基于相關(guān)分析法的聲發(fā)射信號(hào)降噪技術(shù)

摘 要：闡述了相關(guān)分析法在剔除聲發(fā)射信號(hào)中環(huán)境噪聲的基本原理。通過(guò)LF3鋁合金的腐蝕實(shí)驗(yàn)，將未處理的聲發(fā)射信號(hào)與環(huán)境中的噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，并以它們相關(guān)系數(shù)的大小作為判斷該信號(hào)是否為環(huán)境噪聲信號(hào)的依據(jù)。結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確地剔除信號(hào)中的環(huán)境噪聲信號(hào)。
關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；腐蝕；相關(guān)分析；降噪；環(huán)境噪聲
0 引言
聲發(fā)射(Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE)是指材料或結(jié)構(gòu)受內(nèi)力或外力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放出應(yīng)變能的一種物理現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是通過(guò)分析聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)而提取聲發(fā)射信號(hào)特征信息來(lái)推斷聲發(fā)射源特性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)前限制這一技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是采集到的信號(hào)中含有大量的噪聲信號(hào)，以致可能淹沒(méi)真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。同時(shí)由于聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中受傳播介質(zhì)和傳感器的影響，使得采集到的信號(hào)與真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)有很大的差別。如何準(zhǔn)確地從采集到的信號(hào)中剔除噪聲信號(hào)，提取出真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)是聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。
1 相關(guān)分析法的降噪原理
在聲發(fā)射噪聲信號(hào)中大部分是環(huán)境中的噪聲信號(hào)，它們隨環(huán)境的變化而變化且其特征信息十分豐富。在傳統(tǒng)的聲發(fā)射信號(hào)預(yù)處理中常采用參數(shù)分析法，尤其在不確定聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的情況下，噪聲信號(hào)的復(fù)雜性使得聲發(fā)射的預(yù)處理變得十分困難。由于波形分析法比參數(shù)分析法具有更多的信息，本文利用波形的相關(guān)分析法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。
基于這樣一種設(shè)想，用一傳感器檢測(cè)金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)另一傳感器置于同樣的環(huán)境中用來(lái)檢測(cè)環(huán)境噪聲而不檢測(cè)金屬腐蝕時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。由于金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)通常較弱，在工程中可以采取一定的措施使上述設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。而后將采集到的金屬腐蝕聲發(fā)射信號(hào)與采集到的環(huán)境噪聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)分析。通過(guò)相關(guān)分析，根據(jù)它們的相關(guān)系數(shù)作為判斷信號(hào)是否為環(huán)境噪聲信號(hào)的依據(jù)。在實(shí)際中常用相關(guān)函數(shù)作為兩個(gè)信號(hào)相關(guān)性的檢測(cè)，相關(guān)函數(shù)的定義如下：
信號(hào)x(n)和y(n)的互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)的定義為：
（1）
的值隨信號(hào)x(n)和y(n)相關(guān)性的增強(qiáng)而增大，當(dāng)信號(hào)x(n)和y(n)為同一信號(hào)時(shí)， 的值達(dá)到最大值。實(shí)際工作中，信號(hào)x(n)、y(n)總是有限長(zhǎng)，并且是數(shù)字信號(hào)，對(duì)于這樣的信號(hào)，互相關(guān)公式為：
（2）
自相關(guān)公式即是將公式（1）和（2）中的y(n)替換為x(n)。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，為了讓兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)性更為直觀，更有可比性，又引入了相關(guān)系數(shù)的概念。其定義為：
（3）
由許瓦茲(Schwartz)不等式有 ，由公式 (3)可知，當(dāng)x(n)=y(n)時(shí)， =1，兩信號(hào)完全相關(guān)(相等)，這時(shí) 取得最大值；當(dāng)x(n)和y(n)完全無(wú)關(guān)時(shí)， =0， =0；當(dāng)x(n)和y(n)有某種程度相似時(shí)， ，| |在0和1之間取值。因此 和 可用來(lái)描述x(n)和y(n)間的相似程度。
2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
本實(shí)驗(yàn)選用硝酸溶液作為腐蝕介質(zhì)，選用LF3鋁合金作為受腐蝕材料。本實(shí)驗(yàn)所用聲發(fā)射儀是德國(guó)VALLEN公司生產(chǎn)的16通道AMSY-5型聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠同時(shí)采集AE信號(hào)特征參數(shù)和波形(Transient Recording-TR)數(shù)據(jù)，可檢測(cè)到的頻率范圍從5kHz到3MHz。所用傳感器為VS150-RIC型傳感器，其頻率范圍為80～550kHz， 中心頻率為150kHz。實(shí)驗(yàn)時(shí)將AMSY-5型聲發(fā)射儀的各通道的門(mén)檻值設(shè)為28.8dB。
2.2 實(shí)驗(yàn)方案
圖1為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。硝酸溶液置于玻璃鏡筒內(nèi)，與試樣表面接觸發(fā)生腐蝕。鏡筒尺寸(mm)為φ40×100。鏡筒與試樣之間用凡士林密封，鏡筒內(nèi)加入硝酸溶液后，上面用玻璃片加凡士林密封，防止硝酸揮發(fā)。傳感器耦合劑為凡士林，用彈性帶固定并對(duì)傳感器施加一定壓力，保證耦合良好。
試樣表面在被鏡筒限定的區(qū)域內(nèi)發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力波被傳感器接收并通過(guò)電纜傳送至聲發(fā)射儀進(jìn)行信號(hào)的濾波、特征提取、波形記錄等處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線送入PC機(jī)存儲(chǔ)，再進(jìn)行進(jìn)一步的處理、分析和結(jié)果顯示。
安放傳感器之前將試樣表面安放傳感器的部位打磨光滑，鏡筒外部的試樣表面均勻涂上一薄層凡士林，以防止試樣裸露部分在空氣中發(fā)生腐蝕，并降低彈性帶與試樣的摩擦噪聲。為了避免各試樣的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)被其他傳感器所接受和降低機(jī)械噪聲的影響，將四個(gè)腐蝕試樣置于鋪有毛氈的木質(zhì)工作臺(tái)上并保持約15cm距離。實(shí)驗(yàn)時(shí)在玻璃鏡筒1、2、3內(nèi)分別均加入1.4%的硝酸溶液，試樣4上的傳感器用來(lái)采集外界環(huán)境中的噪聲信號(hào)。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果
表1為這段時(shí)間各通道采集到的信號(hào)數(shù)。
由表1可以看出通道一、二、三采集到信號(hào)數(shù)大致一樣，而用來(lái)采集環(huán)境噪聲的通道四所記錄的信號(hào)數(shù)明顯小于其他三個(gè)傳感器的信號(hào)數(shù)。因而可以認(rèn)為通道四只采集到了環(huán)境中的噪聲信號(hào)且各試樣的聲發(fā)射信號(hào)均只被該試樣上的傳感器所接受。由于四個(gè)傳感器處于同一環(huán)境，因而它們對(duì)環(huán)境中的噪聲同等敏感，試樣四上的傳感器采集到的環(huán)境中噪聲信號(hào)同樣被其他三個(gè)傳感器采集。同一噪聲源的噪聲被四個(gè)傳感器采集時(shí)，它們的波形應(yīng)大致一致。圖2中a、b、c、d分別為傳感器一、二、三、四幾乎在同一時(shí)間采集到的噪聲信號(hào)，其開(kāi)始采集的時(shí)間差最長(zhǎng)為0.0522 ，最短為0.0009 。從它們的波形圖可以看出，它們的波形十分相似。因而可以利用通道1、2、3采集到的信號(hào)與通道4采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，根據(jù)它們的相關(guān)系數(shù)作為判別通道1、2、3采集到的信號(hào)是否是環(huán)境中的噪聲信號(hào)的依據(jù)。圖3中e、f、g、h是從采集到的信號(hào)中隨機(jī)挑選出的四個(gè)信號(hào)，用于與圖2中的波形進(jìn)行比較。
表1 各通道采集的信號(hào)數(shù)
通道一 通道二 通道三 通道四 總計(jì)
信號(hào)數(shù) 155 120 165 24 464

a b c d
圖2 同一噪聲源的波形

e f g h
圖3 不同聲源的波形
從圖2可以看出盡管四個(gè)波形十分的相近，但是各個(gè)波形采集的時(shí)間不一樣。這是因?yàn)樵肼曉趥鞑ネ緩街杏捎谠肼曉吹竭_(dá)四個(gè)傳感器的路徑不同而引起能量的衰減不同，也就是波形的同一點(diǎn)到達(dá)傳感器的幅值不一樣，而該聲發(fā)射儀各通道的門(mén)檻值均為28.8dB， 從而引起了波形在時(shí)間上的平移。因此在進(jìn)行信號(hào)的互相關(guān)分析時(shí)只選取其最相似的波形段進(jìn)行分析。
表2為圖2和圖3中的7個(gè)波形中截取的部分波形與中與圖2中的圖d截取的部分波形相關(guān)系數(shù)的最大值。其截取波形數(shù)據(jù)最長(zhǎng)為1448個(gè)數(shù)據(jù)，最短為1248個(gè)數(shù)據(jù)。波形原長(zhǎng)為2048個(gè)數(shù)據(jù)。
圖4為圖a、b、c、e、f、g、h的波形與圖d中的波形的相關(guān)系數(shù)隨其截取波形數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度變化而變化的情況。由圖4可以看出來(lái)自于同一噪聲源的信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析時(shí)，在選取合適的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)它們的互相關(guān)系數(shù)保持在0.7左右，而來(lái)自不同噪聲源的信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)維持在0.25左右，二者有明顯的分界線。因此利用這種辦法可以較客觀地在采集到的信號(hào)中剔除來(lái)自外界環(huán)境的噪聲信號(hào)。利用同樣的辦法，將傳感器四采集的剩余的23個(gè)環(huán)境噪聲信號(hào)與其它三個(gè)通道采集的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析。同一噪聲源的信號(hào)被四個(gè)通道幾乎同時(shí)采集，為減少計(jì)算量我們只對(duì)與通道四采集的24個(gè)信號(hào)的采集時(shí)間相差不超過(guò)0.5 的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析。通過(guò)計(jì)算，通道一、二、三采集的信號(hào)中均有24個(gè)信號(hào)與通道四采集到的環(huán)境噪聲信號(hào)的相關(guān)系數(shù)在0.6以上。其結(jié)果見(jiàn)表3。
表2 圖d與其它圖的波形相關(guān)系數(shù)
相關(guān)系數(shù)
圖a 圖b 圖c 圖e 圖f 圖g 圖h
圖d 0.7682 0.6428 0.6885 0.2432 0.2002 0.3028 0.3154
表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
信號(hào)數(shù)（個(gè)） 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-0.95
通道一 4 10 8 2
通道二 4 9 10 1
通道三 3 12 8 1
4結(jié)論
在金屬腐蝕過(guò)程中由于聲發(fā)射信號(hào)較弱，通過(guò)合適的數(shù)據(jù)截短，將截短后的信號(hào)與采集到的環(huán)境中的噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，以它們的相關(guān)系數(shù)為依據(jù)能快速、準(zhǔn)確地剔除信號(hào)中夾雜的環(huán)境噪聲信號(hào)。尤其是在外界環(huán)境噪聲信號(hào)較強(qiáng)且復(fù)雜的情況下，該方法與參數(shù)分析法相比更具優(yōu)越性，避免了對(duì)聲發(fā)射信號(hào)和噪聲信號(hào)特征參數(shù)的大量提取和統(tǒng)計(jì)。