壓力容器聲發(fā)射檢驗(yàn)中信號(hào)去噪研究

孫瓊瓊，趙亞東，王 欣

(1.泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000； 2.肥城市國家電網(wǎng)，山東 肥城 271600)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，特種設(shè)備數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)。其中，壓力容器作為工業(yè)系統(tǒng)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于化工、鋼鐵、電力、煉油等產(chǎn)業(yè)，其安全運(yùn)行及運(yùn)行效率，直接影響工業(yè)生產(chǎn)的安全性問題[1]。因此需要對(duì)壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，保障安全生產(chǎn)。

壓力容器材料在外力作用下會(huì)先發(fā)生形變，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過材料屈服極限就會(huì)進(jìn)入不可逆塑性變形階段，材料最終斷裂，同時(shí)材料中的局部瞬間釋放能量產(chǎn)生彈性波，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射[2]。

在用壓力容器進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，檢測(cè)裝置除了能接收到材料拉伸發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)外，還受現(xiàn)場(chǎng)金屬摩擦、機(jī)械噪聲、氧化皮脫落等影響，這些噪聲信號(hào)嚴(yán)重干擾聲發(fā)射信號(hào)，甚至影響聲源定位。所以，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行去噪處理，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備中的大量缺陷，及時(shí)排除安全隱患，降低惡性事故發(fā)生的幾率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 小波閾值去噪

1.1 小波變換

壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集的聲發(fā)射信號(hào)是典型的非平穩(wěn)信號(hào)，小波變換是處理時(shí)變信號(hào)的有效方法[3]。假設(shè)f(t)∈L2(R)，連續(xù)小波變換即是將小波基或母小波ψ(t)進(jìn)行平移b，在不同尺度a下與信號(hào)f(t)作內(nèi)積運(yùn)算，即：

(1)

式中，a為尺度因子，b為平移因子。

(2)

1.2 小波閾值去噪

假設(shè)壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的聲發(fā)射信號(hào)為:s(t)=f(t)+δe(t)，其中f(t)為純凈的聲發(fā)射信號(hào)，e(t)為噪聲信號(hào)，s(t)為含噪聲的聲發(fā)射信號(hào)[4]。在工程中多應(yīng)用小波閾值去噪進(jìn)行消噪處理。其基本步驟如下：

1.選擇最佳的小波基函數(shù)和分解層數(shù)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到小波變換系數(shù)ωj,k；

3.將估計(jì)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到去噪后的信號(hào)。

2 自適應(yīng)濾波器

自適應(yīng)濾波器對(duì)復(fù)雜信號(hào)的處理具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它能自動(dòng)調(diào)整本身參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)不需要預(yù)先知道輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，能夠在工作過程中逐步估計(jì)出所需要的統(tǒng)計(jì)特性，并以此為依據(jù)自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)，以達(dá)到最佳濾波效果[5]。自適應(yīng)數(shù)字濾波器的原理框圖如圖1所示，其中，x(n)為輸入信號(hào)，d(n)為參考信號(hào)。

圖1 自適應(yīng)濾波器原理框圖

自適應(yīng)濾波理論研究最重要的一個(gè)方面就是自適應(yīng)算法。最基本的兩種算法是最小均方誤差(LMS)算法和遞推最小二乘(RLS)算法。LMS算法因其具有方法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)且對(duì)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性具有穩(wěn)健性等優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 基于小波分析的自適應(yīng)濾波器

本文采用了一種基于小波分析的自適應(yīng)濾波器模型，由于LMS算法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，故基于小波分析的自適應(yīng)濾波器選用LMS算法來進(jìn)行迭代。聲源信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)x(n)，將小波閾值去噪后的重構(gòu)信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的參考輸入d(n)。

圖2 基于小波分析的自適應(yīng)濾波模型

4 實(shí)驗(yàn)仿真

在壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集純凈的聲發(fā)射信號(hào)如圖3，并加入10 dB的高斯白噪聲如圖4，結(jié)合該信號(hào)特點(diǎn)選用Symlets小波作為分析聲發(fā)射信號(hào)小波基函數(shù)，并進(jìn)行4層分解，且自適應(yīng)濾波器選用LMS算法來進(jìn)行迭代，其去噪效果圖如圖5所示。

圖3 純凈信號(hào)

圖4 含噪信號(hào)

圖5 去噪信號(hào)

5 結(jié) 語

本文針對(duì)壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的聲發(fā)射信號(hào)及噪聲特點(diǎn)，研究了小波閾值去噪、自適應(yīng)濾波的理論基礎(chǔ)，采用小波-自適應(yīng)聯(lián)合濾波進(jìn)行含噪信號(hào)去噪處理，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，能明顯去除噪聲，可廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。