[发明专利]基于阈值归一化短时功率谱密度的高速铁路钢轨波磨声学诊断方法

说明书

本发明公开了一种基于阈值归一化短时功率谱密度的高速铁路钢轨波磨声学诊断方法，属于高速铁路噪声、信号处理、故障诊断技术领域，其步骤如下：(1)将高速综合检测列车在某高速铁路运行一段时间，记录其运行速度；(2)归一化，得到归一化的短时功率谱；(3)根据列车运行时的转向架区域空气流场特性进行传声器位置优化，以降低气动噪声影响；(4)归一化功率处理。本发明的方法，在一段时间内的提取对应频率的特征参数需要将声信号截取成一段一段进行分析，同时对列车平稳运行下更长一段时间内的信号进行频域功率谱密度归一化，通过设定归一化阈值，对分段后的信号进行处理，提取目标参数。

技术领域

本发明涉及一种基于阈值归一化短时功率谱密度的高速铁路钢轨波磨声学诊断方法，属于高速铁路噪声、信号处理、故障诊断技术领域。

背景技术

高速铁路的运行环境趋于多样化和复杂化，车轮和钢轨的接触处是列车和轨道系统结合的关键部位，钢轨波磨作为轮轨损伤的重要一类问题，其机理和检测方式均被广大研究人员关注。

钢轨波磨是一种出现在钢轨表面的周期性波浪形不平顺曲线，对于高速铁路钢轨波磨形成和发展的基本机理，一般认为与车辆-轨道系统的动态响应相关，由初始损伤和系统振动相互耦合形成一个反馈循环，逐渐形成和演变成为钢轨的固定波长磨损。高速铁路钢轨波磨导致车辆-轨道系统的中高频振动响应产生的振动噪声直接影响着乘客的舒适度和铁路沿线居民的生活质量，同时恶化系统各部件运行状态，加剧钢轨表面的进一步损伤。因此，对于高速铁路钢轨波磨的初期检测是高速铁路运营中需要迫切解决的问题。

从声学角度进行钢轨的波磨诊断是一种非接触式的间接测量方法，其以列车运营状态下轮轨振动所产生的声信号作为反映轨道状态的重要信息来源，根据目标结构的声振发生机理和特征，对轨道波磨状态进行诊断，检测效率高，具有明显的早期预警和快速检测优势。高速铁路钢轨波磨初期往往幅值较小，列车在运行状态下所产生的声信号也不可避免的受到噪声的干扰，反映故障信息的脉冲信号很容易被淹没，同时由于钢轨波磨往往与高速铁路车辆-轨道耦合系统或轮轨系统部件的共振频率相关，故无波磨出现时声信号在波磨的特征频率往往也存在峰值频率，故运用常用的针对非稳态信号的时频分析技术，也难以在时频谱特征中准确的识别钢轨波磨特征。

声信号是以波的形式在空气中传播，当波的功率频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率，称为信号的功率谱密度(Power spectral density，PSD)。

另外，轮轨周期性短波不平顺激励起来的声信号往往以某个特定频率为主，出现时往往以对应频带的能量显著升高为主要特点，在高速列车运行的整个时间段内，由于钢轨短波不平顺往往只在高速铁路某些区段的几米到几千米之内出现(对应列车运行通过几十毫秒到几十秒的时间范围)，这种轮轨短波不平顺所激励起来的信号频率特征不是持续出现的，且随着车速等列车运行工况的变化，信号自身和特定频段的能量均在持续发生变化，从功率谱密度角度对列车运行几个小时内的数据进行频域处理，也无法直接得到可能出现能量突变的信号序列。

因此，提供一种基于阈值归一化短时功率谱密度的高速铁路钢轨波磨声学诊断方法，在一段时间内的提取对应频率的特征参数需要将声信号截取成一段一段(一般取几十毫秒)进行分析，以突显短时功率谱密度特性，同时对列车平稳运行下更长一段时间(根据列车运行工况(一般取几分钟到几十分钟))内的信号进行频域功率谱密度归一化，通过设定归一化阈值，对分段后的信号进行处理，提取目标参数，进一步提高铁路钢轨波磨声学诊断精度，而且能够在波磨发生早期进行诊断，可大幅减少静态监测钢轨波磨产生的费用，具有重要的经济价值和现实意义。

发明内容