孫瓊瓊,趙亞東,王 欣
(1.泰安市特種設備檢驗研究院,山東 泰安 271000; 2.肥城市國家電網,山東 肥城 271600)
隨著經濟的發(fā)展和社會的進步,特種設備數量呈逐年上升趨勢。其中,壓力容器作為工業(yè)系統(tǒng)中不可或缺的基礎設備,被廣泛應用于化工、鋼鐵、電力、煉油等產業(yè),其安全運行及運行效率,直接影響工業(yè)生產的安全性問題[1]。因此需要對壓力容器進行定期檢驗、監(jiān)測,及早發(fā)現潛在的故障,保障安全生產。
壓力容器材料在外力作用下會先發(fā)生形變,當內部應力超過材料屈服極限就會進入不可逆塑性變形階段,材料最終斷裂,同時材料中的局部瞬間釋放能量產生彈性波,這種現象稱為聲發(fā)射[2]。
在用壓力容器進行聲發(fā)射檢測,檢測裝置除了能接收到材料拉伸發(fā)出的聲發(fā)射信號外,還受現場金屬摩擦、機械噪聲、氧化皮脫落等影響,這些噪聲信號嚴重干擾聲發(fā)射信號,甚至影響聲源定位。所以,對聲發(fā)射信號進行去噪處理,能及時發(fā)現設備中的大量缺陷,及時排除安全隱患,降低惡性事故發(fā)生的幾率,實現企業(yè)經濟效益最大化。
壓力容器檢驗現場采集的聲發(fā)射信號是典型的非平穩(wěn)信號,小波變換是處理時變信號的有效方法[3]。假設f(t)∈L2(R),連續(xù)小波變換即是將小波基或母小波ψ(t)進行平移b,在不同尺度a下與信號f(t)作內積運算,即:
(1)
式中,a為尺度因子,b為平移因子。
(2)
假設壓力容器檢驗現場采集到的聲發(fā)射信號為:s(t)=f(t)+δe(t),其中f(t)為純凈的聲發(fā)射信號,e(t)為噪聲信號,s(t)為含噪聲的聲發(fā)射信號[4]。在工程中多應用小波閾值去噪進行消噪處理。其基本步驟如下:
1.選擇最佳的小波基函數和分解層數,并對信號進行小波變換,得到小波變換系數ωj,k;
3.將估計小波系數進行重構,得到去噪后的信號。
自適應濾波器對復雜信號的處理具有獨特的優(yōu)勢,它能自動調整本身參數,在設計時不需要預先知道輸入信號和噪聲的統(tǒng)計特性,能夠在工作過程中逐步估計出所需要的統(tǒng)計特性,并以此為依據自動調整自身參數,以達到最佳濾波效果[5]。自適應數字濾波器的原理框圖如圖1所示,其中,x(n)為輸入信號,d(n)為參考信號。
圖1 自適應濾波器原理框圖
自適應濾波理論研究最重要的一個方面就是自適應算法。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單、計算量小、易于實現且對信號的統(tǒng)計特性具有穩(wěn)健性等優(yōu)點,在信號處理領域得到廣泛應用。
本文采用了一種基于小波分析的自適應濾波器模型,由于LMS算法簡單,計算量小,故基于小波分析的自適應濾波器選用LMS算法來進行迭代。聲源信號作為自適應濾波器的輸入信號x(n),將小波閾值去噪后的重構信號作為自適應濾波器的參考輸入d(n)。
圖2 基于小波分析的自適應濾波模型
在壓力容器檢驗現場采集純凈的聲發(fā)射信號如圖3,并加入10 dB的高斯白噪聲如圖4,結合該信號特點選用Symlets小波作為分析聲發(fā)射信號小波基函數,并進行4層分解,且自適應濾波器選用LMS算法來進行迭代,其去噪效果圖如圖5所示。
圖3 純凈信號
圖4 含噪信號
圖5 去噪信號
本文針對壓力容器檢驗現場的聲發(fā)射信號及噪聲特點,研究了小波閾值去噪、自適應濾波的理論基礎,采用小波-自適應聯(lián)合濾波進行含噪信號去噪處理,并進行實驗仿真,能明顯去除噪聲,可廣泛應用于工程實踐。