小波变换在压力容器声发射信号中的特征提取

1 / 4小波变换在压力容器声发射信号中的特征提取摘要：由于压力容器工作环境的影响，通常压力容器声发射故障信号完全被噪声淹没。由于 FFT 很难提取出故障信号的特征，根据声发射信号的特点和小波变换基本原理及特性。应用小波变换与 FFT 相结合的方法，完全能提取出声发射故障信号的特征。 关键词：声发射检验小波变换信号处理压力容器 0 引言 压力容器是工业生产过程中不可缺少的一种设备。压力容器在运行过程中受介质、压力和温度等因素影响而会产生腐蚀、冲蚀、腐蚀开裂、疲劳开裂及材料劣化等缺陷，由于它是爆炸危险的特种承压设备，一旦发生爆炸或泄漏就会引发火灾、中毒等事故，给企业和人们带来严重的损失和危害。因此，压力容器的故障检测一直是研究的热点。其中，声发射检测是压力容器的检测方法的一种。但是，在环境恶劣的条件下，声发射检测法仍然受到噪声的影响。造成误判，因此使用合理的提取出声发射信号的特征成了关键的问题。对于压力容器故障信号这种非平稳信号，用小波变换与 FFT 相结合的方法来提取声发射信号的特征。 1 小波变换原理 2 / 4小波变换是一种新的时频分析方法。与其他时频方法不同之处是小波变换用尺度算子代替频率移动算子，将时间频率相平面换为时间尺度相平面，而且时窗函数为变特性窗，在高频段时窗长度短，低频段时窗长度长。由于小波变换时窗特性可调这一特点，使其既能对信号中的短时高频成分进行有效分析，又能对信号中的低频缓变成分进行精确估计。 小波分解可以看作是分别对信号进行高通滤波和低通滤波的过程。分解过程如图 1 所示：将原始信号 S 经过 3 层多分辨小波分解。其分解关系为：S=A3+D3 十 D2+D1，D1 频率最高，A3 频率最低。如果原始信号 S 的频带宽度为0，f则分解后各频率分量分别为：A3:0，f/8，D3:f/8，f/4，D2:f/4，f/2，D1:f/2，f。 2 小波基的选择 由于声发射信号具有信号的数据量庞大、频率高、时间短、突发性强、衰减快等特点，应选择具有以下五点的小波基： 能够快速处理大量信号，实现声发射源特征信号的重构; 能在不同的频域范围内进行分析并最终提取与声发射源相关的信息; 与信号具有一定的相关性，对信号的特征提取量高; 应具有线性相位，对信号进行分解和重构时尽量避免或3 / 4减少信号的失真; 具有一定阶次消失矩，能声发射信号的特征，减少噪声影响从以上几方面考虑，工程中满足离散小波变换与时域具有紧支性等性质的常用小波基有：Daubechies 小波基、Symlets 小波基和 Coiflets 小波基是较适合于声发射信号分析的小波基。从 Daubechies 小波基中选择较为常用的db5 小波基作为小波基对检测信号进行 3 级小波分解。 3 声发射实验 本实验是将压电晶体加速度传感器固定在煤气罐的中部，并用 6122 采集卡采集全过程声发射信号。 声发射信号是由频谱丰富的多组波组成，同时由于传播途径及转换仪器的原因，声发射信号往往含有噪声。利用小波变换把声发射信号分解到不同的频率通道，就可以在不同的频带上分析声发射信号中的不同频率成分的特征。 首先在压力容器没完全封闭下打压，采集噪声信号并分析其特征。噪声信号如图中的 S，并将噪声信号 S 经小波分析后每个分解尺度的时域重构波形，A3 是低频信号，D1，D2，D3 为分别为 1，2，3 层的高频信号。图是图中相应信号的 FFT 图。从两幅图中分析可知噪声是由不同频率的信号构成。 后在压力容器完全密封下打压，压力逐步增大，速率4 / 4/min，每增加保压 3040s 后，再继续加压，直到压力为。采集信号如图中的 S，并将噪声信号 S 经小波分析后每个分解尺度的时域重构波形，A3 是低频信号，D1，D2，D3 为分别为 1，2，3 层的高频信号。图是图中相应信号的 FFT 图。从故障信号 S 的时域波形与相应 FFT 波形看，噪声完全把故障信号淹没。但经分解重构后的 D3 波形图完全能看出故障信号主要集中在 6251250Hz 之间，同时从 D3 的 FFT 图中得到故障频率集中在 600900Hz 之间，说明只有压力到达一定程度后，压力容器才会有阶跃故障信号，该故障信号是突发性类型信号；而其他频段的时域波形和 FFT 图与噪声信号的时域与 FFT 图相比，特征相同，说明这些频段内的信号都是噪声。 4 结论 对压力容器的声发射检测，日益成为一个重要的研究课题。通过对所采集的噪声信号与故障信号进行小波变换与FFT 对比分析，能够精确提取出故障信号特征，能直观