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热载荷下星载天线逆有限元变形重构方法
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作者 顾叶青 操卫忠 +4 位作者 袁慎芳 孙为民 黄欣婷 黄天翔 冯健 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期997-1004,共8页
为实现星载天线结构在服役过程中的实时变形监测,针对真实分布式热载荷下的星载天线板结构,研究了基于应变监测的逆有限元变形重构方法.首先,针对星载天线板结构提出了一种基于四节点四边形逆向壳单元的变形监测方法,通过建立基于位移... 为实现星载天线结构在服役过程中的实时变形监测,针对真实分布式热载荷下的星载天线板结构,研究了基于应变监测的逆有限元变形重构方法.首先,针对星载天线板结构提出了一种基于四节点四边形逆向壳单元的变形监测方法,通过建立基于位移梯度的单元划分方法,对逆有限元单元划分进行优化,采用最小二乘误差函数构造结构应变与位移的矩阵关系.其次,建立天线板热试验系统,获取典型热载荷下的结构温度分布.然后,建立典型实验温差状态下的复合材料星载天线板结构有限元模型,获取结构表面应变和位移.最后,在典型热载荷下,验证所提变形重构方法的有效性.结果表明,变形重构的位移误差不超过0.5 mm,说明逆有限元法能够在典型热载荷下准确重构天线板变形. 展开更多
关键词 星载天线 分布式热载荷 逆有限元法 变形重构
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Research on High-Velocity Impact Damage Monitoring Method of CFRP Based on Guided Wave
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作者 WANG Yang YANG Xiaofei +1 位作者 QIU Lei yuan shenfang 《Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics》 EI CSCD 2024年第S01期60-69,共10页
Carbon fiber-reinforced polymer(CFRP)is widely used in aerospace applications.This kind of material may face the threat of high-velocity impact in the process of dedicated service,and the relevant research mainly cons... Carbon fiber-reinforced polymer(CFRP)is widely used in aerospace applications.This kind of material may face the threat of high-velocity impact in the process of dedicated service,and the relevant research mainly considers the impact resistance of the material,and lacks the high-velocity impact damage monitoring research of CFRP.To solve this problem,a real high-velocity impact damage experiment and structural health monitoring(SHM)method of CFRP plate based on piezoelectric guided wave is proposed.The results show that CFRP has obvious perforation damage and fiber breakage when high-velocity impact occurs.It is also proved that guided wave SHM technology can be effectively used in the monitoring of such damage,and the damage can be reflected by quantifying the signal changes and damage index(DI).It provides a reference for further research on guided wave structure monitoring of high/hyper-velocity impact damage of CFRP. 展开更多
关键词 guided waves structural health monitoring(SHM) carbon fiber reinforced polymer(CFRP) high-velocity impact
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基于导波-高斯混合模型蒙特卡罗迁移度量的结构损伤定量化诊断方法研究 被引量:2
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作者 袁慎芳 王劼 +1 位作者 徐秋慧 陈健 《航空科学技术》 2023年第3期33-39,共7页
在线准确定量诊断飞行器结构疲劳裂纹损伤对于保证结构安全、降低维护费用具有重要意义,为了提升复杂服役条件环境下结构损伤定量化诊断的可靠性,本文提出了一种导波-高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)蒙特卡罗迁移度量的损伤... 在线准确定量诊断飞行器结构疲劳裂纹损伤对于保证结构安全、降低维护费用具有重要意义,为了提升复杂服役条件环境下结构损伤定量化诊断的可靠性,本文提出了一种导波-高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)蒙特卡罗迁移度量的损伤定量化诊断方法。首先建立表征结构不同状态下导波特征概率分布的GMM,再通过大数据随机采样的蒙特卡罗方法计算监测状态GMM相对于基准GMM的迁移距离,该方法在避免了复杂积分计算的同时,能够更准确地计算GMM的迁移距离,实现复杂服役条件下损伤扩展的准确定量化追踪诊断。选取重要飞行器耳片连接结构进行了孔边裂纹监测,有效实现了裂纹定量化监测,结果表明,相比传统的最小匹配迁移距离计算方法,本文提出的方法使裂纹定量化精度提高了29%。 展开更多
关键词 导波结构健康监测 高斯混合模型 损伤定量化诊断 迁移距离
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基于辅助粒子滤波的疲劳裂纹扩展预测研究 被引量:5
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作者 杨伟博 袁慎芳 +1 位作者 邱雷 陈健 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2018年第5期114-119,125,共7页
针对粒子滤波算法在实现疲劳裂纹寿命预测时,存在的多样性匮乏现象而导致的精度下降问题,提出了一种基于辅助粒子滤波与结构健康监测相结合的疲劳裂纹扩展预测方法。首先将裂纹扩展的Paris规则与有限元法相结合,建立了裂纹扩展的状态方... 针对粒子滤波算法在实现疲劳裂纹寿命预测时,存在的多样性匮乏现象而导致的精度下降问题,提出了一种基于辅助粒子滤波与结构健康监测相结合的疲劳裂纹扩展预测方法。首先将裂纹扩展的Paris规则与有限元法相结合,建立了裂纹扩展的状态方程;其次通过主动Lamb波健康监测方法,利用时间延迟损伤因子对Lamb波信号进行处理,拟合获得各裂纹长度下对应的损伤因子函数关系,建立了裂纹扩展的观测方程;最后结合状态方程和观测方程所建立的裂纹扩展状态空间模型,分别利用辅助粒子滤波与标准粒子滤波算法,实现孔边裂纹扩展的寿命预测,其预测结果的对比表明,辅助粒子滤波在复杂结构的疲劳裂纹扩展预测中,结合了最新的观测值,可有效缓解粒子多样性匮乏现象,预测结果具备更高的精度,更适用于复杂结构在线寿命预测的实现。 展开更多
关键词 疲劳裂纹扩展 粒子滤波 辅助粒子滤波 结构健康监测 LAMB波
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疲劳裂纹扩展的卷积神经网络辨识 被引量:9
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作者 袁慎芳 李晓泉 陈健 《航空科学技术》 2020年第7期64-71,共8页
本文提出一种基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的疲劳裂纹扩展辨识方法,首先针对导波健康监测损伤特征分散性问题,建立二维多通道多频率损伤特征模式用于卷积神经网络辨识,设计具有复杂非线性运算能力的卷积神经网... 本文提出一种基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的疲劳裂纹扩展辨识方法,首先针对导波健康监测损伤特征分散性问题,建立二维多通道多频率损伤特征模式用于卷积神经网络辨识,设计具有复杂非线性运算能力的卷积神经网络解决疲劳裂纹扩展的定量辨识问题。所提方法在变幅载荷疲劳裂纹扩展试验中进行了验证,相比常规多项式拟合辨识方法最大误判长度由2.95mm减小至1.66mm,均方根误差由1.20mm减小至0.33mm,实现了疲劳裂纹扩展辨识准确率的有效提升。 展开更多
关键词 疲劳裂纹扩展辨识 卷积神经网络 导波结构健康监测 变幅疲劳载荷
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民用飞机复合材料结构健康监测技术研究 被引量:20
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作者 孙侠生 肖迎春 +4 位作者 白生宝 刘国强 杜振华 袁慎芳 薛景锋 《航空科学技术》 2020年第7期53-63,2,共12页
飞机结构健康监测技术是一个将对飞机结构设计、试验和维护产生重要影响的技术领域。国内航空界持续关注该领域的发展,逐步形成了高校、科研院所和主机厂所的联合团队,对飞机结构健康监测技术相关概念、内涵和策略,传感器工程适用性,监... 飞机结构健康监测技术是一个将对飞机结构设计、试验和维护产生重要影响的技术领域。国内航空界持续关注该领域的发展,逐步形成了高校、科研院所和主机厂所的联合团队,对飞机结构健康监测技术相关概念、内涵和策略,传感器工程适用性,监测方法,监测仪器,系统集成以及试验验证方面展开了深入研究,实现了结构健康监测技术在飞机结构地面强度试验中的应用。本文全面介绍了国内联合研究团队在飞机复合材料结构健康监测技术研究方面的研究进展。 展开更多
关键词 复合材料结构 飞机结构健康监测 传感器 损伤监测方法 结构健康监测系统
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时变异方差不确定影响下的疲劳裂纹在线评估 被引量:1
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作者 王卉 袁慎芳 +2 位作者 孟义兴 徐秋慧 任元强 《仪器仪表学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第11期181-189,共9页
主动导波结构健康监测能够实时在线地监测结构状态。但时变因素影响会增加裂纹评估难度,降低评估准确性。时变因素的影响使得导波监测信号特征呈现明显的异方差特征,即导波信号特征分布方差随时间变化而改变。针对此问题,提出了异方差... 主动导波结构健康监测能够实时在线地监测结构状态。但时变因素影响会增加裂纹评估难度,降低评估准确性。时变因素的影响使得导波监测信号特征呈现明显的异方差特征,即导波信号特征分布方差随时间变化而改变。针对此问题,提出了异方差分位数回归辅助的裂纹在线评估方法,利用3条特殊的分位数回归曲线估计时变因素影响下信号特征随时间的分布变化情况,实现对监测数据中的异方差不确定性的处理。基于批量缺口梁结构的疲劳与导波监测试验数据对提出方法的有效性进行验证,实验结果表明,提出的方法能够实现时变影响下的损伤评估,评估最大绝对误差为1.1 mm,均方根误差为0.4 mm,并且可以有效处理时变异方差影响,量化其不确定度,为评估结果提供参考价值。 展开更多
关键词 疲劳裂纹 异方差 不确定性 导波 结构健康监测 分位数回归
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基于导波的飞机结构腐蚀损伤监测研究 被引量:11
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作者 郭方宇 袁慎芳 鲍峤 《航空制造技术》 2018年第7期70-76,共7页
飞机结构腐蚀损伤会显著降低飞机结构的安全性能,危害飞行安全。提出一种基于导波的航空结构腐蚀损伤概率重建算法用于航空结构腐蚀损伤的在线监测。针对结构上真实的腐蚀损伤,采用频谱幅度差损伤因子表征Lamb波参考信号和监测信号的相... 飞机结构腐蚀损伤会显著降低飞机结构的安全性能,危害飞行安全。提出一种基于导波的航空结构腐蚀损伤概率重建算法用于航空结构腐蚀损伤的在线监测。针对结构上真实的腐蚀损伤,采用频谱幅度差损伤因子表征Lamb波参考信号和监测信号的相关性,并作为损伤概率重建算法方法中的图像重建参数;根据损伤概率重建算法的成像结果,提出了一种融合损伤因子方法对腐蚀深度进行评估,同时采用超声检测方法测量结构上的腐蚀损伤与上述方法进行了对比。试验结果表明,该方法有效实现了结构腐蚀损伤的定位和腐蚀深度的评估。 展开更多
关键词 导波 腐蚀损伤 损伤概率重建算法 损伤因子 结构健康监测
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复合材料结构的低功耗冲击区域监测方法 被引量:1
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作者 林晓冬 邱雷 +1 位作者 袁慎芳 许其运 《民用飞机设计与研究》 2020年第4期63-68,共6页
复合材料凭借优异性能而被广泛应用于民用飞机结构,但复合材料结构可能会因冲击而产生内部损伤并严重降低结构的性能。因此,以低功耗方法不间断地对飞行器复合材料结构进行冲击监测就显得尤为关键。面向机载提出了一种基于反向加权和的... 复合材料凭借优异性能而被广泛应用于民用飞机结构,但复合材料结构可能会因冲击而产生内部损伤并严重降低结构的性能。因此,以低功耗方法不间断地对飞行器复合材料结构进行冲击监测就显得尤为关键。面向机载提出了一种基于反向加权和的低功耗冲击区域定位算法,该算法基于数字化冲击监测原理,依据冲击响应数字序列进行冲击事件的区域定位。算法运算过程简单高效,便于通过嵌入式软件编程至核心处理器,并显著减少在核心处理器执行算法所需的功耗、时间和存储空间,有利于冲击监测系统的低功耗设计和应用。此外,将算法应用在低功耗小型化冲击监测系统中,并评估了冲击区域定位算法在复合材料机翼盒段结构上的准确率。评估结果显示,低功耗冲击区域监测方法可以准确的监测每次冲击事件,且冲击区域定位准确率达到了96%。 展开更多
关键词 复合材料结构 冲击监测系统 低功耗 数字序列 压电传感器
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融合导波监测的搭接结构裂纹扩展寿命孪生预测
10
作者 陈健 孟义兴 +2 位作者 袁慎芳 徐秋慧 王卉 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第16期34-42,共9页
飞行器的高性能和长寿命需求对传统结构设计维护方法的变革提出了迫切要求。在数字孪生的理论思想下,提出一种飞行器搭接结构裂纹扩展寿命的在线预测方法,首先利用裂纹扩展准则和有限元模型建立搭接结构的数字孪生体及其代理模型,在结... 飞行器的高性能和长寿命需求对传统结构设计维护方法的变革提出了迫切要求。在数字孪生的理论思想下,提出一种飞行器搭接结构裂纹扩展寿命的在线预测方法,首先利用裂纹扩展准则和有限元模型建立搭接结构的数字孪生体及其代理模型,在结构服役过程中采用主动导波监测方法对物理实体搭接结构的裂纹长度进行监测,进一步通过贝叶斯滤波方法对搭接结构裂纹扩展准则参数进行修正,在此基础上结合数字孪生代理模型开展结构疲劳裂纹扩展寿命预测。通过蒙皮搭接结构的疲劳试验对方法进行验证,裂纹长度诊断结果的方均根误差为0.8 mm,在8万个载荷循环后裂纹扩展寿命预测结果的最大误差小于5%,表明了方法的有效性。 展开更多
关键词 搭接结构 裂纹扩展寿命预测 数字孪生 导波结构健康监测 贝叶斯滤波
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时变影响下导波健康HMM的损伤定量诊断方法
11
作者 任元强 严嘉慧 +1 位作者 袁慎芳 张巾巾 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第16期54-61,共8页
疲劳裂纹是导致航空飞行器结构失效最主要的损伤形式之一,及时、有效地对疲劳裂纹扩展进行在线监测和诊断对保障结构的完整性及安全性具有重要意义。由于实际服役的航空结构往往经历复杂的服役环境和操作条件,这些时变因素相互耦合,容... 疲劳裂纹是导致航空飞行器结构失效最主要的损伤形式之一,及时、有效地对疲劳裂纹扩展进行在线监测和诊断对保障结构的完整性及安全性具有重要意义。由于实际服役的航空结构往往经历复杂的服役环境和操作条件,这些时变因素相互耦合,容易引起监测信号特征发生明显不确定性变化,严重影响结构损伤诊断的可靠性。针对时变服役条件影响下航空结构损伤的可靠评估,提出一种基于导波健康隐马尔科夫模型(Hidden Markov model,HMM)的结构损伤定量诊断方法。该方法通过HMM模型表征航空结构健康状态下的导波信号特征,采用实时监测导波信号特征与HMM模型的概率迁移关系表示结构损伤状态,实现结构损伤预警及定量诊断。在批量耳片的疲劳裂纹扩展试验中进行方法验证,结果显示损伤预警诊断误差平均值为0.4 mm,损伤定量诊断评估的最大绝对误差平均值为0.9 mm,表明该方法能够及时预警监测结构中疲劳裂纹的产生,同时对裂纹扩展进行可靠的连续定量诊断。 展开更多
关键词 结构健康监测 导波 时变条件 损伤定量诊断 隐马尔科夫模型 似然概率
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C/C热防护结构弹性波仿真分析方法及损伤对弹性波的影响 被引量:3
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作者 袁慎芳 刘凌峰 +2 位作者 邱雷 陈健 刘安琪 《复合材料学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第10期2448-2457,共10页
热防护结构(Thermal protection structures,TPS)作为可重复使用航天飞行器的关键结构,其安全性和可维护性至关重要。已有的针对可重复使用航天飞行器TPS的结构健康监测的研究不多,特别是C/C、C/SiC等复合材料制造的TPS。针对可重复使... 热防护结构(Thermal protection structures,TPS)作为可重复使用航天飞行器的关键结构,其安全性和可维护性至关重要。已有的针对可重复使用航天飞行器TPS的结构健康监测的研究不多,特别是C/C、C/SiC等复合材料制造的TPS。针对可重复使用航天飞行器C/C TPS,研究其基于主动弹性波的结构健康监测方法。提出了一种TPS弹性波数值仿真方法,在验证方法有效性的基础上,开展了面向C/C TPS损伤监测的弹性波传播特性研究,从信号时域特征、弹性波传播波场、损伤散射信号、损伤散射信号波场及损伤因子5个方面全面分析了弹性波在C/C TPS中的传播特性及损伤带来的影响。结果表明,当分层损伤边长大于25mm后,损伤因子剧烈变化,因此采用基于弹性波的结构健康监测方法可以很好地监测C/C TPS内部分层损伤及损伤的扩展情况。 展开更多
关键词 热防护结构(TPS) C/C 弹性波 损伤监测 数值仿真
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C/C热防护结构高温气流损伤导波监测实验方法 被引量:2
13
作者 郑辉 邱雷 +3 位作者 袁慎芳 杨晓飞 卢绪龙 薛兆鹏 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第8期422-434,共13页
热防护结构(TPS)的健康监测对高超声速飞行器的安全服役和高效运维至关重要。导波结构健康监测(SHM)方法具有灵敏度高、通过压电传感器组网可实现大面积区域监测等优点,是一种很有前景的高超声速飞行器结构健康监测方法,但目前国内外针... 热防护结构(TPS)的健康监测对高超声速飞行器的安全服役和高效运维至关重要。导波结构健康监测(SHM)方法具有灵敏度高、通过压电传感器组网可实现大面积区域监测等优点,是一种很有前景的高超声速飞行器结构健康监测方法,但目前国内外针对高超声速飞行器TPS导波监测方法的相关研究很少,其中TPS高温气流损伤实验和监测方面的研究更少。针对该问题,提出了基于导波的高超声速飞行器TPS真实损伤监测实验方法,以碳/碳(C/C)复合材料TPS为具体研究对象,通过大于1800℃的氧-乙炔高温气流烧蚀TPS施加真实损伤,开展了导波在TPS上的传播特性研究,从损伤前后导波信号和特征参数的对比以及损伤程度的表征等方面分析了损伤对导波的影响。结果表明,损伤产生后TPS上导波幅值和波速发生明显变化,通过对导波信号在损伤前后的变化程度进行量化,可以反映出TPS损伤程度,验证了导波监测方法对TPS损伤及其扩展的监测是可行的,为进一步开展高超声速飞行器TPS导波监测理论和方法的研究提供了一种实验方法和依据。 展开更多
关键词 高超声速飞行器 热防护结构 碳/碳 结构健康监测 导波 氧-乙炔烧蚀
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基于逆向有限元法的变形机翼鱼骨的变形重构 被引量:14
14
作者 张科 袁慎芳 +1 位作者 任元强 徐跃胜 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期244-254,共11页
变形监测技术能够为自适应变形机翼的变形控制系统提供参考信息,是保证结构安全性以及优化结构的运行性能的重要手段。传统的基于光学成像的变形测量方法已经不能满足自适应智能结构的实时变形监测的要求。由于变形机翼表面受气动载荷影... 变形监测技术能够为自适应变形机翼的变形控制系统提供参考信息,是保证结构安全性以及优化结构的运行性能的重要手段。传统的基于光学成像的变形测量方法已经不能满足自适应智能结构的实时变形监测的要求。由于变形机翼表面受气动载荷影响,不便于直接在变形机翼蒙皮表面布置应变传感系统,目前还没有针对鱼骨结构这种真实复杂机翼结构的变形重构研究,大多针对机翼翼型的变形重构研究是将整个机翼简化成简单的翼形板、梁结构。针对上述问题,本文首次以真实复杂变形机翼主承力结构——鱼骨为研究对象,提出了一种基于逆向有限元(iFEM)算法与位移分段叠加思想结合的变形监测方法,根据Mindlin板变形理论建立四节点逆向壳单元,采用应变传感系统测得鱼骨结构表面应变分布作为算法输入,然后基于最小二乘变分方程求解结构应变场和位移场之间的传递函数,重构鱼骨结构的变形形状,为反演机翼翼型的变形形状提供方法。针对真实自适应变形机翼的主要承力构件开展了变形实验,实验结果表明,机翼鱼骨在分别偏转5°、10°、15°的情况下,逆向有限元法能准确重构鱼骨变形形状,验证了基于逆向有限元法的变形重构方法在真实自适应变形机翼结构变形重构研究中的有效性和准确性。 展开更多
关键词 结构变形监测 变形重构 逆向有限元算法 自适应智能结构 变形机翼
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Improved Wavelet-based Spatial Filter of Damage Imaging Method on Composite Structures 被引量:7
15
作者 WANG Yu yuan shenfang QIU Lei 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第5期665-672,共8页
Piezoelectric sensor array-based spatial filter technology is a new promising method presented in research area of structural health monitoring (SHM) in the recent years. To apply this method to composite structures... Piezoelectric sensor array-based spatial filter technology is a new promising method presented in research area of structural health monitoring (SHM) in the recent years. To apply this method to composite structures and give the actual position of damage, this paper proposes a spatial filter-based damage imaging method improved by complex Shannon wavelet transform. The basic principle of spatial filter is analyzed first. Then, this paper proposes a method of using complex Shannon wavelet transform to construct analytic signals of time domain signals of PZT sensors array. The analytic signals are synthesized depending on the principle of the spatial filter to give a damage imaging in the form of angle-time. A method of converting the damage imaging to the form of angle-distance is discussed. Finally, an aircraft composite oil tank is adopted to validate the damage imaging method. The validating results show that this method can recognize angle and distance of damage successfully. 展开更多
关键词 structural health monitoring composite structures piezoelectric sensors array spatial filter complex Shannon wavelet transform digital signal processing
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