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现代信号处理方法及工程应用的研究
现代信号处理方法及工程应用的研究
班级:
研1102学号:
**********姓名:
赵鹏飞
摘要
本文首先介绍了时频发展的基本概念和比较成熟的时频分析方法一一短时Fourier分析。
然后给出了实际转子振动信号的时频分析。
其次,介绍了二进小波分析,并应用二进小波分析实现了对透平压缩机信号的监测分析,得到了压缩机原始信号在不同频率段分解的细节信号和逼近信号。
用小波分析和谱分析相结合的方法对某国产电机的噪声进行了分析,找出了人的听闭不阅的几个高谱峰位置,进行了空气动力噪声计算,通过与理论计算结果进行对比分析,进一步找出了产生该频闻谱峰的几个原因。
第三,介绍了谐波小波和分形的基本原理。
对车辆的一般振动信号和复杂振动信号进行了分形分析。
第四,对车辆传动系的振动信号进行了检测分析与故障诊断。
首先对汽车传动系进行了模态测试与分析,然后对汽车传动系各部分在垂直方向上的相对振动幅值进行了测试与分析。
根据上述测试分析并综合其它因素得出了结论。
关键词:
小波分析,分形,故障诊断,信号
第一章绪论
世界从本质上说是非线性的,线性是非线性的特殊情况:
以非线性为特征的非线性科学是一门跨学科的综合性基础科学,旨在揭示非线性系统的共同性质、基本特征和运动规律。
当前研究非线性科学的主要工具有Fourier变换(STFT)、小波分析(WaveletAnalysis)、分形理论、人工神经网络等。
1.1时频分析的发展及应用
Fourier分析方法的应用,使科学与技术研究领域发生了具大的变化,从而极大地推动了经济发展乃至社会变革,目前在信号处理与图象处理方面Fourier变换是不可缺少的分析工具。
在机械设备状态监测与诊断系统中,应用最广泛也是最成功的就是基于Fourier变换的各种分析方法:
许多在时域分析困难的问题,通过Fourier变换转换到频域即可一目了然,故障信号尤其如此。
但是用Fourier变换对信号处理后所得到的结果没有时间信息,这在信号不随时间改变时无疑是正确的,但当信号随时间不断变化时,这种频域中的结果就不能反映信号的实际情况了。
也就是说,基于Fourier变换的谱分析适用于时不变信号或叫做平稳信号。
另一方面,Fourier变换的结果反映信号在整个时域上的情况,对高频段的细化分析难以真正实现。
为解决以上问题,人们发展了Fourier分析方法并提出了许多新的分析手段和理论。
这主要表现在如下几个时频分析方法上。
1946年,D.Gabor对以往人们的时频分析方法进行了总结,给出了短时Fourier分析的全面解释[1],从而使时频分析得以实用化。
短时Fourier分析也叫加窗Fourier分析,其基本思想是用一个窗函数把分析时间局部化,其变换简写为STFT。
此后的研究得到很多科学家的重视,取得了许多研究成果:
具有代表性的有两个,一个是1987年到1989年Mallat提出的多尺度分析的思想和他建立的Mallat塔形算法仁[2]。
这一算法在小波分析中的地位可以与FFT在Fourier变换中的算法相当。
另一个是1988年Daubechies构造的具有有限支集的正交小波基[3]由此以及此后的补充、完善,基本形成了小波理论的框架体系。
1.2现代信号处理方法及工程应用的现状与选题意义
世界从本质上说是非线性的,线性是非线性的特殊情况。
以非线性为特征的非线性科学是一门跨学科的综合性基础科学,旨在揭示非线性系统的共同性质、基本特征和运动规律。
当前研究非线性科学的主要工具有Fourier变换(STFT)、小波分析(walletAnalysis)、分形理论、人工神经网络等。
本文的选题基于以下几个方面:
一方面,近年来,许多机电类工程设备被大量超载、超时使用,由于用户的原因,导致在短期内出现故障。
但由于我国的实际情况,这些故障却直接影明着企业的声誉与经济效益。
据此,许多企业在保证产品设计上优化的同时,进行超负荷可靠性运行试验和检测分析,以确保自己产品的超载可靠性、安全性,提高产品的竞争力,占领更多的市场。
另一方面,为提高国产机电设备的国际市场竞争力,许多民用设备对振动噪声问题提出了越来越高的标准,同时,工业民品,像载货汽车、电机等,也提出了降低噪声、提高超载运行可靠性、减少使用故障率的要求。
再者,随着中小企业的迅速发展,一些生产周期短,新型号的产品很快就制造出来。
例如,轻型农用车更新换代较快,但是许多生产企业在车辆的动力学性能方面没有进行完善的计算分析和试验验证,只是借鉴同类汽车的情况进行类比取得数据。
当不作条件发生变化时(例换装不同的发动机、路面状况不佳等),某些部件就会出现异常,特别是传动系出现故障,导致车辆不能正常工作。
这种情况在国产民用工业产品上时有发生,这极大地影响了此类企业的市场竞争力。
基于上述原因,本文在压缩机运行状态监控、电机降噪、车辆传动系故障问题上进行了一定的探讨。
第二章机械振动信号的时频分析
2.1时频分析的基本概念
在信号分析中,我们对信号的基本刻划,往往采取两种最基本的形式,即时域形式和频域形式。
把时间和空间作为自变量,而把信号的某一数字化特征作为因变量来描述信号是常用的方式。
此时,自变量所取范围我们统称为时域。
但是信号在固定时间或固定时间区域的孤立值本身没有多大意义。
因此,我们往往对信号作另一描述,即用它的Fourier变换来描述它的频率特性。
Fourier变换虽然能较好地刻划信号的频率特性,但几乎不能提供信号在时域上的任何信息、,这样我们就面临着这样一对矛盾:
时域与频域的局部化矛盾,即我们想得到信号在时域上足够精确的信息,就得不到信号在频域上的信息,反之亦然。
为解决这一矛盾,需要寻找一种能同时反映信号的时变特性和频变特性的新方法。
1946年Gabor首先总结提出了短时Fourier分析的方法,也叫窗口Fourier分析方法,开创了时频分析的新领域。
其后,ville又把wigner在研究量子力学理论时提出的时频分布理论[5]。
为了刻画某一瞬时的信号特征,Papoulis在1977年提出了瞬时频率的概念:
为解决这个问题,可以考虑采用一个曲面来描述信号的时间频率结构。
在数学上,这种做法相当于采用时间t和频率w作为变量构成的双变量函数。
相平面上的任何一个点都对应着时频表示T(t,w)的一个状态。
海森堡不准原理:
采样定理:
2.2模拟信号的STFT分析
首先,我们给出几个不同模拟信号的STFT分析结果,如图所示
该章所介绍的方法不管如何有效,都是建立在F。
盯ier变换的基础之上,所以都不能克服如前所述的Fourier变换的弱点。
下一章将讨论最近几年发展起来的优秀的时频分析方法—小波分析,并给出在振动信号分析监测中应用的若干研究结果[6]。
第三章二进小波分析方法及在机械信号分析中的应用
在前面一章中,我们介绍了短时Fourier变换,短时Fourier变换是为克服一般谱分析中时间域无限大的缺点,给信号加上一个时间窗,使信号集中在现在这个窗中。
但是,所加的窗在时间轴上移动时,其大小不变。
对于非平稳信号、高频信号、高分辨率机器视觉以及语言和图象数据压缩等,这种大小不变的窗显然不能满足要求了。
80年代发展起来的小波分析方法解决了这个问题,它可以使我们“即看到森林,又看到树木”,即可用不同的分辨率来观察信号的概貌或细节,这就是小波变换中多分辨分析的思想。
在旋转机械状态监测与故障诊断中,小波分析的主要应用是对信号进行分析。
利用多分辨分析,可以在不同的分辨率下分析异常信号的细部特征。
也就是说,可以对信号在感兴趣的时段与频段进行时频局部化分析,这被称为数学分析上的“放大镜”和“显示微镜”[35]。
另一方面,小波变换可以正交地、无冗余且无泄漏地将信号分解到不同尺度(即不同分辨率)下的不同频道内进行多分辨观察。
这就保证了信号在不同的时频局部域中的真实性,同时这也为信号的重构不失真提供了保证。
本章首先介绍工程应用中小波分析的一些基本概念,然后介绍了目前比较成熟的二进小波变换,并把它应用到透平压缩机信号检测和电机噪声分析与诊断上。
3.1小波与小波函数
给出一个基函数:
如果使采样间隔增加一倍,则在相同时间内的采样点数减少一半,这时信号可表示为:
此时,信号的数据量被压缩了一半。
而压缩后的信号之差可表达为
而基函数
是一个著名的小波函数—海尔(Harr)小波函数,如图所示:
3.2二进离散小波变换
在实际工程中,所采集的振动信号也是离散形式的实数域信号,所以为计
算分析的可实现性,往往要把上面提到的连续小波及其变换进行离散处理。
目前人们所采用的离散方法是进行二进制离散。
这种离散化后的小波和相应的小波变换,分别称为二进小波和二进小波变换。
例如,由著名的Shannon基小波生成的小波函数[7]
3.3谐波小波的基本概念
从工程实际的角度给出介绍了二进小波的理论方法,使小波理论的概念和方法与旋转机械的工程实际联系在一起。
应用二进小波变换实现了对透平压缩机信号的监测分析,得到了压缩机原始信号在不同频率段分解的细节信号和逼近信号。
用小波分析和谱分析相结合的方法对某国产电机的噪声进行了分析,找出了人的听闭不悦的几个高谱峰位置。
找出了产生该频阐谱峰的几个原因,提出了避免产生该频阐谱峰的改进措施[8]。
第四章结论与展望
4.1结论
第一,介绍了时频分析的几个基本概念,包括时频表示与相平面、窗函数、测不准原理与采样定理。
介绍了比较成功的时频分析方法—短时Founer分析。
给出了实际转子振动信号的时频分析。
从中可以得出结论:
短时F。
面er分析虽然方法相对简单,但却能充分体现出信号的时变谱特性。
第二,.从工程实际的角度给出介绍了二进小波的理论方法,使小波理论的概念和方法与旋转机械的工程实际联系在一起。
用二进小波分析技术对某风机厂的离心式高速压缩机在试车时的信号进行了二进小波分析,并在不同尺度下进行了分解,得到了压缩机原始信号在不同频率段分解的细节信号和逼近信号。
从压缩机不同频率段振动信号的瀑布分解图可以给出频率随时间变化的情况。
第三,针对国产电机听觉上感到噪声偏高的问题,选择某型号电机进行了噪声测试。
采用谱分析、小波分析等方法进行了分析,找出了人的听阐不悦的几个高谱峰位置。
进行了空气动力噪声计算分析。
通过与理论计算结果进行对比分析,进一步找出了产生频闭谱峰的几个原因,提出了避免产生该频阐谱峰的改进措施:
(l)改变风扇叶片数或平衡盘导流孔数,避免风扇叶片数与平衡盘导流孔数在高频段产生公倍数,风扇叶片数应保持为奇数为好。
(2)选择合适的定子和转子沟槽数。
(3)改变风扇叶片数或平衡盘导流孔数,使它们的公倍数难以与定、转子的槽数在高频段产生公倍数。
第四,对传动系三壳进行了运行状态的动态强度测试与分析。
综合考虑其它因素影响,得出如下结论:
(l)汽车传动系的固有频率较低,前5阶频率一般在130Hz以内,振动的主要影响是低频激励,包括发动机激励与路面激励。
在怠速时常常激起较大的振幅。
而在4档2400r加画n时也容易激起三壳易破裂处的较大振幅。
而其它转速情况下振幅较小。
(2)对应易破坏位置总能在前4阶振型中找到有节点在附近,说明三壳的破坏与振动的影响密切相关。
节点的交变载荷作用容易使铸铁件产生裂纹。
(3)三壳强度是产生裂纹的原因之一,尽管设计应力远远大于工作应力,但是,由于振动的存在,特别是在节点附近,在汽车运行中长期作用着交变应力,所以很快导致危险点处材料的疲劳,产生裂纹。
(4)三壳之间及飞轮壳与发动机之间是靠螺栓连接的,传递载荷是靠螺栓进行的,所以在螺栓作用点附近容易产生较大的应力,当振动节点在附近时,该点就很容易破坏了。
第五,对车辆一般振动信号和复杂振动信号进行了分形分析,主要完成了以下工作:
(l)对某吉普车的运行振动信号进行分析,分析结果表明,其信号相对比较复杂。
然后对该信号进行二进小波分解,发现第2层小波分解逼近信号的分维表示明显弯曲,出现两个分维数,信号具有两个复杂度成分。
信号内部有简单信号,也有复杂信号。
(2)对某汽车的离合器壳振动信号进行分形分析,发现其存在多个分维数,并且通过二进小波分解后,其分维数仍相当复杂。
只有进行谐波小波分解并且对频率峰值点附近信号进行提取再重构后,其分形维数才降下来,但仍有两个分维数。
4.2展望
小波分析从诞生到现在,虽然时间比较短,但己取得了巨大的发展,并在世界上产生了广泛的影响,诸如信号信息处理、图像处理、语音分割与合成、IcT、CT、雷达信号分析等众多研究领域都取得了很好的应用效果。
但专家预言小波分析的高潮还未真正到来,主要原因是:
(l)小波理论尚不完善,特别是各类小波的构造和基本性质。
(2)最优小波基的选取方法研究。
现在国内外己有一些最优基选取方法,但缺乏系统规范的最优小波基的选取方法研究,即针对不同的问题能最优地选择不同的小波基以实现最好的应用效果。
(3)小波分析的应用范围虽然很广,但一些有前景的应用领域尚未挖掘出来。
(4)非线性科学呼唤小波分析的加入,也许非线性小波分析是解决非线性科学问题的奇妙配方。
信号处理方法的研究,还有许多工作要做,为此,我们下一步将在如下几方面进一步开展工作:
l与他人合作研制一套信号采集与处理的软件系统。
2采用合适的小波技术,特别是高维小波技术对工程信号进行分析,并进行实用化研究。
3适合于非常见情况的工程设备的故障分析与诊断仪器的研究。
参考文献
[1]D.Gabor.TheoryofConunumeation.J.Inst.Elec.E.1964,93
[2]E.P.wigner.onthequantumcorrectionforthermo-DynamicEquilibrition.physicsReview,1989,315:
69一87
[3]张济忠.分形.清华大学出版社,1995.8
[4]美1崔锦泰著,程正兴译.小波分析导论.西安交通大学出版社,1995。
1
[5]陈永校等.电机噪声的分析与控制[M].浙江大学出版社,1988何正嘉,警艳阳等.大型机械设备变工况非平稳动态分析与监测诊断关键技术。
中国机械工程,1999:
10(9):
978一981
[6]高强,何正嘉.谐波小波及时频剖面图在旋转机械诊断中的应用。
西安交通大学学报。
2000,34(9):
21一26
[7]姜建东.机械测试信号的分形评估,西安:
西安交通大学博士学位论文,1997.10
[8]赵纪元,何正嘉等.小波包—自回归谱分析及在振动诊断中应用。
第四届全国机械设备故障诊断学术会议论文集。
杭州,中国振动工程学会,1994
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