基于聲全息的故障特征提取技術(shù)研究.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，而機械噪聲蘊含著豐富的機器狀態(tài)信息，具有非接觸式測量的優(yōu)點，可以部分地替代振動信號作為故障診斷的手段。利用噪聲信號進行故障診斷的技術(shù)稱之為聲學診斷技術(shù)。為了實現(xiàn)聲學診斷技術(shù)，必須結(jié)合機器噪聲信號的特點，對聲學特征提取技術(shù)進行深入研究，使得提取的特征能更好地描述機械設備的運行狀態(tài)。常規(guī)的聲學特征提取技術(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

2、更有效地利用噪聲信號對機械設備進行故障診斷，本文開發(fā)了一種基于聲全息的故障特征提取技術(shù)。該技術(shù)采用由少量傳聲器組成的陣列測量聲壓，應用復合聲全息技術(shù)可以方便快速地重構(gòu)出物體外部聲場，獲得包含聲源的個數(shù)、位置、強度等信息的全息圖。由于原始的聲全息圖不便于計算機直接處理，以機器在正常運行狀態(tài)下的聲壓級為基礎設定幅值范圍，定義了差值圖元素和差值全息灰度圖。利用該差值全息灰度圖，可以識別出某個特定位置的聲源特征的變化信息，再結(jié)合特征頻率和處于該

3、位置的零部件的特征參數(shù)，從而判定出具體故障。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，概述設備故障診斷技術(shù)及聲學診斷技術(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，以及波束形成技術(shù)等進行重點論述。針對應用聲學特征提取技術(shù)對工業(yè)現(xiàn)場機械設備進行故障特征提取這一目標，詳細討論現(xiàn)有的各種噪聲源識別方法的優(yōu)缺點，在此基礎上提出需要解決的問題，確立了本文的研究基礎。 然

4、后，對機械設備振動輻射的噪聲場的產(chǎn)生機理和原因進行分析，并對結(jié)構(gòu)聲輻射進行數(shù)學描述，推導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行數(shù)值離散，通過數(shù)值仿真驗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和卷繞誤差的固有缺陷。為了避免這些缺點，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，測量工作和重構(gòu)計算都相當耗時，測量成本非常高，不便于

5、實際現(xiàn)場實施。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。 波疊加法是一種適合于全頻率域的聲場重構(gòu)算法。其原理是：通過在輻射體內(nèi)部布置一系列等效源，用等效源輻射的聲場來代替原物體輻射的聲場，并應用配點法或最小二乘法來求解虛源源強，從而進行聲場重構(gòu)。推導了波疊加積分公式和基于波疊加的聲場重構(gòu)原理，討論了解的非唯一性問題，研究波疊加法離散化實現(xiàn)。由于波疊加法聲場重構(gòu)屬于聲學反問題，存在不確定解，提出通過正則化處理來消除

6、離散非適定性問題的影響，最后分析了影響波疊加法聲場重構(gòu)精度的若干因素，包括測量面、等效源面、重構(gòu)面、測量誤差等。從而，找出提高重構(gòu)精度的規(guī)律，能更好地指導應用波疊加法進行聲場重構(gòu)。 針對近場聲全息要求測量距離近、測量陣列尺寸大、測點多等缺點，一定程度上無法在工業(yè)現(xiàn)場廣泛應用，提出一種基于波疊加和波束形成的復合聲全息技術(shù)。波疊加法可以準確地進行聲場重構(gòu)，但是其前提條件是要求知道在何處布置等效源。因此，提出采用波束形成進行聲源定位，

7、然后在主要聲源處布置等效源，這樣就能準確地重構(gòu)物體外部聲場。首先，研究了利用波束形成進行聲源定位，建立了聲源模型，介紹了基于傳聲器陣列的信號處理原理，探討了陣列參數(shù)設計問題；針對工業(yè)現(xiàn)場背景噪聲大的缺點，通過去除對角線元素，改善了頻域波束形成算法的抗噪性能；還對實現(xiàn)中需要考慮的幾個問題分別進行了討論；隨后，介紹了復合聲全息技術(shù)的原理。最后通過數(shù)值仿真，對該技術(shù)的有效性和準確性進行了驗證。 常規(guī)的聲學特征提取技術(shù)主要基于聲發(fā)射、能

8、量法、頻譜分析、時頻分析等方法。這些方法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。為了能更全面地利用噪聲信號對機械設備進行故障診斷，需要一種更有效的故障特征提取技術(shù)。在簡要回顧了聲學特征提取技術(shù)的發(fā)展之后，介紹了當前常用的幾種聲學特征提取技術(shù)；隨后，開發(fā)了一種基于聲全息的故障特征提取技術(shù)；最后，采用多個脈動球的聲源模型進行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明提取出的故障特征準確地能夠反映輻射體聲場狀態(tài)變化，從而驗證

9、了該技術(shù)的準確性和有效性。 最后進行實驗研究，探討復合聲全息技術(shù)，以及基于此的故障提取技術(shù)的可行性和準確性，為其在工業(yè)現(xiàn)場的應用打下基礎。介紹了振動實驗室現(xiàn)有的硬件平臺，自行設計完成了全套傳聲器陣列與采集系統(tǒng)，敘述了實驗原理。在此基礎上，在半消音室內(nèi)以電風扇碰摩和小型電機等的輻射聲源為研究對象，進行噪聲源識別與故障特征提取的實驗研究，完成了實驗數(shù)據(jù)采集，最后對實驗結(jié)果進行分析，從實驗角度證明了上述方法的有效性。 對全文研