基于相關分析法的聲發射信號降噪技術

摘 要：闡述了相關分析法在剔除聲發射信號中環境噪聲的基本原理。通過LF3鋁合金的腐蝕實驗，將未處理的聲發射信號與環境中的噪聲信號進行相關分析，并以它們相關系數的大小作為判斷該信號是否為環境噪聲信號的依據。結果表明該方法能準確地剔除信號中的環境噪聲信號。
關鍵詞：聲發射；腐蝕；相關分析；降噪；環境噪聲
0 引言
聲發射(Acoustic Emission，簡稱AE)是指材料或結構受內力或外力作用產生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放出應變能的一種物理現象。聲發射技術是通過分析聲發射信號進而提取聲發射信號特征信息來推斷聲發射源特性的無損檢測技術。當前限制這一技術進一步發展的一個關鍵問題是采集到的信號中含有大量的噪聲信號，以致可能淹沒真實的聲發射信號。同時由于聲發射信號在傳播過程中受傳播介質和傳感器的影響，使得采集到的信號與真實的聲發射信號有很大的差別。如何準確地從采集到的信號中剔除噪聲信號，提取出真實的聲發射信號是聲發射技術發展的一個重要問題。
1 相關分析法的降噪原理
在聲發射噪聲信號中大部分是環境中的噪聲信號，它們隨環境的變化而變化且其特征信息十分豐富。在傳統的聲發射信號預處理中常采用參數分析法，尤其在不確定聲發射信號特征參數的情況下，噪聲信號的復雜性使得聲發射的預處理變得十分困難。由于波形分析法比參數分析法具有更多的信息，本文利用波形的相關分析法對信號進行預處理。
基于這樣一種設想，用一傳感器檢測金屬腐蝕聲發射信號，同時另一傳感器置于同樣的環境中用來檢測環境噪聲而不檢測金屬腐蝕時的聲發射信號。由于金屬腐蝕聲發射信號通常較弱，在工程中可以采取一定的措施使上述設想得以實現。而后將采集到的金屬腐蝕聲發射信號與采集到的環境噪聲信號進行實時相關分析。通過相關分析，根據它們的相關系數作為判斷信號是否為環境噪聲信號的依據。在實際中常用相關函數作為兩個信號相關性的檢測，相關函數的定義如下：
信號x(n)和y(n)的互相關函數Rxy(m)的定義為：
（1）
的值隨信號x(n)和y(n)相關性的增強而增大，當信號x(n)和y(n)為同一信號時， 的值達到最大值。實際工作中，信號x(n)、y(n)總是有限長，并且是數字信號，對于這樣的信號，互相關公式為：
（2）
自相關公式即是將公式（1）和（2）中的y(n)替換為x(n)。在實際運用時，為了讓兩個信號的相關性更為直觀，更有可比性，又引入了相關系數的概念。其定義為：
（3）
由許瓦茲(Schwartz)不等式有 ，由公式 (3)可知，當x(n)=y(n)時， =1，兩信號完全相關(相等)，這時 取得最大值；當x(n)和y(n)完全無關時， =0， =0；當x(n)和y(n)有某種程度相似時， ，| |在0和1之間取值。因此 和 可用來描述x(n)和y(n)間的相似程度。
2 實驗內容
2.1 實驗材料及儀器
本實驗選用硝酸溶液作為腐蝕介質，選用LF3鋁合金作為受腐蝕材料。本實驗所用聲發射儀是德國VALLEN公司生產的16通道AMSY-5型聲發射系統。該系統能夠同時采集AE信號特征參數和波形(Transient Recording-TR)數據，可檢測到的頻率范圍從5kHz到3MHz。所用傳感器為VS150-RIC型傳感器，其頻率范圍為80～550kHz， 中心頻率為150kHz。實驗時將AMSY-5型聲發射儀的各通道的門檻值設為28.8dB。
2.2 實驗方案
圖1為整個實驗系統示意圖。硝酸溶液置于玻璃鏡筒內，與試樣表面接觸發生腐蝕。鏡筒尺寸(mm)為φ40×100。鏡筒與試樣之間用凡士林密封，鏡筒內加入硝酸溶液后，上面用玻璃片加凡士林密封，防止硝酸揮發。傳感器耦合劑為凡士林，用彈性帶固定并對傳感器施加一定壓力，保證耦合良好。
試樣表面在被鏡筒限定的區域內發生腐蝕，產生應力波被傳感器接收并通過電纜傳送至聲發射儀進行信號的濾波、特征提取、波形記錄等處理，并將處理后的數據通過數據線送入PC機存儲，再進行進一步的處理、分析和結果顯示。
安放傳感器之前將試樣表面安放傳感器的部位打磨光滑，鏡筒外部的試樣表面均勻涂上一薄層凡士林，以防止試樣裸露部分在空氣中發生腐蝕，并降低彈性帶與試樣的摩擦噪聲。為了避免各試樣的腐蝕聲發射信號被其他傳感器所接受和降低機械噪聲的影響，將四個腐蝕試樣置于鋪有毛氈的木質工作臺上并保持約15cm距離。實驗時在玻璃鏡筒1、2、3內分別均加入1.4%的硝酸溶液，試樣4上的傳感器用來采集外界環境中的噪聲信號。
3 實驗數據處理及結果
表1為這段時間各通道采集到的信號數。
由表1可以看出通道一、二、三采集到信號數大致一樣，而用來采集環境噪聲的通道四所記錄的信號數明顯小于其他三個傳感器的信號數。因而可以認為通道四只采集到了環境中的噪聲信號且各試樣的聲發射信號均只被該試樣上的傳感器所接受。由于四個傳感器處于同一環境，因而它們對環境中的噪聲同等敏感，試樣四上的傳感器采集到的環境中噪聲信號同樣被其他三個傳感器采集。同一噪聲源的噪聲被四個傳感器采集時，它們的波形應大致一致。圖2中a、b、c、d分別為傳感器一、二、三、四幾乎在同一時間采集到的噪聲信號，其開始采集的時間差最長為0.0522 ，最短為0.0009 。從它們的波形圖可以看出，它們的波形十分相似。因而可以利用通道1、2、3采集到的信號與通道4采集到的噪聲信號進行互相關分析，根據它們的相關系數作為判別通道1、2、3采集到的信號是否是環境中的噪聲信號的依據。圖3中e、f、g、h是從采集到的信號中隨機挑選出的四個信號，用于與圖2中的波形進行比較。
表1 各通道采集的信號數
通道一 通道二 通道三 通道四 總計
信號數 155 120 165 24 464

a b c d
圖2 同一噪聲源的波形

e f g h
圖3 不同聲源的波形
從圖2可以看出盡管四個波形十分的相近，但是各個波形采集的時間不一樣。這是因為噪聲在傳播途徑中由于噪聲源到達四個傳感器的路徑不同而引起能量的衰減不同，也就是波形的同一點到達傳感器的幅值不一樣，而該聲發射儀各通道的門檻值均為28.8dB， 從而引起了波形在時間上的平移。因此在進行信號的互相關分析時只選取其最相似的波形段進行分析。
表2為圖2和圖3中的7個波形中截取的部分波形與中與圖2中的圖d截取的部分波形相關系數的最大值。其截取波形數據最長為1448個數據，最短為1248個數據。波形原長為2048個數據。
圖4為圖a、b、c、e、f、g、h的波形與圖d中的波形的相關系數隨其截取波形數據的長度變化而變化的情況。由圖4可以看出來自于同一噪聲源的信號進行自相關分析時，在選取合適的數據長度時它們的互相關系數保持在0.7左右，而來自不同噪聲源的信號的互相關系數維持在0.25左右，二者有明顯的分界線。因此利用這種辦法可以較客觀地在采集到的信號中剔除來自外界環境的噪聲信號。利用同樣的辦法，將傳感器四采集的剩余的23個環境噪聲信號與其它三個通道采集的信號進行相關分析。同一噪聲源的信號被四個通道幾乎同時采集，為減少計算量我們只對與通道四采集的24個信號的采集時間相差不超過0.5 的信號進行相關分析。通過計算，通道一、二、三采集的信號中均有24個信號與通道四采集到的環境噪聲信號的相關系數在0.6以上。其結果見表3。
表2 圖d與其它圖的波形相關系數
相關系數
圖a 圖b 圖c 圖e 圖f 圖g 圖h
圖d 0.7682 0.6428 0.6885 0.2432 0.2002 0.3028 0.3154
表3 實驗結果
信號數（個） 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-0.95
通道一 4 10 8 2
通道二 4 9 10 1
通道三 3 12 8 1
4結論
在金屬腐蝕過程中由于聲發射信號較弱，通過合適的數據截短，將截短后的信號與采集到的環境中的噪聲信號進行相關分析，以它們的相關系數為依據能快速、準確地剔除信號中夾雜的環境噪聲信號。尤其是在外界環境噪聲信號較強且復雜的情況下，該方法與參數分析法相比更具優越性，避免了對聲發射信號和噪聲信號特征參數的大量提取和統計。