基于小波EMD的柴油機(jī)聲信號去噪研究

吉　哲，傅忠謙

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230027； 2.海軍蚌埠士官學(xué)校 二系，安徽 蚌埠 233012)

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基于小波EMD的柴油機(jī)聲信號去噪研究

吉哲1,2，傅忠謙1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230027； 2.海軍蚌埠士官學(xué)校 二系，安徽 蚌埠 233012)

柴油機(jī)聲信號包含了豐富的運行狀態(tài)信息，為了能有效地提取特征參數(shù)，需要對柴油機(jī)聲信號進(jìn)行去噪處理。針對傳統(tǒng)小波閾值去噪和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)去噪的不足，提出了一種將小波閾值與EMD相結(jié)合的去噪方法。借助EMD的自適應(yīng)分解特性，在原始信號分解的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)系數(shù)法確定信號主導(dǎo)和噪聲主導(dǎo)本征模函數(shù)(IMF)分量的分界點，將改進(jìn)的小波閾值函數(shù)對噪聲主導(dǎo)的IMF分量進(jìn)行閾值去噪，再進(jìn)行信號重構(gòu)。仿真實驗和實測結(jié)果表明，該方法去噪效果更優(yōu)，適合非線性非平穩(wěn)信號去噪，能夠保留柴油機(jī)聲信號的原貌特征。

小波變換；EMD；閾值函數(shù)；去噪處理

引用格式：吉哲，傅忠謙. 基于小波EMD的柴油機(jī)聲信號去噪研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(17)：72-75,79.

0　引言

柴油機(jī)作為一種重要的動力機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事等各個領(lǐng)域。柴油機(jī)的聲信號包含著豐富的信息，對信號進(jìn)行特征提取可以進(jìn)一步分析設(shè)備的運行狀態(tài)，為故障診斷提供特征參數(shù)。由于柴油機(jī)聲信號在采集過程中不可避免地混入各種噪聲，影響了真實信號的提取，所以必須去除干擾噪聲的影響，實現(xiàn)信號去噪。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，噪聲激勵較多，其聲信號是典型的非平穩(wěn)非線性時變信號，頻率成分十分復(fù)雜[1]，屬于寬頻譜信號。由于無法事先確定柴油機(jī)聲信號的濾波頻率，不易嚴(yán)格按周期采樣，傳統(tǒng)的去噪方法如譜分析、信號濾波、時域分析技術(shù)等難以發(fā)揮作用。小波分析作為新的時頻分析工具，具有良好的自適應(yīng)性，并迅速應(yīng)用到信號去噪中[2]。參考文獻(xiàn)[3]、[4]提出了一種改進(jìn)的小波閾值，彌補(bǔ)了硬閾值存在不連續(xù)性和軟閾值存在恒定偏差的缺點。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的分解方法，避免了小波分解中基函數(shù)和分解層數(shù)選擇困難的問題。參考文獻(xiàn)[5]將EMD應(yīng)用到柴油機(jī)振動信號的去噪處理中，取得了較好的效果。參考文獻(xiàn)[6]將小波閾值與EMD相結(jié)合，對每一個IMF分量設(shè)定一個閾值進(jìn)行門限處理，再將去噪后的IMF分量進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)信號去噪，效果優(yōu)于傳統(tǒng)的小波閾值去噪。本文進(jìn)一步改進(jìn)了小波閾值函數(shù)，并結(jié)合EMD進(jìn)行閾值去噪研究，通過實驗證明了該方法的有效性。

1　小波閾值去噪

信號去噪是小波變換的重要應(yīng)用之一，主要有基于模極大值去噪、小波系數(shù)相關(guān)性去噪、小波閾值去噪、平移不變量去噪等幾種方法。其中DONOHO DL[2]提出的小波閾值去噪是工程中應(yīng)用最廣泛的方法。

閾值函數(shù)的選擇是小波閾值去噪過程中的關(guān)鍵步驟之一，常用的閾值函數(shù)有硬閾值和軟閾值，函數(shù)圖像如圖1所示。在實際工程中，這兩種方法得到了廣泛的應(yīng)用，取得了較好的效果。

硬閾值：

(1)

軟閾值：

(2)

圖1　軟、硬閾值函數(shù)圖像

2　EMD相關(guān)系數(shù)法去噪

在基于小波的去噪過程中，基函數(shù)和分解層數(shù)的選擇主觀性較強(qiáng)，而且小波方法的一個限制是基函數(shù)固定，因此不一定匹配所有真實的信號。一旦選擇了小波基，必須使用它分析整個數(shù)據(jù)。而EMD方法直接來源于信號本身，無需先驗基底，作為自適應(yīng)時頻分析的一種方法，避免了小波分解中小波基和分解層數(shù)的選擇困難，非常適合非平穩(wěn)、非線性信號的分析。EMD方法將原信號分解為若干個本征模函數(shù)(IMF)和一個殘余函數(shù)之和。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解具體處理過程見參考文獻(xiàn)[7]。

(3)

Pearson線性相關(guān)系數(shù)是用來衡量兩個變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)，通過比較各階IMF分量與原信號的相關(guān)系數(shù)可以確定噪聲主導(dǎo)與信號主導(dǎo)IMF分量的分界點kth，這里的相關(guān)系數(shù)定義為：

(4)

其中，cov(x,y)為x和y的協(xié)方差，D(x)為x的方差，D(y)為y的方差。在這里，x代表原始信號，y代表各階IMF分量，得到公式(5)：

(5)

分別計算各個IMF分量與原信號的相關(guān)系數(shù)，得到參數(shù)L：

(6)

通過相關(guān)系數(shù)曲線，找出曲線中第一個局部極小值點，將此點對應(yīng)階數(shù)的下一階作為噪聲主導(dǎo)與信號主導(dǎo)IMF分量的分界點kth，表示為：

(7)

此時，將前kth-1階IMF分量作為主要噪聲濾除，從第kth階IMF分量到殘余分量進(jìn)行信號重構(gòu)，便得到去噪后的信號。

3　小波EMD去噪算法

3.1改進(jìn)小波閾值函數(shù)

(8)

其中,u=1-e-α(|wj,k|-λ)2，且α為正數(shù)。

該閾值具有調(diào)節(jié)因子，且解決了連續(xù)性問題，但小波系數(shù)與估計小波系數(shù)仍存在恒定的偏差。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)計了一種新的改進(jìn)閾值函數(shù)，函數(shù)圖像如圖2所示。

圖2　改進(jìn)閾值函數(shù)圖像

改進(jìn)閾值函數(shù)為：

(9)

(10)

此外，當(dāng)α=0、γ=0時，閾值函數(shù)變?yōu)檐涢撝担划?dāng)α→∞時，閾值函數(shù)變?yōu)橛查撝怠？梢姡撻撝悼筛鶕?jù)實際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整,十分靈活。

3.2算法流程

含噪信號經(jīng)過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后，低階IMF分量中雖然噪聲占主要成分，但是仍然含有有用信號，信號和噪聲的頻帶通常是交互存在的。如果將前幾階的IMF分量強(qiáng)制舍棄，必會造成信號完整性的破壞。因此，本文利用小波閾值函數(shù)對前幾階的IMF分量進(jìn)行閾值處理，算法流程如下：

(1)對原信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，利用相關(guān)系數(shù)法確定噪聲主導(dǎo)與信號主導(dǎo)IMF分量的分界點kth；

(2)將前kth-1階IMF分量利用改進(jìn)的小波閾值函數(shù)進(jìn)行閾值化處理；

(3)把閾值化后的IMF分量和剩余IMF分量及殘余函數(shù)進(jìn)行信號重構(gòu)。

4　仿真實驗分析

在實際工程中，一般很難獲得機(jī)械設(shè)備的純凈信號，為了驗證本文所提出的去噪算法對柴油機(jī)聲信號的去噪能力，分別選取三種諧波仿真信號進(jìn)行去噪實驗。仿真信號解析表達(dá)式為：

y(t)=5×sin(2π×2.5t)+2×sin(2π×5t)+randn(t)

(11)

y(t)=5×sin(2π×2.5t)+2×sin(2π×5t)+0.3×sin(2π×20t)+randn(t)

(12)

y(t)=5×sin(2π×2.5t)+2×sin(2π×5t)+0.3×sin(2π×20t)+0.1×sin(2π×40t)+randn(t)

(13)

仿真信號由調(diào)頻調(diào)幅信號和高斯白噪聲疊加而成，高斯白噪聲信噪比設(shè)為12 dB，調(diào)頻調(diào)幅信號隨著調(diào)制頻率的升高幅值逐漸下降，符合柴油機(jī)聲信號的特點。

式(11)記為仿真信號1，式(12)記為仿真信號2，式(13)記為仿真信號3。以仿真信號1為例，對含噪信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，分解結(jié)果如圖3所示。IMF1～I(xiàn)MF8為第一階至第八階本征模函數(shù)，RES為殘余函數(shù)。

圖3　仿真信號分解結(jié)果

分別計算各階本征模函數(shù)與原信號的相關(guān)系數(shù)，其變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，曲線第一個局部最小值出現(xiàn)在第二階的位置，kth值為3。將前兩階本征模函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)小波閾值處理，閾值設(shè)為分層閾值：

(14)

把閾值化后的IMF分量和剩余IMF分量及殘余函數(shù)進(jìn)行信號重構(gòu)便得到去噪后的信號。為了驗證該去噪算法的性能，利用信噪比(SNR)和均方根誤差(RMSE)對比相關(guān)去噪方法的去噪效果。其中:

(15)

(16)

參數(shù)設(shè)置為：α=8,β=5(小波去噪),β=2(EMD去噪),γ=10，根據(jù)文獻(xiàn)[9]應(yīng)用各種小波基進(jìn)行閾值去噪的評價結(jié)果，確定小波閾值去噪的小波基為sym12，分解層數(shù)為4層。去噪效果對比如表1和表2所示。

從表1和表2中可以看出，本文提出的去噪方法在三種仿真信號去噪實驗中均有較好的表現(xiàn)，信噪比有所提高，同時均方根誤差下降，發(fā)揮了小波閾值去噪和EMD去噪各自的優(yōu)點。

表1　各方法去噪效果對比(SNR)

表2　各方法去噪效果對比(RMSE)

5　實際應(yīng)用

實驗選取6135D型柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速設(shè)為1 300 r/min，采集位置為缸蓋上方50 cm處，以44.1 kHz采樣頻率采集柴油機(jī)空載正常工作時的聲信號數(shù)據(jù)。應(yīng)用本文提出的去噪方法對含有高斯白噪聲的柴油機(jī)聲信號進(jìn)行去噪處理，從圖5中可以看出，該方法能夠較好地去除噪聲，且保持了原信號的細(xì)節(jié)信息。

圖5　柴油機(jī)聲信號去噪前后波形對比圖

由圖6和圖7可以看出,柴油機(jī)原始聲信號頻率分布散亂，充滿整個頻率坐標(biāo)軸。去噪后，0～5 kHz區(qū)間保留了聲信號的原貌特征，8 kHz以上頻段信號頻譜值大幅減少，去除了高頻噪聲，保留了信號的有用頻段。

圖6　柴油機(jī)聲信號去噪前頻譜圖

圖7　柴油機(jī)聲信號去噪后頻譜圖

6　結(jié)論

在傳統(tǒng)小波閾值去噪和EMD去噪的基礎(chǔ)上，提出了一種EMD與小波閾值相結(jié)合的去噪方法，并設(shè)計了改進(jìn)的閾值函數(shù)。新閾值具有調(diào)節(jié)因子，通過改變參數(shù)，可以得到最佳的小波閾值估計。實驗結(jié)果表明，該去噪算法有著更好的去噪效果。應(yīng)用到實際柴油機(jī)聲信號去噪處理中，去噪信號能夠真實反映原信號的特征，為提取特征參數(shù)起到了信號預(yù)處理的作用。

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Study on diesel engine acoustic signal denoising based on wavelet EMD

Ji Zhe1,2，F(xiàn)u Zhongqian1

(1. Department of Electronic Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China; 2. Bengbu Naval Petty Officer School, Bengbu 233012, China)

Diesel engine acoustic signal contains abundant running status information. In order to effectively extract characteristic parameters, need to deal with the noise of diesel engine signals. In view of the shortcomings of traditional wavelet threshold denoising and empirical mode decomposition (EMD) denoising, this paper proposes a denoising method based on wavelet threshold and EMD.Using the EMD decomposition of adaptive characteristics, on the basis of the original signal decomposition, using correlation coefficient method to determine the boundary of signal and noise dominate intrinsic mode function (IMF) component. The improved wavelet threshold function is used to carry out the threshold denoising, to reconstruct the signal.Simulation results and the measured results show that the method has better denoising effect and is suitable for nonlinear nonstationary signal denoising, can preserve the original characteristics of diesel engine acoustic signal.

wavelet transform; empirical mode decomposition; threshold function; denoising processing

TK427

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.022

2016-04-12)

吉哲(1983-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)械信號處理、模式識別。E-mail:jizhe@mail.ustc.edu.cn。

傅忠謙(1959-)，男，副教授，主要研究方向：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、信號處理。