基于聲全息的故障特征提取技術(shù)研究.pdf

1、基于振動(dòng)信號(hào)的故障診斷技術(shù)在某些場(chǎng)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，具有非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，可以部分地替代振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷的手段。利用噪聲信號(hào)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(hào)的特點(diǎn)，對(duì)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(shí)間、頻率的變化規(guī)律，但無(wú)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(hào)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷，本文開(kāi)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(cè)量聲壓，應(yīng)用復(fù)合聲全息技術(shù)可以方便快速地重構(gòu)出物體外部聲場(chǎng)，獲得包含聲源的個(gè)數(shù)、位置、強(qiáng)度等信息的全息圖。由于原始的聲全息圖不便于計(jì)算機(jī)直接處理，以機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下的聲壓級(jí)為基礎(chǔ)設(shè)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(shí)別出某個(gè)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?jī)?nèi)容如下。 首先簡(jiǎn)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(shí)別與聲全息技術(shù)的發(fā)展概況，對(duì)其中的近場(chǎng)聲全息方法、等效源方法，以及波束形成技術(shù)等進(jìn)行重點(diǎn)論述。針對(duì)應(yīng)用聲學(xué)特征提取技術(shù)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)別方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出需要解決的問(wèn)題，確立了本文的研究基礎(chǔ)。 然

4、后，對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)輻射的噪聲場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理和原因進(jìn)行分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)聲輻射進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，推導(dǎo)平面近場(chǎng)聲全息的基本公式，討論平面近場(chǎng)聲全息的空間波數(shù)域的濾波函數(shù)，對(duì)平面近場(chǎng)聲全息進(jìn)行數(shù)值離散，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證該算法在一定條件下可以對(duì)聲源比較精確地識(shí)別，同時(shí)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(duì)于高頻情形下大尺寸聲源，往往需要大量的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量工作和重構(gòu)計(jì)算都相當(dāng)耗時(shí)，測(cè)量成本非常高，不便于

5、實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。通過(guò)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)。 波疊加法是一種適合于全頻率域的聲場(chǎng)重構(gòu)算法。其原理是：通過(guò)在輻射體內(nèi)部布置一系列等效源，用等效源輻射的聲場(chǎng)來(lái)代替原物體輻射的聲場(chǎng)，并應(yīng)用配點(diǎn)法或最小二乘法來(lái)求解虛源源強(qiáng)，從而進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)。推導(dǎo)了波疊加積分公式和基于波疊加的聲場(chǎng)重構(gòu)原理，討論了解的非唯一性問(wèn)題，研究波疊加法離散化實(shí)現(xiàn)。由于波疊加法聲場(chǎng)重構(gòu)屬于聲學(xué)反問(wèn)題，存在不確定解，提出通過(guò)正則化處理來(lái)消除

6、離散非適定性問(wèn)題的影響，最后分析了影響波疊加法聲場(chǎng)重構(gòu)精度的若干因素，包括測(cè)量面、等效源面、重構(gòu)面、測(cè)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(dǎo)應(yīng)用波疊加法進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)。 針對(duì)近場(chǎng)聲全息要求測(cè)量距離近、測(cè)量陣列尺寸大、測(cè)點(diǎn)多等缺點(diǎn)，一定程度上無(wú)法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，提出一種基于波疊加和波束形成的復(fù)合聲全息技術(shù)。波疊加法可以準(zhǔn)確地進(jìn)行聲場(chǎng)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(jìn)行聲源定位，

7、然后在主要聲源處布置等效源，這樣就能準(zhǔn)確地重構(gòu)物體外部聲場(chǎng)。首先，研究了利用波束形成進(jìn)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(hào)處理原理，探討了陣列參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題；針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲大的缺點(diǎn)，通過(guò)去除對(duì)角線元素，改善了頻域波束形成算法的抗噪性能；還對(duì)實(shí)現(xiàn)中需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題分別進(jìn)行了討論；隨后，介紹了復(fù)合聲全息技術(shù)的原理。最后通過(guò)數(shù)值仿真，對(duì)該技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 常規(guī)的聲學(xué)特征提取技術(shù)主要基于聲發(fā)射、能

8、量法、頻譜分析、時(shí)頻分析等方法。這些方法可以給出故障特征隨時(shí)間、頻率的變化規(guī)律，但無(wú)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(hào)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷，需要一種更有效的故障特征提取技術(shù)。在簡(jiǎn)要回顧了聲學(xué)特征提取技術(shù)的發(fā)展之后，介紹了當(dāng)前常用的幾種聲學(xué)特征提取技術(shù)；隨后，開(kāi)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(gè)脈動(dòng)球的聲源模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明提取出的故障特征準(zhǔn)確地能夠反映輻射體聲場(chǎng)狀態(tài)變化，從而驗(yàn)證

9、了該技術(shù)的準(zhǔn)確性和有效性。 最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討復(fù)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(zhǔn)確性，為其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。介紹了振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件平臺(tái)，自行設(shè)計(jì)完成了全套傳聲器陣列與采集系統(tǒng)，敘述了實(shí)驗(yàn)原理。在此基礎(chǔ)上，在半消音室內(nèi)以電風(fēng)扇碰摩和小型電機(jī)等的輻射聲源為研究對(duì)象，進(jìn)行噪聲源識(shí)別與故障特征提取的實(shí)驗(yàn)研究，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從實(shí)驗(yàn)角度證明了上述方法的有效性。 對(duì)全文研