李志星，王春鵬，鮑慧茹

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

1 引言

近年來隨著城市的聚集化和現(xiàn)代工業(yè)的進一步發(fā)展，對管道運輸?shù)囊蠛捅戎厝找嬖龃?，但由于管道年久失修，工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致的腐蝕，裂縫等，容易使管道出現(xiàn)泄露。這些問題的出現(xiàn)輕則將會導(dǎo)致巨大財產(chǎn)損失，嚴(yán)重者甚至?xí)斐芍卮笕藛T傷亡［1］。尤其是在人口、建筑密集，管道錯綜復(fù)雜的城市背景下，管道的泄漏可能升級為火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事件。因腐蝕等原因?qū)е碌墓艿佬孤亩l(fā)事故的例子很多，如臺灣高雄一條天然氣管道的腐蝕引發(fā)了一系列爆炸，造成32人死亡，321人受傷等等。所以對于管道泄漏源的及時發(fā)現(xiàn)及定位就顯得尤為重要。

管道泄漏主要位于閥門處和傳送管道管壁上，對于閥門處的泄露有不少學(xué)者已經(jīng)做了深入研究［2］。針對管道泄漏也已經(jīng)有了許多檢測方法，如空氣采樣法，人工觀察法，此類方法成本較高且效率緩慢。文獻［3］使用示蹤劑檢測法，該方法將示蹤劑混到輸送管道中，通過觀察示蹤劑判斷管道是否泄露，定位泄露源，但該方法時間周期長且成本較高。文獻［4］使用光纖傳感器檢測管道泄漏，管道泄漏時的沖擊會引起光纖發(fā)生變形，從而引發(fā)光纖的改變，使光纖發(fā)生散射或反射，信號產(chǎn)生突變，從而判斷是否泄露。但光纖傳感器是鋪設(shè)在管道外側(cè)，成本高且易受環(huán)境變化的影響。此外還有文獻［5］基于光譜技術(shù)及自然目標(biāo)散射的激光氣體檢測技術(shù)，此方法雖適用于長管線輸送的泄露源定位，但成本較高。也有質(zhì)量守恒法［6］，進口質(zhì)量等于出口質(zhì)量，若不等則證明有泄露，此方法雖操作簡單，但對于微小泄露誤差較大，精度不高。而聲發(fā)射技術(shù)（AE）是近年來新興的一種無損檢測技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)由其定位準(zhǔn)確度高，敏感度好，響應(yīng)時間較快，且費用較低的優(yōu)點，應(yīng)用比較廣泛。聲發(fā)射信號是指由于材料或構(gòu)件在受力過程中產(chǎn)生變形或裂紋，以彈力波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象。這些彈性波會攜帶著材料損傷部位的信息，通過收集并分析這些信息我們可以得到材料損傷的特征。油液或氣體的泄漏與管道的劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生聲發(fā)射信號。但由于管道多為中低壓管道［7］，所以細(xì)小裂縫的泄露問題往往由于硬件檢測難度大，不易識別與分析，且泄露信號在傳輸過程中受到噪音的影響，使信號的采集與處理難度增大，所以對信號加強與過濾就尤為重要。

聲發(fā)射中對信號的處理方式有很多，文獻［8］采用的最小熵解卷積（MED）就是基于峭度提出的一種旨在抵消傳輸路徑噪音影響的方法。但同時，MED 也存在模態(tài)混疊與端點效應(yīng)等問題。文獻［9］在此基礎(chǔ)上提出了最大相關(guān)峭度解卷積算法（MCKD），解決了MED方法只對單脈沖信號具有凸顯作用的特點，可以實現(xiàn)對周期性信號脈沖進行提取的目的。文獻［10］將MCKD應(yīng)用在齒輪故障方面，用來提取淹沒在噪聲信號中的齒輪故障信號，來達到降噪的目的。文獻［11］采用MCKD方法對齒輪故障信號進行凸顯降噪后進一步采用EEMD方法對信號進行局部信號特征提取。MCKD方法中周期T和濾波器長度L的參數(shù)選擇對MCKD方法降噪效果的影響十分關(guān)鍵。文獻［12］基于網(wǎng)格搜索法選取最優(yōu)參數(shù)，但其選取的最優(yōu)參數(shù)存在一定偏差，且只針對一定范圍信號，并且需要自己設(shè)計合理的采樣頻率。MCKD方法應(yīng)用于齒輪故障診斷已經(jīng)較成熟，對于管道泄漏方向，MCKD方法還沒得到很好的應(yīng)用。而MCKD處理的信號雖然對其傳輸路徑的噪音及沖擊信號的凸顯有很好的效果，但對局部特征的展現(xiàn)效果不好，所以我們使用小波變換［13］進一步分析去噪，其中小波基的選擇對小波變換效果至關(guān)重要。

綜上，先利用局部信噪比的方法來選取MCKD 參數(shù)，并將MCKD方法應(yīng)用到管道泄漏上對采集到的信號進行前期的過濾與加強，消除傳輸路徑對信號的影響。然后選擇小波基對加強之后的信號進行進一步降噪處理，對比幾種小波基處理之后的信噪比，選出最優(yōu)小波基。

2 MCKD的原理與參數(shù)選擇

2.1 MCKD方法原理

MCKD 是從MED 方法不斷改進來的，MCKD 能充分考慮沖擊成分的連續(xù)性和周期性。其最早應(yīng)用在齒輪軸承的故障檢測上，目的是減少傳輸路徑的對信號的影響，提高信號強度。MCKD是以相關(guān)峭度為標(biāo)準(zhǔn)，通過解卷積算法來凸顯信號中被噪聲掩蓋的有用的沖擊成分，從而更直觀的展現(xiàn)出沖擊部位的信號。

周期信號的相關(guān)峭度可以表示為：

式中：M—移位數(shù)；T—沖擊信號的周期；n—信號的采樣頻率。

對于輸入為xn輸出為yn的信號。移位數(shù)M的增加會使周期性脈沖數(shù)量增加，從而提高信號檢測能力。但過大的M將會導(dǎo)致檢測精度的丟失。根據(jù)經(jīng)驗M的取值為：（1～7）。

MCKD以相關(guān)峭度最大為目標(biāo)函數(shù)，即濾波器的選取需滿足相關(guān)峭度最大，表達式為：

為了得到使CKM(T)取得最大值的最優(yōu)小波濾波器求解方程，令：

求解上式得：

則MCKD的迭代求解過程如下：

（1）選擇最優(yōu)參數(shù)，確定濾波器長度L，移位數(shù)M，沖擊信號周期T。

（2）計算原信號X(n)的XnXnT和XmT。

（3）求得降噪后輸出信號y(n)。

（4）根據(jù)y(n)計算αm與β。

（5）更新濾波器系數(shù)f。

如果經(jīng)過濾波前后的信號ΔCKm(T)＜ε，則停止迭代，反之，則跳回（3），ε是控制迭代次數(shù)的較小正數(shù)。

2.2 MCKD的參數(shù)選取

MKCD濾波方法受輸入?yún)?shù)的影響較大，包括移位數(shù)M，濾波器長度L，沖擊信號周期T等。要想達到最優(yōu)的濾波效果就要選取合適的參數(shù)進行降噪。

參數(shù)M的選?。篗一般可在（1～7）內(nèi)取任意值，由于數(shù)據(jù)范圍小，所以采用枚舉法對M的取值進行選擇，將M設(shè)定為1。

參數(shù)T的選取：參數(shù)T是影響MCKD方法的降噪效果的重要參數(shù)，輸入不同的周期參數(shù)，則信號中的其他的周期信號將被過濾降噪。只有MCKD方法中的周期參數(shù)的選取與管道泄漏處的沖擊信號的周期相等時，才能達到濾去干擾信號，增強沖擊信號的最佳效果，MCKD方法才能對噪音信號進行最有效的過濾。但在實際工程中，沖擊信號的脈沖間隔是未知的，這就要求我們根據(jù)信號的波形圖計算推測出信號的脈沖間隔，并以此作為MCKD方法的周期參數(shù)。由于管道泄漏信號是非平穩(wěn)性周期信號，其周期特性雖有表現(xiàn)，但變動較大，這就導(dǎo)致參數(shù)T的選擇至關(guān)重要，T選取過大會使MCKD方法起不到濾波效果。選取T過程如下：（1）選取極值點：根據(jù)信號的波形在一定范圍內(nèi)選取極值點，為了消除噪音信號的影響，極值點的選取要依據(jù)在每一個信號段取得極值后，需要對端點域內(nèi)的極值進行極差控制，取一個信號極值點后要與左右方向的幾個信號端點進行比較，進行差值控制，使差值超過一個規(guī)定的范圍，則認(rèn)為是一個信號極值點，反之，不是極值點。（2）設(shè)定一個合理范圍內(nèi)的MCKD濾波器長度L，同時避免濾波器長度的不合理對周期參數(shù)選擇的影響，選取參數(shù)L為150。（3）根據(jù)選出來的極值點之間的周期參數(shù)，用MCKD方法進行運行處理，選擇最優(yōu)的信號周期參數(shù)。

參數(shù)L的選?。簽V波器長度過大會導(dǎo)致數(shù)據(jù)計算量大，從而故障分析診斷時間過長。濾波器長度過短則會導(dǎo)致MCKD方法不能起到很好的濾波降噪效果。文獻［14］通過計算局部信噪比的方法評價MCKD方法的效果。SNR的大小可以很直觀的展現(xiàn)出降噪效果的好壞，信噪比越大則信號降噪效果越好；反之，基于此采用對比信噪比大小的方式對參數(shù)L進行尋優(yōu)處理，信噪比越大說明降噪效果越好，參數(shù)L越優(yōu)。

3 小波變換的定義

小波變換是對信號進行時間頻率的局部化分析，它通過縮放和平移運算以匹配輸入信號，對信號逐步進行多尺度細(xì)化，最終達到在高頻處時間分辨率高，低頻處頻率分辨率高，能符合我們對信號分析在高低頻的分辨率要求，從而可進行對信號的局部化特征提取。因此小波變化是對非平穩(wěn)信號的處理十分有效，小波變換能在時域和頻域都具有良好的局部化分析優(yōu)勢，對噪聲濾除的同時實現(xiàn)對有用信息的特征的保留。

設(shè)想x(t)是平方可積的函數(shù)，ψ(t)為母小波函數(shù)，則小波變換定義為：

4 實驗分析

4.1 管道泄露信號的采集

不同管道材質(zhì)與形狀都會對實驗收集到的信號造成影響。實驗采用不銹鋼材質(zhì)管道，其長度為3000mm，外徑160mm，壁厚8mm。管道的泄露源為一處開口5mm 的泄露源，管道放在玻璃支架上，以減少外在噪音或震動帶來的影響，如圖1所示。實驗采用模擬輸油管道在背景噪音和管道周期頻率外部敲擊噪音與管道小泄露同時存在的情況下進行信號的采集。此情況下采集到的聲發(fā)射信號更適合實際情況下的管道泄漏信號。用傳感器收集管道泄漏信號并進行分析。

圖1 管道泄漏聲發(fā)射信號采集裝置Fig.1 Pipeline Leak Acoustic Emission Signal Acquisition Device

傳感器收集到的信號時頻域，如圖2所示。

圖2 原信號的時頻域波形圖Fig.2 Time-Frequency Domain Waveform of the Original Signal

對原信號進行MCKD處理，如圖3所示。

圖3 原始信號與MCKD信號對比圖Fig.3 Comparison of Raw and MCKD Signals

圖4 haar小波基時域波形圖Fig.4 Haar Wavelet Base Waveform in Time Domain

圖5 Morlet小波基時域波形圖Fig.5 Morlet Wavelet Base Waveform in Time Domain

圖6 Mexihat小波基時域波形圖Fig.6 Mexihat Wavelet Base Waveform in Time Domain

圖7 db4小波基時域波形圖Fig.7 db4 Wavelet Base Waveform in Time Domain

從原信號與處理后的信號波形圖對比中看出MCKD方法能有效的對管道泄漏信號在傳播路徑中受到的無序噪音信號進行濾除，使沖擊信號得到加強，但是MCKD方法不能對信號進行更細(xì)化的分析處理，從而不能對信號進行局部特征的提取，限制了對管道泄漏部位的準(zhǔn)確定位。為此，我們使用小波變換的方法對處理之后的信號進一步降噪。

4.2 小波基的選擇

小波變換的關(guān)鍵在于小波基的選擇，小波基選擇的依據(jù)并未統(tǒng)一，但選取小波基的原則上是與原始信號的相似度最大的為最優(yōu)小波基。相似度不高的小波基會影響信號分析的局部相關(guān)性。為了找出最適合的小波基，根據(jù)文獻［15］對比經(jīng)MCKD方法處理過的信號與下列四種小波基的時域波形圖，找出最優(yōu)小波基。

對比MCKD處理后信號波形圖與上述四種小波基時域波形圖，可以看出處理之后的信號波形圖與db系列小波基波形最接近，下面就不同的db小波基使用MATLAB軟件來進行小波變換，分析SNR與MSE找出最優(yōu)小波基。

由表1可以看出，隨著db小波基的階數(shù)的增大，信噪比也隨之增大，降噪效果越好，于是增大小波基的階數(shù)到db40，得其信噪比。信噪比越大說明處理效果越好，均方差越小說明處理效果越好。通過表1中db小波基對信號的降噪處理結(jié)果中可以看出，db40是相對來說效果更好的一種，無論從信噪比還是從均方根誤差來看db40都更適合用于管道泄露信號降噪，更準(zhǔn)確的對泄漏源進行定位。

表1 五種不同小波基降噪結(jié)果分析Tab.1 Analysis of Five Different Wavelet Base Noise Reduction Results

5 結(jié)論

通過對管道聲發(fā)射信號的收集與分析得出：（1）管道聲發(fā)射信號收集受外界干擾較大，為了實現(xiàn)對聲發(fā)射信號更好的分析，采用MCKD方法對其進行傳播路徑的降噪以及對信號沖擊成分的凸顯是一種很好的方法。（2）小波變換對信號的時域和頻域的都能進行很好的局部化分析，在去除信號噪音的同時能很好地保留信號的特征信息。（3）MCKD方法處理之后的信號采用小波變化對信號進一步處理的方法，能很好的解決MCKD方法中對局部分析能力較弱的情況。（4）db40小波基相比其他小波基降噪效果更加明顯，也更適合實際工程應(yīng)用。