解析流體電磁閥在復(fù)雜環(huán)境下的聲發(fā)射信號去噪及信號分析方法

由于受信號采集和處理的限制，早期的聲發(fā)射儀器很少具備對信號進(jìn)行瞬態(tài)波形捕捉和實(shí)時(shí)處理的能力，因此信號分析中用得較多的是參數(shù)分析方法。在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，人們通過多年的實(shí)踐總結(jié)出許多經(jīng)驗(yàn)，濕度傳感器探頭, 不銹鋼電熱管, PT100傳感器, 流體電磁閥,鑄鋁加熱器,加熱圈通過對聲發(fā)射參數(shù)的分析，建立表征和映射關(guān)系。如美國的ASTM和ASME標(biāo)準(zhǔn)，以及我國的國標(biāo) GB/T18182[1]等都是以聲發(fā)射的參數(shù)來進(jìn)行監(jiān)測對象的無損評價(jià)和**性評價(jià)。Prine D. W.等[2]為了用聲發(fā)射評價(jià)焊接過程中缺陷的嚴(yán)重性，對幾種鋼和結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行解剖，并用金相方法測量裂紋的尺寸，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射參數(shù)(總計(jì)數(shù))與裂紋大小之間存在著密切的關(guān)系。在斷裂力學(xué)上，Dunegan H.L.等[3]利用聲發(fā)射總計(jì)數(shù)N來表述金屬材料中的應(yīng)力強(qiáng)度因子K值和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系。Rice[4]和Ravindra .H .V[5]還利用了刀具在切削過程的聲發(fā)射信號的能量分布關(guān)系分別預(yù)測刀具裂紋擴(kuò)展程度、監(jiān)測刀具的工作狀況。復(fù)合材料的聲發(fā)射研究中，Nanjo[6] 和Vaidya[7]均發(fā)現(xiàn)纖維斷裂產(chǎn)生低幅值的聲發(fā)射信號(40-60dB)，而晶間裂紋產(chǎn)生高幅值的聲發(fā)射信號(65-85dB);金周庚[8]在碳 /環(huán)氧復(fù)合材料的聲發(fā)射特征研究中發(fā)現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)、幅度、持續(xù)時(shí)間、恒載聲發(fā)射延續(xù)時(shí)間、費(fèi)利希蒂比是區(qū)別復(fù)合材料構(gòu)件各損傷階段、損傷類型、力學(xué)特性的主要參數(shù)。

　　參數(shù)分析法中為了能找到聲發(fā)射源的特性和內(nèi)在規(guī)律，人們通常使用關(guān)聯(lián)圖分析法，即將幅度、持續(xù)時(shí)間、能量、到達(dá)時(shí)間、均方根電壓值、撞擊數(shù)、撞擊數(shù)率、外接參數(shù)等之間任意兩個(gè)變量做關(guān)聯(lián)分析。從聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)聯(lián)圖中可以找出聲發(fā)射信號的變化規(guī)律，以區(qū)分不同特性的信號。如在壓力容器或管道中，內(nèi)部介質(zhì)的泄漏信號可以認(rèn)為是連續(xù)信號，因而與容器或管道內(nèi)部的缺陷發(fā)出的AE信號相比，其信號的持續(xù)時(shí)間相對較長，通過一些參數(shù)(如通道號)對持續(xù)時(shí)間的關(guān)聯(lián)圖我們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的泄漏。美國MONPAC聲發(fā)射檢驗(yàn)俱樂部以聲發(fā)射信號計(jì)數(shù)與幅度的關(guān)聯(lián)圖的形態(tài)來評價(jià)金屬壓力容器聲發(fā)射檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。關(guān)聯(lián)圖分析法是參數(shù)分析法中*主要和常用的方法，人們也通過多年的實(shí)驗(yàn)總結(jié)了一些非常實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。

　　隨著工程實(shí)踐的需求和聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用研究的深入，研究工作者們在沿用前人定義的聲發(fā)射參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究需要不斷定義新的參數(shù)，使得參數(shù)對聲發(fā)射逆源問題的分析更加深入。Shiwa等提出用波形比率和衰減率評價(jià)薄膜層的破壞。在實(shí)際的應(yīng)用研究中，往往根據(jù)實(shí)際情況選用多個(gè)合適的聲發(fā)射參數(shù)構(gòu)成特征參量，對逆源問題進(jìn)行多角度多層次的分析，以提高分析的能力和精度。當(dāng)然，對參數(shù)方法，還可以運(yùn)用一些現(xiàn)代信號處理手段去發(fā)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)在的規(guī)律和特征的關(guān)聯(lián)性。如沈功田[10] 對金屬壓力容器聲發(fā)射源應(yīng)用常規(guī)參數(shù)如能量、持續(xù)時(shí)間、幅度、計(jì)數(shù)、到峰計(jì)數(shù)和上升時(shí)間，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色關(guān)聯(lián)分析等手段成功區(qū)分裂紋擴(kuò)展、殘余應(yīng)力釋放和機(jī)械磨擦引起的聲發(fā)射信號。在復(fù)合材料和土木工程結(jié)構(gòu)方面Belchamber、Murthy和Chichibu等人應(yīng)用幅度、持續(xù)時(shí)間等常規(guī)參數(shù)進(jìn)行了模式識(shí)別，也能將一些不同的聲發(fā)射信號區(qū)分開來。

　　聲發(fā)射信號波形分析

　　波形分析是指通過分析聲發(fā)射(AE)信號的時(shí)域波形或頻譜特征來獲取信息的一種信號處理方法。理論上講，波形分析應(yīng)當(dāng)能給出任何所需的信息，因而波形也是表達(dá)AE源特征的***的方法，并可獲得信號的定量信息。所以從聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展的初期，人們就意識(shí)到波形分析在識(shí)別聲發(fā)射源及評價(jià)被測對象中的重要作用，并想通過各種方法來獲取聲發(fā)射源產(chǎn)生的原始波形信號，但由于硬件達(dá)不到采集、實(shí)時(shí)處理和存取要求，以及信號處理手段不完善，所以一直制約著聲發(fā)射波形分析技術(shù)的發(fā)展。隨著軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始研制全波形聲發(fā)射檢測儀器，并利用現(xiàn)代信號處理手段進(jìn)行波形的分析與處理，以得到更多的聲發(fā)射源信息。通常實(shí)驗(yàn)室試件和工程構(gòu)件多以板狀結(jié)構(gòu)為主，因此，研究板中聲發(fā)射信號的特點(diǎn)，研究不同機(jī)理的源產(chǎn)生波形的異同(以及相應(yīng)的頻譜和相關(guān)特性的異同)并進(jìn)而尋找識(shí)別方法就顯得更有意義。美國學(xué)者 Gorman等人在復(fù)合材料板的聲發(fā)射波形特征方面做了不少工作，并提出了"模態(tài)聲發(fā)射"的概念，用以區(qū)分過去人們習(xí)慣了的參數(shù)分析方法[14]。如圖3 中所示鋼板上鉛芯折斷所產(chǎn)生擴(kuò)展波(E波)和柔性波(F波)。

　　圖3 模態(tài)聲發(fā)射中E波和F波

　　過去己有不少學(xué)者對波形分析技術(shù)作過相當(dāng)深入的研究。五十年代，Pekeris[15]和Knopoff[16]等研究過半無限空間(厚板)中深埋源引起的"震中"表面位移這一理論問題，其實(shí)質(zhì)是求解在脈沖源作用下半無限空間的Lamb問題。Breckenridge等研究了厚板中階躍載荷產(chǎn)生的表面位移，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果已成為人們后來校驗(yàn)聲發(fā)射傳感器瞬態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)[17]。Hsu和Sachse等利用卷積積分法并使用數(shù)值計(jì)算，求出在階躍聲源作用下板的表面位移，或反過來，通過表面位移求解聲源的形狀從而進(jìn)行聲源識(shí)別[18]。耿榮生[19]利用波形分析方法對飛機(jī)雷達(dá)罩開膠故障進(jìn)行了評價(jià)，通過接收激勵(lì)信號在雷達(dá)罩中的傳播，并對該接收波進(jìn)行處理和分析來獲取有關(guān)粘接質(zhì)量的信息。波形分析也能對聲源準(zhǔn)確定位起到一定的作用，Ziola等[20]通過使用波形分析的方法，對復(fù)合材料板中聲源的定位進(jìn)行了研究，并獲得了比參數(shù)法更高的定位精度?？傊辛寺暟l(fā)射波形，研究者們開始著手對這些波形信號進(jìn)行分析，針對聲發(fā)射信號的特征，人們通常采用以下分析處理方法。

　　經(jīng)典譜和現(xiàn)代譜分析

　　頻譜分析方法可以分為經(jīng)典譜分析和現(xiàn)代譜分析兩大類，它們都是聲發(fā)射信號處理中*常用的分析方法。經(jīng)典譜分析法以傅立葉變換為基礎(chǔ)，簡單、方便，但是其分辨率不高，且譜估計(jì)誤差較大?，F(xiàn)代譜分析法以合適的參數(shù)模型來擬合信號或用數(shù)學(xué)上正交處理方法分離信號，提高了譜的分辨率和譜估計(jì)的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性。兩種譜分析方法都是通過把聲發(fā)射信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，在頻域中研究聲發(fā)射信號的各種特征，找到識(shí)別聲發(fā)射源本征信息。因?yàn)閺睦碚撋现v，不同的聲發(fā)射源發(fā)出的信號都含有反應(yīng)其本質(zhì)特征的信息。譜分析就是要對時(shí)域信號不能發(fā)現(xiàn)的信息，以期在頻域中得到反應(yīng)映。

　　近年來，人們在頻譜分析方面做了大量的探索，并取得了許多非常有意義的成果。由于聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的范圍非常廣泛，這些研究工作也遍布各個(gè)領(lǐng)域。 Cawthorne, M.等[21]利用波形的頻譜特征監(jiān)測直升機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)部件的疲勞，取得了良好的效果。楊占才等[22]通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-缸套磨損過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射信號功率譜特征變化反映了活塞-缸套間隙的不同，從而利用頻譜指標(biāo)來判斷發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-缸套的磨損程度。在過去的幾年里，運(yùn)用譜分析的方法對復(fù)合材料的損傷模式進(jìn)行識(shí)別的研究非常多，如De Groot[23]在對環(huán)氧復(fù)合材料四類損傷模式的聲發(fā)射信號的特征研究中發(fā)現(xiàn)：不同損傷模式產(chǎn)生聲發(fā)射信號的頻譜分量各不相同，每一類損傷模式對應(yīng)一個(gè)特征頻率分布范圍;在金屬材料的焊接缺陷研究方面，Bentley和Beesleyl[24]應(yīng)用寬頻帶探頭和譜分析技術(shù)分析了鋼焊縫內(nèi)缺陷的聲發(fā)射信號，他們發(fā)現(xiàn)能夠識(shí)別裂紋和夾渣類缺陷的*重要特征是頻率分量。劉時(shí)風(fēng)[25]建立了功率譜與典型焊接缺陷聲發(fā)射源的對應(yīng)關(guān)系。 R.Hou[26]等用聲發(fā)射監(jiān)測管道內(nèi)漿體顆粒的含量和流量，通過統(tǒng)計(jì)規(guī)律和聲發(fā)射信號頻譜分析，建立了管內(nèi)介質(zhì)的固體含量、流量和譜分量的量化模型，從而達(dá)到了工藝參數(shù)控制的目的。

　　以上前人的大量工作說明聲發(fā)射信號的頻譜能反映聲發(fā)射源的特征，并且相似的聲發(fā)射源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有相似的頻譜分布特征;不同聲發(fā)射源的聲發(fā)射信號的特征可以通過頻譜分布信息得以體現(xiàn)。因此，頻譜分析能夠揭示聲發(fā)射源信號的特征和它的動(dòng)態(tài)特性。但信號的頻譜分析要求被分析的信號是周期性的平穩(wěn)信號，并且譜分析是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。從圖1中可以看出聲發(fā)射信號是一種隨時(shí)間變化的非平穩(wěn)隨機(jī)信號，某個(gè)時(shí)段細(xì)節(jié)特征對聲發(fā)射信號的分析特別重要，因此用頻譜分析不是分析聲發(fā)射信號特征的有效方法，分辨率不高且譜估計(jì)的誤差較大。我們應(yīng)該尋找一種更符合聲發(fā)射信號特征的處理方法。

　　小波分析

　　信號分析和處理方法的研究是聲發(fā)射源識(shí)別和評價(jià)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一，也是聲發(fā)射技術(shù)的主要發(fā)展方向。不論是突發(fā)的還是連續(xù)的聲發(fā)射信號都具有瞬態(tài)性和隨機(jī)性，屬于非平穩(wěn)的隨機(jī)信號，并且是由一系列頻率和模式豐富的信號組成。對于這種類型的信號分析和處理應(yīng)能同時(shí)提供時(shí)域和頻率域的分析，即聲發(fā)射信號處理方法應(yīng)具有時(shí)頻分析能力。

　　小波理論從一開始就是數(shù)學(xué)家和工程師們共同創(chuàng)造的，從小波分析產(chǎn)生的開始就與實(shí)際工程問題緊密聯(lián)系在一起，因而它不僅有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，而且也解決許多工程實(shí)際的問題。目前小波分析主要在分形、圖像處理、信噪分離、語音信號處理、信號特征提取和故障診斷等方面得到廣泛的應(yīng)用。在聲發(fā)射信號處理方面主要是利用小波分析的信噪分離和良好的時(shí)頻局部化特性，以提取聲發(fā)射信號的特征找出其內(nèi)在規(guī)律，達(dá)到識(shí)別聲發(fā)射源，了解其傳播特性的目的。還有一個(gè)有趣的用途就是，分離出我們感興趣的某些頻率的信號，用這些相對穩(wěn)定的信號(無頻散，即波速一定)到達(dá)不同傳感器的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源的**定位。Wang. Q把小波變換與相關(guān)分析結(jié)合起來對轉(zhuǎn)子的摩擦聲發(fā)射信號進(jìn)行定位研究，得到了比聲發(fā)射信號直接做相關(guān)定位精度高的結(jié)論[27]。

　　小波分析給聲發(fā)射信號處理技術(shù)帶來了新的生機(jī)，大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了小波分析在聲發(fā)射信號處理研究中取得了其它信號處理方法所不能獲取的研究成果，這說明小波分析是目前分析聲發(fā)射信號的*佳方法。同時(shí)由于聲發(fā)射檢測技術(shù)是一門實(shí)用性技術(shù)，所以把小波分析應(yīng)用到聲發(fā)射檢測工程中，解決工程中的實(shí)際問題是聲發(fā)射信號小波分析的研究目的和發(fā)展方向[28]。但是同時(shí)看到，任何一種方法都不是萬能的，都有它的適用范圍。要真正地達(dá)到對聲發(fā)射源進(jìn)行**的定性、定量和定位，還必須充分地根據(jù)聲發(fā)射信號的特點(diǎn)，結(jié)合各種信號處理手段優(yōu)點(diǎn)，通過大量的工程檢驗(yàn)，找出*合理的分析方法。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

　　八十年代以來，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)、專家系統(tǒng)(ES)為標(biāo)志的人工智能技術(shù)的應(yīng)用已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并在信號處理、模式識(shí)別、非線性優(yōu)化、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、傳感技術(shù)等方面取得了許多令人鼓舞的進(jìn)展。這主要得益于它們在解決高度非線性和嚴(yán)重不確定系統(tǒng)推理方面的巨大潛力，為許多難以建立**數(shù)學(xué)模型的過程(如聲發(fā)射信號的傳播過程)及對象識(shí)別帶來新的希望。對聲發(fā)射信號分析處理的*終目的是實(shí)現(xiàn)對聲發(fā)射源的識(shí)別，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別的主要方法，因此也成為聲發(fā)射信號處理研究的主要內(nèi)容之一[60]。

　　聲發(fā)射信號中包含有聲發(fā)射源的模式特征信息，但是由于傳播過程、介質(zhì)特性、儀器響應(yīng)的影響，從聲發(fā)射源到聲發(fā)射信號之間的映射是非線性的，很難進(jìn)行這些不確定過程的**建模，而這正是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長處，所以用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對聲發(fā)射源進(jìn)行識(shí)別是一條頗具潛力的途徑。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于聲發(fā)射檢測技術(shù)*早是由 Rangwala在1987年完成，他介紹了一種運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和聲發(fā)射技術(shù)對刀具工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的方法;Grabec和Sachse應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對聲發(fā)射信號進(jìn)行處理，并在其后的研究中，不斷運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對聲發(fā)射信號進(jìn)行處理[29]。Barga等人應(yīng)用誤差反傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模擬飛機(jī)框架試樣的聲發(fā)射波形信號進(jìn)行模式識(shí)別，其結(jié)果可以對裂紋擴(kuò)展和摩擦信號加以識(shí)別[30]。Yang和Dumont[31]設(shè)計(jì)了一個(gè)多層復(fù)合的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對聲發(fā)射信號進(jìn)行自動(dòng)分類。Eric等人利用聲發(fā)射信號幅度參數(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來預(yù)測鋁合金的焊接強(qiáng)度，取得了很好的效果。約翰霍普金斯大學(xué)的James 運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定位實(shí)驗(yàn)[32]。

　　目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聲發(fā)射技術(shù)中的應(yīng)用，都是針對某一具體的對象，缺乏一種帶有普遍指導(dǎo)意義的方法，而且在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)上缺乏對聲發(fā)射信號的針對性，所以還需要做更深入的研究和總結(jié)工作。

　　聲發(fā)射信號的相關(guān)分析

　　在信號處理中經(jīng)常要研究兩個(gè)信號的相似性，或一個(gè)信號經(jīng)過一段延遲后自身的相似性，以實(shí)現(xiàn)信號的檢測、識(shí)別與提取等。如同頻域里的譜分析一樣，時(shí)域里的相關(guān)分析幾乎在信號處理的所有領(lǐng)域里都有應(yīng)用，例如圖象處理、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測、通信及控制工程、醫(yī)療和生物工程等。聲發(fā)射信號分析中，也常常用到相關(guān)分析技術(shù)。例如，可以通過聲發(fā)射源的時(shí)域信號或頻域信號進(jìn)行聲源的相似性分析，從而達(dá)到聲發(fā)射源模式識(shí)別的目的[33]。

　　相關(guān)分析在聲發(fā)射信號處理中，還有一個(gè)重要應(yīng)用是在連續(xù)聲發(fā)射信號的分析中。常用的測量兩個(gè)突發(fā)型聲發(fā)射波之間時(shí)差的技術(shù)不適用于連續(xù)型聲發(fā)射源,而互相關(guān)技術(shù)既適用于斷續(xù)波之間的時(shí)差或時(shí)間延遲測量,也適用于連續(xù)波之間的時(shí)差或時(shí)間延遲測量 ,這一技術(shù)已被成功地應(yīng)用于管道聲發(fā)射檢測的泄漏源定位。