Выделение сигналов акустической эмиссии на фоне шумов вейвлет фильтрацией

УДК 620.179

ВЫДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ НА ФОНЕ ШУМОВ

ВЕЙВЛЕТ ФИЛЬТРАЦИЕЙ

Е.В. ИЗМАЙЛОВА, Ю.В. ВАНЬКОВ

Казанский государственный энергетический университет

Аннотация: В статье представлены результаты серии измерений по выделению сигналов акустической эмиссии на фоне шумов вейвлет фильтрацией.

Ключевые слова: метод акустической эмиссии, шумы, вейвлет фильтрация.

Введение

Основной задачей неразрушающего контроля (НК) является обнаружение дефекта, оценка его параметров и принятие решения о допустимости (недопустимости) дефектов. Один из интегральных и эффективных методов НК - это метод акустической эмиссии (АЭ) [1].

Вначале 70-х годов XX века для избежания регистрации помех от уличного транспорта и работающего в дневное время технологического оборудования АЭ эксперименты проводились по ночам в подземных лабораториях на малошумящих испытательных машинах.

Особенностью метода АЭ, ограничивающей его применение, является в ряде случаев трудность выделения сигналов АЭ из помех. Это объясняется тем, что сигналы АЭ являются шумоподобными, поскольку АЭ есть стохастический импульсный процесс. Процессы типа ударов, трения, течей и другие, присутствующие на фоне сигналов от развития трещин и коррозии, являются источниками нежелательных шумов. Когда сигналы АЭ малы по амплитуде, выделение полезного сигнала из помех представляет собой сложный процесс. Следовательно, исследование шумовых помех и их нейтрализация являются актуальной задачей при проведении акустико-эмиссионного контроля.

Согласно ПБ 03-593-03 [2] проведение контроля в условиях повышенной частоты регистрации импульсных помех возможно только при научно-техническом обосновании возможности выявления требуемых источников АЭ на фоне шума.

Известно, что для борьбы с шумами можно использовать вейвлет преобразование сигналов, путем удаления детализирующих коэффициентов высокочастотных уровней.

Цель работы - выделение сигналов акустической эмиссии на фоне шумов вейвлет фильтрацией.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи: Оценить эффективность вейвлет преобразования для очистки от помех эталонного сигнала акустической эмиссии. Определить типы вейвлетов, эффективно-выделяющих полезный сигнал на фоне шума.

В лабораторных условиях [3] проводились исследования на стенде, моделирующем участок тепловой сети (рис. 1). В качестве имитатора источника АЭ использовался источник Су-Нильсена (излом графитового стержня диаметром 0,3 - 0,5 мм, твердостью 2Т (2Н)), снабженного защитной кольцевой насадкой, определяющей угол между карандашом и поверхностью, и обеспечивающий излом стержня без последующего удара тела карандаша по поверхности при надавливании им на контролируемый объект) [4].

© Е.В. Измайлова, Ю.В. Ваньков Проблемы энергетики, 2013, № 9-10

Рис. 1. Фотография стенда Рис 4 АЦП ^ 6 Маноме1р

для исследования участков труб

Регистрация сигнала осуществлялась с помощью датчика АЭ (рис. 2), со встроенным предусилителем (рис. 3), и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (рис. 4). Запись и обработка сигнала проводилась специально созданной программой [5] в среде ЬаЬУ1Е'^ Сигнал АЭ регистрировался датчиком АЭ, АЦП переводил сигнал в цифровой, программа на компьютере его записывала, после чего осуществляли обработку сигнала.

Первую серию измерений проводили на пустой трубе с выключенным насосом (рис. 5), имитировали сигнал АЭ, записывали и обрабатывали.

Для второй серии измерений заполнили трубу водой и повторили действия.

В третьей серии измерений включили насос для циркуляции жидкости внутри трубы, после чего снова записали сигналы. Измерения проводили при шести разных давлениях в трубе: 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 атм (рис. 6).

Полученные результаты

В первой серии измерений записанный сигнал (проскок трещины от излома грифеля) отчетливо просматривался (рис. 7).

Рис. 7. Записанный сигнал от излома грифеля в Рис. 8. Записанный сигнал от излома грифеля в пустой трубе трубе с водой

Во второй серии измерений записанный сигнал хорошо просматривался (рис. 8), но часть энергии сигнала рассеялась в воде.

В третьей серии измерений записанный сигнал при давлении 0,1 атм просматривался на фоне шума от работающего насоса (рис. 9), а при давлении 2,5 атм уровень шума был сравним с уровнем сигнала, поэтому сигнала АЭ не видно (рис. 10).

Рис. 9. Записанный сигнал от излома грифеля в Рис. 10. Записанный сигнал от излома грифеля в трубе с водой с работающим насосом

Обработка записанных сигналов проводилась по сорока типам вейвлет-базиса с разными характеристиками, таким, как: Meyer, Morlet, Mexican Hat, Haar, db02, db03, db04, db05, db06, db07, db08, db09, db10, db11, db12, db13, db14, sym2, sym3, sym4, sym5, sym6, sym7, sym8, coif1, coif2, coif3, coif4, coif5, bior1_3, bior1_5, bior2_2, bior2_4, bior2_6, bior2_8, bior3_1, bior3_3, bior3_5, bior3_7, bior3_9 (табл. 1).

Таблица 1

Использованные типы вейвлет-базиса

Мнемоническое обозначение Название вейвлета Характеристика соответствующего вейвлета

Meyer Мейера С бесконечной гладкостью

Morlet Марлета Вейвлет с бесконечным носителем

Mexican Hat Мексиканская шляпа

Haar Хаара Ортогональные вейвлеты с конечной маской

Db№ Добеши

Sym№ Симлеты

Coif№ Койфлеты

Bior№ Биортогональные Биортогональные вейвлеты с конечной маской

В результате исследований установлено, что эффективно выделяющим полезный сигнал АЭ, на фоне шума из перечисленных, оказался тип вейвлета Mexican Hat (рис. 11).

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1000 2000 Time

Рис. 11. Обработанный вейвлет фильтрацией (типом Mexican Hat) сигнал от излома грифеля в трубе с

водой с работающим насосом

Выводы

1. Оценена эффективность вейвлет преобразования для очистки от помех эталонного сигнала акустической эмиссии.

2. Определен тип вейвлета, эффективно выделяющий полезный сигнал на фоне

шума.

3. Очищенный от шума с помощью вейвлет фильтрации полезный сигнал может использоваться для определения характеристик дефекта [6, 7]: местоположения, размера, степени опасности и т.д.

Summary

The paper presents the results of a series of measurements on the allocation of acoustic emission signals on the background of the wavelet filtration. Key words: method of acoustic issue, noise, wavelet filtration.

Литература

1. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Метод акустической эмиссии при диагностировании состояния тепловых сетей // Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), посвященной 130-летию изобретения электродуговой сварки Н.Н. Бенардосом. Иваново: ИГЭУ, 2011. С. 195-198.

2. ПБ 03-593-03. «Правила организации и проведения акустико-эмиссионной аппаратуре, используемой для контроля опасных производственных объектов. Ростехнадзор.» 2003.

3. Патент на полезную модель РФ № 108551, МПК F 17 D 3/00. Устройство для диагностирования трубопроводов / В.В.Серов, Ю.В.Ваньков, Ш.Г.Зиганшин, М.В.Акутин, Е.В.Измайлова. 2011. Бюл. № 26.

4. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Реализация источника Су-Нильсена для проверки работоспособности акустико-эмиссионной аппаратуры // Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития».Челябинск: ЮУрГУ, 2012. Т. 1, С. 115-117.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012617704. FlawDefiner / Е.В. Измайлова, Ю.В. Ваньков, В.В. Серов, Т.Г. Горбунова. 2012.

6. Измайлова Е.В., Ваньков Ю.В. Нахождение местоположения дефекта трубопровода методом акустической эмиссии в среде графического программирования LabVIEW // Сборник научных трудов XII Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Казань: Департамент информационно-издательской и образовательной деятельности ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при КМ РТ», 2011. С. 316-323.

7. Izmailova E. & Vankov Y. The use of virtual LabVIEW instrument in acoustic emission control of condition of heat networks // Scientific enquiry in the contemporary world: theoretical basics and innovative approach - L&L Publishing, Titusville, FL, USA, 2012. Vol. 4 Technical Sciences, ISBN-13: 9781481823036, ISBN-10: 1481823035, P.106-108.

Поступила в редакцию 23 сентября 2013 г.

Измайлова Евгения Вячеславовна - ассистент, аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843) 5194256. E-mail: evgeniya-izmailova@yandex.ru.

Ваньков Юрий Витальевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел: 8(843) 5199225.