测试。5.2 V、3.3 V、1.2 V、0.5 V下回波噪声逐渐增加，SNR从5.2 V的12.45 dB降至0.5 V的2.09 dB。四种算法应力测量误差均随激励电压降低而增加；相同电压下CM-SSA-VMD误差更低。激励电压从5.2 V降至0.5 V，CM-SSA-VMD平均相对误差从6.16%增至9.75%，仍低于10%；GWO-VMD-WT在3.3 V及以上低于10%，1.2 V及以下超过10%；FIR在5.2 V为6.87%，3.3 V及以下超过10%；VMD在5.2 V及以下均超过10%。三次重复测量标准差大多低于1%，CM-SSA-VMD离散度较小。功耗测试显示5.2 V功耗最高245.973 mW，随电压降低而降低，0.5 V最低仅13.043 mW，验证低激励电压降低功耗可行性。
4.4 残余应力测量与材料适用性的进一步验证。研究人员对MIG焊铝板沿垂直焊缝方向测试纵向残余应力，使用50、5.2、3.3、1.2、0.5 V五种激励电压，以50 V为参考。五种电压下残余应力曲线趋势基本一致，低激励电压下峰值应力、应力分布宽度以及拉伸/压缩残余应力过渡位置无明显变化，四个低电压平均相对误差均低于10%，0.5 V时为9.11%。在0.5 V下对5083-H116、6061-T6、316L、2205、Q235、AH36测试，平均相对误差分别为9.08%、9.12%、9.95%、9.79%、9.92%和7.63%，均低于10%，表明CM-SSA-VMD在上述材料低电压激励下具有一定适用性。但实验仅涉及六种金属材料，结论受材料和测试环境限制，不能直接推广到其他材料构件；该实验仅常温铝板焊接结构测试，后续需在船舶焊接结构上进一步验证。讨论中还指出，钢是当前大型船舶主要材料，但高速轻量化船舶常用5系和6系铝合金制作船体板、甲板和加强筋；7系铝合金承载能力更强，对高强度要求船舶有研究价值。选择7系铝合金板并非因其比钢更能代表船体结构，而是作为高强度铝合金样品，重点验证CM-SSA-VMD在低激励电压下测量应力精度。该实验是在外部拉伸应力条件下进行的方法验证，外部拉伸应力不能完全代表实际残余应力场。
结论翻译：为解决低激励电压下回波能量减弱和噪声增加导致应力测量精度降低的问题，研究人员提出CM-SSA-VMD算法。该算法利用复杂度指标表征SSA分量的频率分布、平滑度和振荡频率，自适应选择重构SSA分量，并对重构分量执行VMD以进一步分离残余噪声，实现有效去噪。通过算法性能比较和应力测量精度实验，得到以下结论：(1)在初始SNR为0至15 dB范围内，CM-SSA-VMD处理信号的输出SNR最高，平均增加超过12 dB；RMSE最低，小于0.1。VMD算法和FIR滤波的平均SNR增量分别比CM-SSA-VMD低约4.5 dB和3.4 dB。(2)在30~180 MPa应力范围内，随着激励电压从5.2 V降至0.5 V，CM-SSA-VMD平均相对误差从6.16%增至9.75%，但保持在10%以下。相反，FIR滤波在激励电压不高于3.3 V时平均相对误差超过10%，VMD在激励电压为5.2 V或更低时平均相对误差超过10%。(3)在5.2 V、3.3 V、1.2 V和0.5 V激励电压下，随着电压降低，功耗逐渐降低。5.2 V时功耗最高，为245.973 mW；0.5 V时功耗最低，仅为13.043 mW。(4)5083-H116铝合金、6061-T6铝合金、316L奥氏体不锈钢、2205双相不锈钢、Q235碳素结构钢和AH36高强度船体钢在0.5 V低电压下的应力趋势与参考残余应力趋势一致，四个低激励电压下平均相对误差均低于10%。总之，CM-SSA-VMD能够有效处理低信噪比超声信号，降低噪声对应力监测的影响，保证低功耗条件下应力测量精度，为超声应力监测提供可行方案。
