基于局部近場聲全息的機(jī)械噪聲源特征提取技術(shù).pdf

1、基于振動信號的故障診斷技術(shù)在某些場合下存在著局限性,而機(jī)械噪聲蘊(yùn)含著豐富的機(jī)器狀態(tài)信息。利用噪聲信號進(jìn)行故障診斷的技術(shù)稱之為聲學(xué)診斷技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)聲學(xué)診斷技術(shù),必須結(jié)合機(jī)器噪聲信號的特點(diǎn),對聲學(xué)特征提取技術(shù)進(jìn)行深入研究,使得提取的特征能更好地描述機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。常規(guī)的聲學(xué)特征提取技術(shù)可以給出故障特征隨時間、頻率的變化規(guī)律,但無法揭示故障特征隨聲源位置的變化信息。為了能更有效地利用噪聲信號對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷,本文研發(fā)了基于局部近場

2、聲全息的機(jī)械噪聲源特征提取技術(shù)。該技術(shù)采用由少量傳聲器組成的陣列測量聲壓,應(yīng)用聯(lián)合局部近場聲全息快速地重構(gòu)出物體外部聲場。進(jìn)而獲得包含聲源的個數(shù)、位置、強(qiáng)度等信息的全息圖。通過比較故障與正常狀態(tài)下的全息圖,可以識別出某個特定位置的聲源特征的變化,再結(jié)合特征頻率和處于該位置的零部件的特征參數(shù),從而判定出具體故障。該技術(shù)的特點(diǎn)是:適合于中低頻聲場的局部重建；對“可視范圍”以外的聲源具有較低的靈敏度;計(jì)算快速,可以實(shí)現(xiàn)聲場的實(shí)時映射等；可以在

3、測量數(shù)據(jù)有缺失的情況下重建聲場。本文具體研究內(nèi)容如下。
　　 首先簡要介紹故障診斷的研究背景,概述設(shè)備故障診斷技術(shù)及聲學(xué)診斷技術(shù)的發(fā)展概況,回顧總結(jié)了噪聲源識別與聲全息技術(shù)的發(fā)展概況,對其中的近場聲全息方法、等效源方法以及改進(jìn)統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場聲全息進(jìn)行重點(diǎn)論述。針對應(yīng)用聲學(xué)特征提取技術(shù)對工業(yè)現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障特征提取這一目標(biāo),詳細(xì)討論現(xiàn)有的各種噪聲源識別方法的優(yōu)缺點(diǎn),在此基礎(chǔ)上提出需要解決的問題,確立了本文的研究基礎(chǔ)。
　　

4、 然后,對機(jī)械設(shè)備振動輻射的噪聲場的產(chǎn)生機(jī)理和因?yàn)檫M(jìn)行分析,并對結(jié)構(gòu)聲輻射進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,推導(dǎo)平面近場聲全息的基本公式,討論平面近場聲全息的空間波數(shù)域的濾波函數(shù),對平面近場聲全息進(jìn)行數(shù)值離散,通過數(shù)值仿真驗(yàn)證該算法在一定條件下可以對聲源比較精確地識別,同時也指出它存在窗效應(yīng)和卷繞誤差的固有缺陷。為了避免這些缺點(diǎn),全息面必須大于聲源面尺寸的兩倍,這對于高頻情形下大尺寸聲源,往往需要大量的測點(diǎn),測量工作和重構(gòu)計(jì)算都相當(dāng)耗時,測量成本非常高,

5、不便于實(shí)際現(xiàn)場實(shí)施。通過理論分析,奠定全文基于聲全息的故障特征提取技術(shù)的基礎(chǔ)。
　　 詳細(xì)地介紹局部近場聲全息的原理,推導(dǎo)聲場重建公式；改進(jìn)了統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場聲全息,并討論了重建過程中的各種影響因素；針對聲場指向性不強(qiáng)的聲輻射體,提出了基于雙全息面測量的聲源定位技術(shù)；為解決傳統(tǒng)波疊加方法中等效源配置的不確定性問題,提出了聯(lián)合局部近場聲全息方法。該方法在不知道任何聲源位置信息的情況下,仍然可以精確重建局部聲場。得出如下結(jié)論:1)近場聲

6、全息要求測量網(wǎng)格必須規(guī)則布置,但在實(shí)際應(yīng)用過程中這一要求很難滿足。聯(lián)合局部近場聲全息克服了這一缺點(diǎn),它不受測量網(wǎng)格的限制,網(wǎng)格可以隨意布置；2)聯(lián)合局部近場聲全息可以用于重建局部聲場。該方法允許測量面小于源面,可以簡化測量過程,降低實(shí)驗(yàn)成本。聯(lián)合局部近場聲全息的其他優(yōu)點(diǎn)包括:對“可視范圍”以外的聲源具有較低的靈敏度；計(jì)算快速,可以實(shí)現(xiàn)聲場的實(shí)時映射等；可以在測量數(shù)據(jù)有缺失的情況下重建聲場；3)聲壓幅值誤差帶來的重建誤差要大于相位失配帶來

7、的重建誤差。在算法的實(shí)際應(yīng)用過程中,應(yīng)該將主要精力放在校準(zhǔn)傳感器幅值上；4)改進(jìn)了空間波數(shù)域中波數(shù)矢量的選取方法。該方法在最大波數(shù)限定的空間波數(shù)平面上非均勻地選取各波數(shù)矢量,并且越靠近主分析波數(shù),選取的波數(shù)矢量越多。較之均勻選取波數(shù)矢量的方法,改進(jìn)方法可以在保證重建精度的前提下,提高統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場聲全息對聲場的重建效率。
　　 聯(lián)合局部聲場重構(gòu)屬于聲學(xué)反問題,詳細(xì)地介紹了聯(lián)合局部近場聲全息中的離散不適定性問題與各類正則化方法由于聯(lián)

8、合局部近場聲全息屬于聲學(xué)反問題,也常被稱為不適定性問題,即解非唯一或不連續(xù)依賴于測量數(shù)據(jù),小的測量誤差將帶來解的極大振蕩,在數(shù)值實(shí)現(xiàn)中稱為離散不適定性問題,提出通過正則化處理來消除離散不適定性問題的影響。首先通過奇異值分解,將傳遞矩陣表示成各奇異值分量對解的貢獻(xiàn)之和,然后通過正則化濾掉或抑制那些使解產(chǎn)生激烈振蕩的小奇異值。實(shí)現(xiàn)中可以通過尋求最優(yōu)正則化參數(shù),決定需要濾波的小奇異值。最后通過仿真研究了不同正則化方法重建效果。得出了一些有利于

9、聯(lián)合局部近場聲全息實(shí)際應(yīng)用的結(jié)論:1)聲場重構(gòu)問題為一反問題,不與正則化方法結(jié)合,聯(lián)合局部近場聲全息無法實(shí)現(xiàn)聲場的重建；2)正則化算子方面:利用截?cái)嗥娈愔捣纸夥ê蚑ikhonov正則化方法的聯(lián)合局部近場聲全息重建效果相當(dāng)；3)正則化參數(shù)選擇方面:與Tikhonov算子結(jié)合,Engl誤差極小化準(zhǔn)則最適合聯(lián)合局部近場聲全息。
　　 最后,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,探討聯(lián)合局部近場聲全息技術(shù),以及基于此的故障提取技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性。介紹了振動