小波變換在壓力容器聲發射信號中的特征提取

摘要:由于壓力容器工作環境的影響，通常壓力容器聲發射故障信號完全被噪聲淹沒。由于FFT很難提取出故障信號的特征，本文根據聲發射信號的特點和小波變換基本原理及特性。應用小波變換與FFT相結合的方法，完全能提取出聲發射故障信號的特征。

關鍵詞:聲發射檢驗 小波變換 信號處理 壓力容器

中圖分類號:TG115.28

0 引言

壓力容器是工業生產過程中不可缺少的一種設備。壓力容器在運行過程中受介質、壓力和溫度等因素影響而會產生腐蝕、沖蝕、腐蝕開裂、疲勞開裂及材料劣化等缺陷，由于它是爆炸危險的特種承壓設備，一旦發生爆炸或泄漏就會引發火災、中毒等事故，給企業和人們帶來嚴重的損失和危害。因此，壓力容器的故障檢測一直是研究的熱點。其中，聲發射檢測是壓力容器的檢測方法的一種。但是，在環境惡劣的條件下，聲發射檢測法仍然受到噪聲的影響。造成誤判，因此使用合理的提取出聲發射信號的特征成了關鍵的問題。對于壓力容器故障信號這種非平穩信號，本文用小波變換與FFT相結合的方法來提取聲發射信號的特征。

1 小波變換原理

小波變換是一種新的時頻分析方法。與其他時頻方法不同之處是小波變換用尺度算子代替頻率移動算子，將時間頻率相平面換為時間尺度相平面，而且時窗函數為變特性窗，在高頻段時窗長度短，低頻段時窗長度長。由于小波變換時窗特性可調這一特點，使其既能對信號中的短時高頻成分進行有效分析，又能對信號中的低頻緩變成分進行精確估計。

小波分解可以看作是分別對信號(S)進行高通濾波和低通濾波的過程。分解過程如圖1所示:將原始信號S經過3層多分辨小波分解。其分解關系為:S=A3+D3十D2+D1，D1頻率最高，A3頻率最低。如果原始信號S的頻帶寬度為[0，f].則分解后各頻率分量分別為:A3:[0，f/8]，D3:[f/8，f/4]，D2:[f/4，f/2]，D1:[f/2，f]。

2 小波基的選擇

由于聲發射信號具有信號的數據量龐大、頻率高、時間短、突發性強、衰減快等特點，應選擇具有以下五點的小波基:

2.1 能夠快速處理大量信號，實現聲發射源特征信號的重構;

2.2 能在不同的頻域范圍內進行分析并最終提取與聲發射源相關的信息;

2.3 與信號具有一定的相關性，對信號的特征提取量高;

2.4 應具有線性相位，對信號進行分解和重構時盡量避免或減少信號的失真;

2.5 具有一定階次消失矩，能聲發射信號的特征，減少噪聲影響 從以上幾方面考慮，工程中滿足離散小波變換與時域具有緊支性等性質的常用小波基有:Daubechies小波基、Symlets小波基和Coiflets小波基是較適合于聲發射信號分析的小波基。本文從Daubechies小波基中選擇較為常用的db5小波基作為小波基對檢測信號進行3級小波分解。

3 聲發射實驗

本實驗是將壓電晶體加速度傳感器固定在煤氣罐的中部，并用6122采集卡采集全過程聲發射信號。

聲發射信號是由頻譜豐富的多組波組成，同時由于傳播途徑及轉換儀器的原因，聲發射信號往往含有噪聲。利用小波變換把聲發射信號分解到不同的頻率通道，就可以在不同的頻帶上分析聲發射信號中的不同頻率成分的特征。

首先在壓力容器沒完全封閉下打壓，采集噪聲信號并分析其特征。噪聲信號如圖(a)中的S，并將噪聲信號S經小波分析后每個分解尺度的時域重構波形，A3是低頻信號，D1，D2，D3為分別為1，2，3層的高頻信號。圖(b)是圖(a)中相應信號的FFT 圖。從兩幅圖中分析可知噪聲是由不同頻率的信號構成。

后在壓力容器完全密封下打壓，壓力逐步增大，速率0.02MP/min，每增加0.1MP保壓30～40 s后，再繼續加壓，直到壓力為1.2MP。采集信號如圖(c)中的S，并將噪聲信號S經小波分析后每個分解尺度的時域重構波形，A3是低頻信號，D1，D2，D3為分別為1，2，3層的高頻信號。圖(d)是圖(c)中相應信號的FFT 圖。從故障信號S的時域波形與相應FFT 波形看，噪聲完全把故障信號淹沒。但經分解重構后的D3波形圖完全能看出故障信號主要集中在625~1250Hz之間，同時從D3的FFT圖中得到故障頻率集中在600~900Hz之間，說明只有壓力到達一定程度后，壓力容器才會有階躍故障信號，該故障信號是突發性類型信號;而其他頻段的時域波形和FFT圖與噪聲信號的時域與FFT圖相比，特征相同，說明這些頻段內的信號都是噪聲。

4 結論

對壓力容器的聲發射檢測，日益成為一個重要的研究課題。本文通過對所采集的噪聲信號與故障信號進行小波變換與FFT對比分析，能夠精確提取出故障信號特征，能直觀地描述出壓力容器故障引發的AE信號的強度、在時頻面上的分布及頻率組成等，從而為判斷故障信號的類型、損傷程度及其發展趨勢提供準確的信息。使AE信號的時間分辨率和頻率分辨率能同時達到最好的效果。

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