本發(fā)明屬于鋼軌裂紋檢測技術領域，特別是涉及一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除和裂紋判定方法及其系統(tǒng)。

背景技術：

現(xiàn)代化鐵路承載能力(更快的運行速度和更大的軸重)增加，提高了鋼軌的動態(tài)載荷，增加線路劣化的可能性。在長期運營過程中，由于鋼軌長期受到擠壓形變和滾動接觸疲勞，會使鋼軌表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂紋、斷裂或其他傷損，而鋼軌裂紋擴展是導致鋼軌斷裂出事故的主要原因。為了保持高安全水平的鐵路運營，對鐵路運行條件的實時在線檢測顯得尤為重要。聲發(fā)射可以檢測鋼軌在行車負載下是否正在發(fā)生裂紋擴展。材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE)，有時也稱為應力波發(fā)射。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結構失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，被稱為聲發(fā)射源。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射檢測方法是一種為以多個簡化的波形特征參數(shù)來表征聲發(fā)射信號的特性，然后對這些波形特征參數(shù)進行分析和處理。

然而，裂紋擴展的較高交通噪聲環(huán)境和有限的信號，尤其是在低裂紋擴展速率下，聲發(fā)射信號分析非常復雜。因此，需要對聲發(fā)射信號進行大量分析，從干擾信號中分離出裂紋信號，特別是需要對由裂紋擴展引起的每一聲學波形進行量化表征。傳統(tǒng)的信號處理方法(傅立葉變換)只能用于處理平穩(wěn)信號，而對于非平穩(wěn)信號缺少局部分析功能。

由于小波變換只對信號的低頻部分做進一步分解，而對高頻部分也即信號的細節(jié)部分不再繼續(xù)分解，所以小波變換能夠很好地表征一大類以低頻信息為主要成分的信號，但它不能很好地分解和表示包含大量細節(jié)信息(細小邊緣或紋理)的信號。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除和裂紋判定方法及其系統(tǒng)，能夠有效去除聲發(fā)射信號中的噪聲干擾信號，能夠從干擾信號中分離出裂紋信號，并且分離精度高；不僅用于處理平穩(wěn)信號，還有對于非平穩(wěn)信號局部分析功能。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除和裂紋判定方法，包括步驟：

S01：由聲發(fā)射傳感器采集鋼軌聲音信號，并將采集的鋼軌聲音信號傳回至監(jiān)控端；

S02：監(jiān)控端通過db6小波對鋼軌聲音信號進行分層分解，得到小波包，小波包包括重構信號分量和重構信號分量的時間、頻率及小波系數(shù)；

S03：通過計算頻帶能量比的方法排除小波包重構信號分量中撞擊帶來的高頻干擾；

S04：再將剩余小波包重構信號分量的小波系數(shù)進行重構，得到重構信號；

S05：對重構信號進行聲發(fā)射參數(shù)分析，獲得聲發(fā)射參數(shù)；

S06：通過聲發(fā)射參數(shù)繪制相關圖和經(jīng)歷圖，并分析相關圖和經(jīng)歷圖，判斷鋼軌是否有裂紋擴展。

進一步的是，步驟S01中，在采集過程中通過鋼軌聲音信號的持續(xù)時間的長短，判定并排除鋼軌聲音信號中的輪緣貼靠信號；若持續(xù)時間長則為輪緣貼靠信號，若持續(xù)時間短則不是輪緣貼靠信號。

進一步的是，在步驟S01中，通過對鋼軌聲音信號判斷是否為摩擦信號，以形成裂紋的慢擴展階段判定，從而在微觀裂紋成為宏觀裂紋之前形成預警。

進一步的是，若鋼軌聲音信號為凸峰和凹谷相互作用形成凹凸交錯的信號，交錯部分的凸峰會發(fā)出一系列彈性波的聲發(fā)射信號，則此鋼軌聲音信號為摩擦信號。

所述摩擦信號是由于當兩個表面接觸的金屬物體在發(fā)生相對滑動時，表面上的微凸峰和凹谷相互作用形成凹凸交錯的信號，交錯部分的凸峰會發(fā)生折斷或塑形變形從而發(fā)出一系列彈性波的聲發(fā)射信號。

進一步的是，步驟S02中，用db6小波對鋼軌聲音信號進行四層分解得到(4,0)、(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)和(4,15)共16個小波包重構信號分量，并得到時間t、頻率f及小波系數(shù)W。

進一步的是，步驟S05中，聲發(fā)射參數(shù)包括振鈴計數(shù)、事件計數(shù)、峰值和持續(xù)時間參數(shù)。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除的系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、采集控制器和監(jiān)控端；

所述聲發(fā)射傳感器，設置在鋼軌上獲取鋼軌聲音信號；

所述采集控制器，包括處理器和通訊電路，輸入接口連接聲發(fā)射傳感器，輸出接口連接監(jiān)控端，傳遞鋼軌聲音信號數(shù)據(jù)；

所述監(jiān)控端，進行信號處理與裂紋判斷。

進一步的是，所述監(jiān)控端包括依次連接的小波分解模塊、除干擾模塊、小波包重構模塊、聲發(fā)射參數(shù)分析模塊和裂紋判斷模塊；

小波分解模塊：用db6小波對鋼軌聲音信號進行分層分解，得到小波包重構信號分量，得到時間、頻率及小波系數(shù)；

除干擾模塊：通過計算頻帶能量比來排除小波包重構信號分量中撞擊帶來的高頻干擾；

小波包重構模塊：再將剩余的小波包重構信號分量的小波系數(shù)進行重構，得到重構信號；

聲發(fā)射參數(shù)分析模塊：對重構信號進行經(jīng)典的聲發(fā)射參數(shù)分析，獲得聲發(fā)射參數(shù)；

裂紋判斷模塊：通過對聲發(fā)射參數(shù)的相關圖和經(jīng)歷圖分析，判斷鋼軌是否有裂紋擴展。

采用本技術方案的有益效果：

本發(fā)明能夠有效去除聲發(fā)射信號中的噪聲干擾信號，能夠從干擾信號中分離出裂紋信號，并且分離精度高；不僅用于處理平穩(wěn)信號，還有對于非平穩(wěn)信號局部分析功能。

聲發(fā)射信號是由頻譜豐富的多組波組成，同時由于傳播途徑及換能器的原因，聲發(fā)射信號往往含有噪聲。利用小波變換把聲發(fā)射信號分解到不同的頻率通道，就可以在不同的頻帶上分析聲發(fā)射信號中的不同頻率成分的特征。

加入小波包變換，小波包變換可以對高頻部分提供更精細的分解，而且這種分解既無冗余，也無疏漏，所以對包含大量中、高頻信息的信號能夠進行更好的時頻局部化分析。

Db6小波變換具有較好的正則性，即該小波作為稀疏基所引入的光滑誤差不容易被察覺，使得信號重構過程比較光滑。Db6小波的特點是隨著階次的增大消失矩階數(shù)越大，其中消失矩越高光滑性就越好，頻域的局部化能力就越強，頻帶的劃分效果越好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除和裂紋判定方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中用db6小波對鋼軌聲音信號四層分解的示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中聲發(fā)射參數(shù)的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中振鈴計數(shù)的時間經(jīng)歷圖；

圖5為本發(fā)明的一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除的系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

在發(fā)明實施例中，參見圖1所示，本發(fā)明提出了一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除和裂紋判定方法，包括步驟：

S01：由聲發(fā)射傳感器采集鋼軌聲音信號，并將鋼軌聲音信號傳回至監(jiān)控端進行處理。

其中，步驟S01中，在采集過程中通過鋼軌聲音信號持續(xù)時間的長短判定，并排除鋼軌聲音信號中的輪緣貼靠信號。

在步驟S01，若鋼軌聲音信號為凸峰和凹谷相互作用形成凹凸交錯的信號，交錯部分的凸峰會發(fā)出一系列彈性波的聲發(fā)射信號，則此鋼軌聲音信號為摩擦信號。以形成裂紋的慢擴展階段判定，從而在微觀裂紋成為宏觀裂紋之前形成預警。

所述摩擦信號是由于當兩個表面接觸的金屬物體在發(fā)生相對滑動時，表面上的微凸峰和凹谷相互作用形成凹凸交錯的信號，交錯部分的凸峰會發(fā)生折斷或塑形變形從而發(fā)出一系列彈性波的聲發(fā)射信號。

S02：監(jiān)控端通過db6小波對鋼軌聲音信號進行分層分解，得到小波包，小波包包括重構信號分量和重構信號分量的時間、頻率及小波系數(shù)。

步驟S02中，如圖2所示，用db6小波對鋼軌聲音信號進行四層分解得到(4,0)、(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,5)、(4,6)、(4,7)、(4,8)、(4,9)、(4,10)、(4,11)、(4,12)、(4,13)、(4,14)和(4,15)共16個小波包重構信號分量，并得到時間t、頻率f及小波系數(shù)W。

S03：通過計算頻帶能量比的方法來排除小波包重構信號分量中撞擊帶來的高頻干擾。

由實驗室斷軌數(shù)據(jù)分析可得，信號主要集中在(4,1)-(4,10)這幾個小波包中；并通過計算頻帶能量比來排除部分撞擊帶來的高頻干擾；再將該小波系數(shù)進行重構，得到重構后的信號。

S04：再將剩余小波包重構信號分量的小波系數(shù)進行重構，得到重構信號。

小波系數(shù)進行重構：首先將(4，0)和(4,11)-(4,15)這幾個節(jié)點的系數(shù)置零，然后與(4,1)-(4,10)這些節(jié)點的系數(shù)一起進行還原，得到重構信號。

S05：對重構信號進行經(jīng)典的聲發(fā)射參數(shù)分析，獲得聲發(fā)射參數(shù)。

步驟S05中，聲發(fā)射參數(shù)包括振鈴計數(shù)、事件計數(shù)、峰值、能量和持續(xù)時間參數(shù)。

具體分析過程如下，如圖3所示：

振鈴：超過門檻并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的鋼軌聲音信號稱之為一個振鈴；

事件：產(chǎn)生鋼軌聲音信號的一次鋼軌材料的局部變化稱之為一個聲發(fā)射事件；

計數(shù)：越過門檻信號的振蕩次數(shù)；

開始時間：一個鋼軌聲音信號的波到達傳感器的時間,圖中表示為t1；

上升時間：鋼軌聲音信號第一次越過門檻至最大振幅所經(jīng)歷的時間間隔,Time_up＝t3-t1；

持續(xù)時間：鋼軌聲音信號第一次越過門檻至最終降至門檻所經(jīng)歷的時間間隔,Time_hold＝t2-t1；

峰值：信號波形的最大振幅值,圖中表示為Vmax；

能量：信號檢波包絡線下的面積，

S06：通過對聲發(fā)射參數(shù)相關圖和經(jīng)歷圖的分析，判斷鋼軌是否有裂紋擴展。

振鈴計數(shù)越多表示鋼軌裂紋擴展速度越快；事件計數(shù)越多表示鋼軌裂紋擴展速度越快；峰值越高表示鋼軌裂紋寬度越大；能量越高表示鋼軌裂紋寬度越大；持續(xù)時間越久表示鋼軌裂紋擴展速度越快。

如圖4所示，振鈴計數(shù)的時間經(jīng)歷圖可以看出，開始裂紋緩慢微小擴展，既而迅速發(fā)展；因此聲發(fā)射可提供缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，因而適用于工業(yè)過程在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預報。

為配合本發(fā)明方法的實現(xiàn)，基于相同的發(fā)明構思，如圖5所示，本發(fā)明還提供了一種鋼軌裂紋在線監(jiān)測噪聲濾除的系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、采集控制器和監(jiān)控端；

所述聲發(fā)射傳感器，設置在鋼軌上獲取鋼軌聲音信號；

所述采集控制器，包括處理器和通訊電路，輸入接口連接聲發(fā)射傳感器，輸出接口連接監(jiān)控端，傳遞鋼軌聲音信號數(shù)據(jù)；

所述監(jiān)控端，進行信號處理與裂紋判斷。

其中，所述監(jiān)控端包括依次連接的小波分解模塊、除干擾模塊、小波包重構模塊、聲發(fā)射參數(shù)分析模塊和裂紋判斷模塊；

小波分解模塊：用db6小波對鋼軌聲音信號進行分層分解，得到小波包重構信號分量，得到時間、頻率及小波系數(shù)；

除干擾模塊：通過計算頻帶能量比來排除小波包重構信號分量中撞擊帶來的高頻干擾；

小波包重構模塊：再將剩余的小波包重構信號分量的小波系數(shù)進行重構，得到重構信號；

聲發(fā)射參數(shù)分析模塊：對重構信號進行經(jīng)典的聲發(fā)射參數(shù)分析，獲得聲發(fā)射參數(shù)；

裂紋判斷模塊：通過對聲發(fā)射參數(shù)的相關圖和經(jīng)歷圖分析，判斷鋼軌是否有裂紋擴展。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。