[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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，很难诊断轴承故障频率，而且运算复杂，目标声源信息失真严重；线性阵列技术虽然不需要先验条件，而且运算简单，但是在背景噪声较强的时候，诊断精度较低，而且也不能获得较高精度的时变角度信息。

发明内容

针对以上技术存在的不足，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，采用面阵可以获得目标声源的方位角和俯仰角信息，以获得高精度的时变角度信息，另外采用线性最小方差滤波的方法，最大抑制噪声，对故障轴承声源产生多普勒畸变的校正具有很好的效果，故障频率诊断精度高，并且结构简单，运算方便。

本发明技术解决方案：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，实现步骤如下：

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。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；

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心的距离远大于2D²/λ，为避免波束扫描方向上出现柵瓣，阵元间距必须满足d＜λ_min/2，其中，λ_min对应于f_max，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

麦克风阵列采集到的信号X＝[x₁₁,x₁₂,…,x₂₁,…,x_mn]^T，其中，x_mn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: