基于局部近場(chǎng)聲全息的機(jī)械噪聲源特征提取技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)械振動(dòng)與噪聲信號(hào)中蘊(yùn)含著機(jī)器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，可用來(lái)進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。但基于振動(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)械噪聲信號(hào)同樣蘊(yùn)含著豐富的機(jī)器狀態(tài)信息，可以部分地替代振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷的手段，且具有非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)利用噪聲信號(hào)進(jìn)行機(jī)械故障診斷，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)。傳統(tǒng)基于噪聲信號(hào)的特征提取技術(shù)可以給出故障

2、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，本文提出一種基于局部近場(chǎng)聲全息的故障特征提取技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)由少量傳聲器組成的陣列測(cè)量聲場(chǎng)中的局部(或部分)聲學(xué)量，采用基于波疊加的數(shù)據(jù)外推或數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)可以重建出聲場(chǎng)中任意場(chǎng)點(diǎn)中的聲壓、聲速與聲強(qiáng)等聲學(xué)量，進(jìn)而獲得包含聲源個(gè)數(shù)、位置、強(qiáng)度等信息的全息圖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源識(shí)別與定位及聲場(chǎng)的預(yù)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)比較故障與正常狀

3、態(tài)下的全息圖，可以識(shí)別出某個(gè)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。為了避免基于傅立葉變換的平面近場(chǎng)聲全息要求全息面一側(cè)為自由聲場(chǎng)的局限性，提出了基于波疊加技術(shù)的單全息面空間聲場(chǎng)分離技術(shù)。當(dāng)全息面兩側(cè)均存在聲源時(shí)，該技術(shù)可以從全息面上混合的聲場(chǎng)信號(hào)中分離出各個(gè)噪聲源信號(hào)的聲學(xué)量，進(jìn)而利用分離出的聲學(xué)量采用聲場(chǎng)變換重建目標(biāo)聲源全息圖，進(jìn)行故障信號(hào)特征提取。本文具體研究?jī)?nèi)容如下。
　

4、　 首先簡(jiǎn)要介紹機(jī)械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)了聲源識(shí)別方法的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，詳細(xì)討論現(xiàn)有聲源識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障特征提取這一目標(biāo)，明確了需要解決的問(wèn)題，確立了本文的研究?jī)?nèi)容。
　　 然后，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)聲全息的基本公式及數(shù)值離散過(guò)程，討論平面近場(chǎng)聲全

5、息的空間波數(shù)域的濾波函數(shù)。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)也指出在聲場(chǎng)重建過(guò)程中存在窗效應(yīng)和卷繞誤差等固有缺陷。
　　 對(duì)波疊加方法的理論進(jìn)行深入研究。分析了波疊加方法的聲場(chǎng)重建過(guò)程中的相關(guān)理論和實(shí)現(xiàn)方法，包括波疊加積分公式和聲場(chǎng)重建原理；討論了解的非唯一性問(wèn)題。聲場(chǎng)重建屬于聲學(xué)逆問(wèn)題，解存在不確定性，討論了波疊加積分公式離散化實(shí)現(xiàn)中存在的非適定性問(wèn)題和正則化方法。通過(guò)數(shù)值仿真討論了重建過(guò)程中各種

6、因素對(duì)重建精度的影響，包括全息面、重建面、等效源面及測(cè)量誤差等，從而找出提高重建精度的規(guī)律?；诳臻g聲場(chǎng)變換的NAH要求全息面一側(cè)為自由聲場(chǎng)，這嚴(yán)重制約了全息技術(shù)的應(yīng)用范圍，不利于其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用，為了解決這一問(wèn)題，在全息面兩側(cè)均有聲源的情況下，采用單全息面上測(cè)量的聲壓和統(tǒng)計(jì)最優(yōu)近場(chǎng)聲全息，提出基于波疊加的空間聲場(chǎng)分離技術(shù)。通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)的正確性和可行性。采用聲場(chǎng)分離技術(shù)，可以對(duì)全息面兩側(cè)均有聲源的聲場(chǎng)進(jìn)行全息

7、研究，這對(duì)全息技術(shù)的推廣應(yīng)用具有促進(jìn)作用。
　　 基于空間傅立葉變換的近場(chǎng)聲全息技術(shù)在局部全息測(cè)量條件下，由于有限測(cè)量孔徑造成的窗效應(yīng)和卷繞誤差等因素的影響，重建結(jié)果存在較大的誤差，甚至嚴(yán)重失真。為了解決小全息孔徑條件下的聲場(chǎng)重建問(wèn)題，提出了基于波疊加法的數(shù)據(jù)外推技術(shù)。分析了該技術(shù)數(shù)據(jù)外推和聲場(chǎng)重建中的相關(guān)理論和實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)波疊加法中等效源配置的不確定性，數(shù)據(jù)外推過(guò)程中采用波束形成算法定位聲源位置，從而指導(dǎo)等效源的配置。通過(guò)數(shù)

8、值仿真證明了該技術(shù)的有效性、準(zhǔn)確性以及相對(duì)于傳統(tǒng)近場(chǎng)聲全息的優(yōu)越性。同時(shí)，由于基于空間聲場(chǎng)變換的近場(chǎng)聲全息技術(shù)分析的頻率范圍受到全息網(wǎng)格尺寸的限制，即低頻限和高頻限，這對(duì)于較高頻率聲源的重建需要密集的全息網(wǎng)格，使得測(cè)試成本很大。由此，提出基于波疊加的數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)，該技術(shù)在達(dá)到相同空間分辨率的前提下，顯著地減少了所需的全息測(cè)量點(diǎn)數(shù)，大大節(jié)約了測(cè)量工作量。最后，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)該算法進(jìn)行了準(zhǔn)確性和可行性研究，結(jié)果表明該技術(shù)具有較大的實(shí)用價(jià)值。

9、
　　 最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，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(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)以音箱和電機(jī)的噪聲源為研究對(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)果分析表明：該技術(shù)是可行的和準(zhǔn)確的，為其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
　　 對(duì)全文研究工作進(jìn)行總結(jié)，并概括論文的創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)就基于聲全息的故障