基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116013240A(43)申请公布日2023.04.25(21)申请号202310022486.8(22)申请日2023.01.07(71)申请人广西大学地址530004广西壮族自治区南宁市西乡塘区大学东路100号(72)发明人谢开仲覃悦陈荧王红伟王秋阳彭佳旺(74)专利代理机构广西南宁公平知识产权代理有限公司45104专利代理师蓝文苑(51)Int.Cl.G10K11/178(2006.01)G06F18/10(2023.01)权利要求书3页说明书10页附图7页(54)发明名称基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法(57)摘要本发明提供的基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法，先敲击并采集钢管混凝土构件的原始声音信号f(t)，对原始声音信号f(t)进行k次变分模态分解，得到k个固有模态分量uk，根据k个固有模态分量uk的中心频率ωk稳定性确定最佳变分模态分解个数；然后计算原始声音信号f(t)与最佳变分模态分解个数的各个固有模态分量uk的相关系数R，确定有用信号和噪音信号；最后对噪音信号采用数字滤波器进行低通滤波，得到滤波后的信号，再将滤波后的信号与有用信号进行重构，获得降噪后的信号。该降噪方法通过脱空钢管混凝土敲击试验表明，与VMD去噪和IIR低通滤波相比，所提出的算法能够更有效去除敲击扰动中噪声，降噪效果更优。CN116013240ACN116013240A权利要求书1/3页1.基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，敲击并采集钢管混凝土构件的原始声音信号f(t)，对原始声音信号f(t)进行k次变分模态分解，得到k个固有模态分量uk，根据k个固有模态分量uk中心频率ωk的稳定性确定最佳变分模态分解个数；步骤二，计算原始声音信号f(t)与步骤一确定的最佳变分模态分解个数的各个固有模态分量uk的相关系数R，确定有用信号和噪音信号；步骤三，对步骤二的噪音信号采用数字滤波器进行低通滤波，得到滤波后的信号，再将滤波后的信号与有用信号进行重构，获得降噪后的信号。2.根据权利要求1所述的基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法，其特征在于，所述钢管混凝土构件的制备方法，包括如下步骤：使用钢板将钢管一端封住，并朝下放置，未封住一端朝上，并从上部浇筑混凝土，混凝土浇筑高度低于钢管顶端100mm，再将钢管朝上的一端封住，将浇筑好的钢管混凝土倾斜放置30天以上。3.根据权利要求1所述的基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法，其特征在于，所述变分模态分解的构建变分问题的步骤如下：首先构造变分问题，假设原始声音信号f(t)被分解为k个固有模态分量，约束条件为所有固有模态分量k之和与原始声音信号f(t)相等，则变分约束表示为：式中：k为分解的模态个数；{uk}、{ωk}分别对应分解后第k个固有模态分量和中心频率；δ(t)为单位脉冲函数；*为卷积运算符；uk(t)为输入信号的模态函数；j表示虚数单位；表示对t求偏导数；s.t.表示约束条件；t表示第t时刻；e表示一个无理数，其值约为2.71828；求解式(1)并引入Lagrange乘法算子λ，将约束变分问题转变为非约束变分问题，得到增广Lagrange表达式为：式中：α为二次惩罚因子，主要用于降低高斯噪声的干扰；优化得到各固有模态分量uk和中心频率ωk，并搜寻增广Lagrange函数的鞍点，交替寻优迭代后的固有模态分量uk和固有模态分量的中心频率ωk的表达式如下：2CN116013240A权利要求书2/3页式中：γ为噪声容忍度，满足信号分解的保真度要求；n为迭代次数；f(ω)为输入信号；ω表示第ω时刻；ui(ω)和均为输入信号的模态函数；λ(ω)为拉格朗日乘子；和分别对应f(ω)、ui(ω)和λ(ω)的傅里叶变换形式；公式(5)为拉格朗日乘子λ(ω)的更新公式，用于更新λ(ω)；α表示二次惩罚因子；dω表示对ω求偏导；所述变分模态分解的求解步骤如下：S1：初始化和最大迭代次数N，n←0；S2：利用交替寻优迭代后的固有模态分量uk和固有模态分量的中心频率ωk的表达式更新uk和ωk；S3：利用公式(5)更新λ(ω)；S4：精度收敛判据ε＞0，若不满足且n＜N，则返回第二步，否则完成迭代，输出最终的uk和ωk；在得到uk之后，计算uk与原始声音信号的相关系数R，对于相关系数R低的uk设为有用信号，其余uk设为噪音信号。4.根据权利要求1所述的基于变分模态分解与数字滤波的钢管混凝土信号降噪方法，其特征在于，步骤二所述的相关系数R的计算公式如下：式中，f(t)为原始声音信号；f′(t)为降噪后信号；Cov(f(t),f′(t))为原始声音信号与降噪后信号的协