基于经验模态分解与小波分析的超声信号降噪方法

经验模态分解(EMD)是目前信号去噪中应用较多的一种方法,但处理与噪声时频特征相近的信号时,该算法存在内蕴模态函数(IMF)混叠现象.本文从信号降噪的角度出发,提出基于经验模态分解与小波分析的超声信号降噪方法,首先利用EMD将信号分解为多个IMF分量,通过计算各分量与信号间的互相关系数判断存在模态混叠现象的过渡IMF,从多个IMF分量辨识出噪声与信号的分界,对过渡IMF进行小波去噪,去除过渡分量中的噪声;然后将去噪后的过渡分量IMF与其后续分量进行信号重构,得到去噪后的信号.为了验证所提方法的有效性,本文分别以含噪bumps信号和实际超声信号为例,将该方法与其它4种去噪方法进行了对比.实验结果表明:EMD结合小波法优于单独小波法,而本文方法进一步提高了EMD方法的去噪能力,为EMD去噪方法的改进提供了新思路.     

改进EMD端点效应电力系统HHT谐波检测研究

为对电力系统谐波进行有效的检测,提出一种改进的基于镜像延拓的方法对信号数据边界进行端点处理。通过对端点和极值点的判断比较来选取镜面进行延拓,按照包络原则对延拓之后的信号进行经验模态分解(EMD),并得到IMF分量。仿真实验结果表明:改进后的方法幅值及频率检测准确度明显优于改进前,能够有效改善EMD端点效应,准确快速地分解出各种模态的谐波,适用于电力系统谐波的检测。     

一种改进的集合平均经验模态分解去噪方法

针对现有非平稳信号去噪处理中的难点,提出一种改进的基于集合平均经验模态分解（EEMD）去噪方法,该方法根据本征模态函数（IMF）能量从被测信号中估计出噪声,使用估计的噪声代替EEMD方法中添加的噪声,最后将集合平均IMF分量累加得到去噪信号。使用相关性判据剔除了EMD分解产生的伪IMF分量,改进了噪声估计方法。仿真表明,改进的方法能够对调幅调频含噪信号进行有效的去噪处理。     

基于STA/LTA改进的CEEMD-SVD微震信号降噪算法

针对煤矿井下工作环境复杂,采集到的微震信号包含大量噪声信号,严重影响对微震信号的拾取、定位和反演。采用互补集合经验模态分解(complementary set empirical mode decomposition, CEEMD)联合奇异值分解(singular value decomposition, SVD)与长短时窗法(STA/LTA)相结合的降噪算法。利用CEEMD分解微震信号,得到固有模态分量(inherent modal component, IMF),依据相关系数确定噪声主导的IMF和信号主导的IMF,通过STA/LTA去除CEEMD产生的伪分量。对噪声主导的分量进行SVD分解降噪后与信号主导的分量及剩余分量重构得到降噪后信号。加入模拟噪声信号与实际采集的微震信号进行仿真实验,结果表明本文算法在保证小剩余噪声干扰的情况下,可以节省计算时间。通过与经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)、聚合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)及新型自适应聚合经验模态分解(nove...     

基于CEEMDAN与SVD的泄流结构振动信号降噪方法EI北大核心CSCD

针对泄流结构振动信号非平稳性和特征信息被强噪声淹没的实际问题,提出一种基于具有自适应噪声的完整集成经验模态分解(CEEMDAN)和奇异值分解(SVD)联合的信号降噪方法。对一维泄流振动信号时程进行CEEMDAN分解,将信号分解为一系列固有模态函数分量(IMF),运用频谱分析方法筛选包含主要振动信息的IMF分量,滤除低频水流噪声,实现信号的初次滤波;利用排列熵理论确定含噪声较多的IMF分量,采用奇异值分解技术提取奇异值信息,运用奇异熵增量定阶理论滤除IMF分量中的高频噪声,实现信号的二次滤波;将包含结构振动信息的IMF分量重构,得到泄流结构的工作特征信息。结合拉西瓦模型振动实测数据,运用该方法进行计算分析,滤除高频和低频噪声,提取结构振动特征信息;结果表明该方法在泄流结构特征信息提取方面具有优越性,可为泄流结构在线监测和安全运行提供依据。     

基于CEEMDAN与SVD的泄流结构振动信号降噪方法

针对泄流结构振动信号非平稳性和特征信息被强噪声淹没的实际问题,提出一种基于具有自适应噪声的完整集成经验模态分解(CEEMDAN)和奇异值分解(SVD)联合的信号降噪方法。对一维泄流振动信号时程进行CEEMDAN分解,将信号分解为一系列固有模态函数分量(IMF),运用频谱分析方法筛选包含主要振动信息的IMF分量,滤除低频水流噪声,实现信号的初次滤波;利用排列熵理论确定含噪声较多的IMF分量,采用奇异值分解技术提取奇异值信息,运用奇异熵增量定阶理论滤除IMF分量中的高频噪声,实现信号的二次滤波;将包含结构振动信息的IMF分量重构,得到泄流结构的工作特征信息。结合拉西瓦模型振动实测数据,运用该方法进行计算分析,滤除高频和低频噪声,提取结构振动特征信息;结果表明该方法在泄流结构特征信息提取方面具有优越性,可为泄流结构在线监测和安全运行提供依据。     

基于VMD和SVD联合降噪方法的球磨机振动信号随机噪声压制

针对球磨机筒体振动信号中存在大量噪声信号,难以提取其有效信息的问题,提出一种基于变分模态分解(VMD)和奇异值分解(SVD)的联合降噪方法。该方法首先利用VMD算法对球磨机振动信号进行分解,得到K个本征模态分量(IMF),其中K值采用瞬时频率均值法确定;然后通过互相关系数法选取大于等于互相关系数阈值的IMF分量,将选出的分量视为敏感模态分量,再利用奇异值分解算法对敏感模态分量进行去噪处理;最后将经过奇异值去噪的敏感模态分量重构,得到最终降噪信号。仿真分析验证该方法的有效性,将该方法运用到实测球磨机筒体振动信号中,结果表明,该方法能够去除磨机筒体信号中的噪声,提高了信号后续分析处理的可靠性。     

基于EEMD和低秩稀疏分解的超声缺陷回波检测方法

针对应用超声对金属材料微小缺陷检测时缺陷回波容易被噪声干扰的问题,提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)和低秩稀疏分解相结合的检测方法,以避免传统基于经验模态分解(EMD)的去噪方法难以消除结构噪声的问题.首先对缺陷检测信号进行EEMD得到一系列本征模态函数(IMF),采用基于概率密度函数的相似性测量方法选取相关模...     

基于VMD和变尺度多稳随机共振的微弱故障信号特征提取方法

针对强噪声背景下旋转机械早期故障诊断的难题,提出一种基于变分模态分解与变尺度多稳随机共振的微弱故障信号特征提取方法。首先应用参数优化的变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)算法对微弱故障信号进行分解, 得到若干本征模态分量(intrinsic mode function, IMF);然后通过峭度准则筛选出其中峭度最大的IMF分量;最后对该IMF分量进行变尺度多稳随机共振, 实现微弱故障信号的增强。实例表明:在强噪声背景下,利用参数优化VMD分解与变尺度多稳随机共振相结合的方法,可以有效提取出微弱信号特征频率,实现旋转机械故障状态的准确判断。     

基于VMD-SVM的三相异步电机故障诊断方法

针对三相异步电机信号的不稳定性及故障特征提取困难问题,提出一种基于变分模态分解（VMD）与支持向量机（SVM）相融合的电机故障诊断方法。该方法首先将采集的信号通过VMD分解得到IMF分量;其次,计算各个IMF分量的能量,再将其构成特征向量;最后对每种状态随机选取400 组输入SVM模型训练,将剩余每种状态100 组用于测试,通过预测标签与实际标签的比较来判断电机的故障状态。采用该方法对4 种不同的电机状态进行故障诊断,结果表明与完全自适应噪声集合经验模态分解（CEEMDAN）、变分模态分解（VMD）提取各IMF 能量特征相比,基于VMD-SVM的三相异步电机故障诊断方法更具优越性。     

经验模态分解去噪技术及其在兰姆波检测中的应用

经验模态分解(EMD)是一种新出现的处理非线性、非稳态数据的信号分析方法,通过三次样条包络分离数据的高阶成分和趋势。利用EMD的这种特性对超声兰姆波检测中的实测信号作去噪处理,并与小波去噪结果进行了对比,表明EMD去噪具有更强的自适应能力,且需知的原信号先验信息更少。     

Application of Nonlinear Ultrasonic Measurement for Quality Assurance of Diffusion Bonds of Gamma Titanium Aluminum Alloy and Steel

A new nonlinear C-scan acoustic microscope (NCAM) has been developed and applied to inspect diffusion bonds of gamma titanium aluminum alloy–chromium molybdenum steel (γ TiAl–steel). The large mismatch of acoustic impedance gives strong ultrasonic reflection and masks a small signal from imperfections at the interface. However, NCAM detects indications of minute cracks or gaps, which are rarely observed by a conventional pulse–echo inspection method. Application of high-power ultrasound, with amplitude ten times greater than the conventional method, results in generation of second harmonic signals. All A-scope signals were stored in a computer, and frequency components were analyzed by fast Fourier transformation (FFT). As a result, no indication of fundamental frequency component was observed on a C-scan image, whereas clear indications of the second harmonic components were observed on the C-scan image. The minute cracks or gaps were confirmed at the indicated area by micrographic analysis following the inspection. Moreover, a quality assurance process for the γ TiAl–steel bond with a combination of linear and nonlinear ultrasonic responses is proposed.     

水声信号预测的神经网络方法

水声信号的局部可预测性在水声信号处理中具有重要作用,它是解决非平稳信号检测问题的基础。基于非线性时间序列局部可预测性原理,采用人工神经网络技术,研究了水声信号的神经网络预测,讨论了预测模型的建立和网络结构参数的设计。分别采用BP网络和RBF网络对实际舰船水声信号进行预测,通过对仿真数据和实际舰船辐射噪声数据预测的结果分析,得出了两种网络预测模型的误差分布,提出了减小预测误差的有效方法。为今后进一步开展水声信号预测研究奠定了基础。     

一种由横波激发的特殊非线性声现象

目前对非线性超声的研究多集中在纵波激发的谐波性质以及对材料微观结构变化的实验检测上,横波激发的非线性声波性质少有研究。对横波激发的一维非线性声波方程入手,利用摄动法求解该方程,并改写为一阶偏微分方程,然后利用交错网格的有限差分形式进行数值求解。结果表明:采用横波激发,能产生线性横波和非线性纵波,且纵波的高次谐波内有两个信号,分别以纵波和横波两种速度传播。若采用较长的激发信号,纵波谐波能形成"拍"现象,成为一种奇特的声传播现象。     

基于反射探针的聚焦超声测量传感器设计和方法研究

基于钨钢探针和PVDF压电薄膜材料,设计研制了一种用于聚焦超声测量的新型传感器.同时,通过理论分析和有限元分析软件建立了传感器物理模型,并对传感器的内部声场及反射状况进行了模拟仿真,获得传感器输出信号的波形和幅值.最后,利用研制的传感器对聚焦换能器焦域声压和声强进行检测,并将检测结果与理论仿真结果对比,在10 W的声功...     

EMD信号分析方法的声发射管道泄漏检测研究

针对管道泄漏声发射检测信号的非平稳特征,提出了基于经验模态分解(EMD)的信号分析方法。该信号分析方法将管道泄漏产生的声发射信号通过EMD分解为多个平稳的固有模态函数(IMF)之和,选择包含声发射特征的若干IMF分量进行重构,可以提取到管道泄漏声发射信号的本质特征,消除噪声信号的干扰。通过对重构后的信号进行互相关分析计算,使基于声发射方法的管道泄漏检测的定位精度得到较大提高,验证了Hilbert-Huang变换是表征声发射信号的非平稳特征及信号参数提取的有效工具。     

Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy (NEWS) Techniques to Discern Material Damage, Part II: Single-Mode Nonlinear Resonance Acoustic Spectroscopy

The presence of mesoscopic features and damage in quasi-brittle materials causes significant second-order and nonlinear effects on the acoustic wave propagation characteristics. In order to quantify the influence of such micro-inhomogeneities, a new and promising tool for nondestructive material testing has been developed and applied in the field of damage detection. The technique focuses on the acoustic nonlinear (i.e., amplitude-dependent) response of one of the material's resonance modes when driven at relatively small wave amplitudes. The method is termed single-mode nonlinear resonance acoustic spectroscopy (SIMONRAS). The behavior of damaged materials is manifested by amplitude dependent resonance frequency shifts, harmonic generation, and nonlinear attenuation. We illustrate the method by experiments on artificial slate tiles used in roofing construction. The sensitivity of this method to discern material damage is far greater than that of linear acoustic methods.     

基于跟踪混沌化方法的线谱控制技术研究

船舶辐射水声中的线谱成分是被动声纳在水声对抗中检测、跟踪和识别目标的主要特征信号,混沌隔振技术利用隔振系统处于混沌状态时其响应功率谱呈连续谱这一特征来抑制动力机械对艇体的线谱激励。针对目前混沌隔振技术在工程实际应用中存在如何在小振幅条件下实现持续混沌运动的难题,提出了利用跟踪控制使隔振系统混沌化方法,抑制辐射水声中的线谱成分,同时解决了跟踪目标建立的难题,试验结果证明了该方法的有效性。     

基于经验模式分解的框架结构螺栓松动检测实验研究

螺栓松动损伤具有非线性特征,在低、高频激励共同作用下,结构动力响应会出现高频激励与结构固有频率之间的调制现象。利用该调制现象,本文发展了一种基于经验模式分解(EMD)的螺栓松动检测方法,分别对高频正弦和随机激励下结构响应信号进行EMD分解并作功率谱分析,采用EMD分解后含有调制成分的高频固有模式函数(IMF)构造能量损伤指标来识别结构螺栓松动。采用多尺度法进行单自由度非线性模型分析解释高频调制现象,并通过螺栓连接框架结构的振动实验验证了该方法的有效性。结果表明,螺栓松动时,响应信号频域中出现高频激励与固有频率间的调制成分,所构造的能量损伤指标能够有效识别螺栓松动损伤,并且对于初始松动损伤识别更为敏感。     

Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy (NEWS) Techniques to Discern Material Damage,Part II: Single-Mode Nonlinear Resonance Acoustic Spectroscopy

Abstract

The presence of mesoscopic features and damage in quasi-brittle materials causes significant second-order and nonlinear effects on the acoustic wave propagation characteristics. In order to quantify the influence of such micro-inhomogeneities, a new and promising tool for nondestructive material testing has been developed and applied in the field of damage detection. The technique focuses on the acoustic nonlinear (i.e., amplitude-dependent) response of one of the material's resonance modes when driven at relatively small wave amplitudes. The method is termed single-mode nonlinear resonance acoustic spectroscopy (SIMONRAS). The behavior of damaged materials is manifested by amplitude dependent resonance frequency shifts, harmonic generation, and nonlinear attenuation. We illustrate the method by experiments on artificial slate tiles used in roofing construction. The sensitivity of this method to discern material damage is far greater than that of linear acoustic methods.