滤波器在声发射信号噪声预处理中的应用

马菲　王春娴

摘要：随着复合材料的广泛应用，利用声发射技术实现损伤声发射源定位技术逐步成熟，在定位技术中对信号中噪声的处理非常重要。本文在详细分析声发射源定位中噪声模型的基础上，设计了一种基于形态学的滤波器，给出了滤波器用于声发射信号降噪的理论依据。实验结果表明，基于数学形态学的滤波器在去除声发射信号噪声方面是有效的，与其他常用的信号处理方法相比有明显的优势。

关键词：声发射 数学形态学 滤波器 噪声处理

中图分类号：TH165.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）09-0071-02

对复合材料进行实时健康监测，找出其损伤部位，以确保设备和装置的安全运行，但进行实时监测时现场的噪声非常严重，因此如何对初始声波信号进行有效的滤波就至关重要了。常用的滤波器方法有时域平均法、小波滤波器、均值滤波器、平滑滤波器等，这些常用的数字滤波器因为基于时域、频域或者时频域而设计的，所以会存在着时滞、相移等缺陷，尤其是当信号频率与噪音干扰相互叠加时，这些滤波器更难以将噪音过滤。基于数学形态学的滤波器是一种新型非线性滤波器，相比传统的滤波手段，形态学滤波器更快速、简便，尤其在对数据的实时处理方面优势明显，同时，形态学滤波在现行相位上的良好表现保证其取得更好的滤波效果，作为信号预处理手段，其效果完全符合后期需要。

1 数学形态学滤波器的设计

基于形态学开、闭运算建立起来的形态学滤波器是用一个结构元素B对初始信号串联地使用开、闭运算。这样声发射信号中比结构元素小的游离的噪声将被滤除。若原始声发射为A，结构元素为B，那么形态滤波器的构成用如下模型表示：

在上式中发现广义形态滤波器的权系数在整个滤波过程中均保持不变，这样固定的权无法使滤波效果达到最佳。如何通过调节权系数使得滤波效果达到最优的目的，可以借助于梯度法对权系数进行迭代优化，使其达到最优化状态。

2 基于数学形态学滤波器的声发射信号处理实验与分析

首先，以常见的声音信号为例，对基于数学形态学声发射信号滤波器有效性进行验证。对原始信号进行加噪处理，加入干扰噪音0.02cos（1000t），其进行数学形态滤波器滤噪，所得结果图如图3-1所示。

通过图3-1可以看出采用数学形态滤波器对信号进行滤波处理的效果良好，达到了预期效果。

针对复合材料声发射信号滤波方法进行研究，以断铅实验模拟复合材料损伤检测时的声发射信号，对测量获得的信号采用基于数学形态学滤波器进行滤波，以消除干扰信号的影响。如图3-2所示，通道1信号为原始采集的声发射信号，通道2信号为添加高斯白噪声后的声发射信号。

通过观察可以看出，声发射信号受到高斯白噪声的严重干扰，非常有必要对其进行信号过滤处理。采用上述针对编织复合材料设计的数学形态滤波器对声发射信号进行过滤，即经过广义开-闭滤波器和广义闭-开滤波器处理后的信号如图3-3所示。

再用均值滤波器对复合材料声发射信号进行滤波，其滤波效果与经过数学形态学滤波器处理的效果进行比较，以验证数学形态学滤波的优越性，图3-4所示为均值滤波器处理后的波形。

从图3-3与图3-4比较来看，数学形态学滤波器效果更好，因为均值滤波器边缘值出现模糊现象，并且有一定的延迟。通过实验可以发现，数学形态滤波器的结构元素宽度与数学形态滤波器低通特性有一定的关系，宽度越大，数学形态滤波器的幅频特性通过相应的宽度就会越窄。

3 结语

采用数学形态滤波器对声发射信号进行预处理，其对噪声的抑制效果明显。数学形态滤波器与其他滤波器相比，有着幂等性、平移不变性，单调性等优点，经过均值滤波器处理过后的声发射信号存在局部干扰，同时可以看出具有明显的相位延迟。而经过数学形态滤波器处理过后，除了主频外，其余频率幅值趋近于零。同时通过对相关理论的分析发现，其应用不仅仅局限于声发射信号，还可为滑模控制算法提供一定的思路与设计，滑模控制其中一个最大的瓶颈问题在于抖振，如何减弱抖振成为滑模控制研究的重中之重的问题了。为此，可以借助于非线性的数学形态学滤波器对高频抖振进行控制输入信号过滤。从而可以有效的削弱控制抖振问题。

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