一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108844741A(43)申请公布日2018.11.20(21)申请号201810727759.8(22)申请日2018.07.05(71)申请人安徽大学地址230601安徽省合肥市经济技术开发区九龙路111号(72)发明人刘方黄海东陈婧殷敏吴瑞祥顾康康刘永斌琚斌陆思良(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人杨学明顾炜(51)Int.Cl.G01M13/04(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图6页(54)发明名称一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法(57)摘要本发明提出一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法，该方法通过轨边安装的一种麦克风均匀矩形阵列获取列车行走过程中轮对轴承发出的声音信号，作为待检信号。由面阵中麦克风之间的几何关系，计算目标声源相对麦克风阵列中不同阵元信号相对于基准阵元信号的时延，然后加权滤波并重构时间序列，根据线性最小方差法获得最佳滤波器对原信号滤波，并将滤波后的信号插值重采样，对重采样后得到的信号做包络分析。本发明采用麦克风均匀矩形阵列滤波处理，与现有的单麦克风和线阵方案相比，具有测向精度高、设计简单、自适应强、噪声抑制效果好、诊断结果精度高等优点，特别适合在高速列车轮对轴承故障声学检测中。CN108844741ACN108844741A权利要求书1/1页1.一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、麦克风均匀矩形面阵参数设置麦克风矩形面阵竖直放置，在XOZ平面上采用共N＝M1×M2个阵元，其中，M1为X方向阵列，M2为Z方向阵列，X方向阵元间距为dx，Z方向阵元间距为dz；步骤2、阵元间距设定为满足远场模型，设面阵中每条均匀线性阵列之间的间距为D＝n*d，n为阵列间距个数，d为每条线阵中相邻阵元之间间距；声源最高频率对应的波长为λ，则需要声源到阵列中2心的距离远大于2D/λ，为避免波束扫描方向上出现柵瓣，阵元间距必须满足d＜λmin/2，其中，λmin对应于fmax，是信号频谱中最高频率分量对应的波长；步骤3、麦克风阵列信号的采集以及信号预处理，包括带通滤波T麦克风阵列采集到的信号X＝[x11,x12,…,x21,…,xmn]，其中，xmn表示为第m行第n列麦克风采集到的信号，对采集到的信号做带通滤波处理，将实验中低频噪声的信号滤掉；步骤4、计算目标声源相对麦克风阵列中不同阵元信号相对基准阵元信号的时延在远场条件下，声源可看做是以一组平面波入射到阵列面，轴承声源与Y轴夹角Θ为方位角，与Z轴夹角为俯仰角，则平面波到达第(m1，m2)号阵元和参考阵元(0，0)之间的时间延迟为：其中，m1＝0，1，...，M1-1；m2＝0，1，...，M2-1；步骤5、初始化滤波处理并计算目标声源到达麦克风阵列中心的时间当声源移动到阵列中心的时候，此时声压最强，信号幅值最大，在功率谱中，此时出现峰值，对滤波后的信号进行分帧处理，设定帧长和帧移，对信号做短时傅里叶变换，画出时频曲线，找到目标到达麦克风阵列中心的时间；步骤6、选取阵列接受目标声源较强的一部分，根据中心时间计算声源的发声时间和麦克风接受时间；步骤7、根据线性最小方差法获得最佳滤波器，由最佳滤波器对原信号加权滤波，并将滤波后的信号插值重采样；步骤8、对重采样后得到的信号做包络分析。2.根据权利要求1所述的一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，阵列安装在阵列架上且正对着轨边轴承并保持面阵的最底排与轴承在同一平面上，因为若阵列中心对准轴承，则声源到达阵列中心两边对称的阵元上，声压是一样的。3.根据权利要求1所述的一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法，其特征在于：所述步骤5中，对带通滤波后的信号做希尔伯特变换先恢复其相位信息得到X1，然后对X1做协方差分解并对其取其逆矩阵，采用线性最小方差算法计算滤波器参数，然后再对信号滤波。2CN108844741A说明书1/5页一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法技术领域[0001]本发明属于高速列车轴承故障诊断领域，尤其涉及一种基于麦克风均匀面阵滤波的高速列车轴承故障诊断方法。背景技术[0002]轮对轴承作为列车主要部件之一，其健康状态直接影响到列车安全运行以及乘客生命财产安全，所以对其健康状态的实时监测诊断、及时报警处理尤为重要。列车在高速运行时，各运动部件都会产生声学信号，并且所带来的陡畸变、强噪声、多声源的问题一直是道旁声学故障诊断的难点。在信号处理领域里，基于传统的单麦克风处理技术，需要一些先验条件，并且在处理由于声源相对运动产生频谱混叠和频偏的多普勒畸变现象时