[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

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。

主权项

1.一种基于麦克风均匀矩形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均匀矩形面阵竖直放置，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d，Z方向阵元间距为d；X方向为列车前进方向，Z方向为竖直方向；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；列车轴承声源最高频率f_max对应的波长为λ_min，则需要列车轴承声源到面阵中心的距离远大于2D²/λ_min，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；步骤3、麦克风均匀矩形面阵信号的采集以及信号预处理，包括带通滤波；麦克风均匀矩形面阵采集到的信号其中，表示为第M₁行第M₂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、计算列车轴承声源相对麦克风均匀矩形面阵中不同阵元信号相对参考阵元(0,0)信号的时延；在远场条件下，列车轴承声源可看做是以一组平面波入射到面阵面，列车轴承声源与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列车轴承声源到达麦克风均匀矩形面阵中心的时间；当列车轴承声源移动到面阵中心的时候，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，找到列车轴承声源到达麦克风均匀矩形面阵中心的时间；步骤6、选取面阵接受列车轴承声源较强的一部分，根据列车轴承声源到达麦克风均匀矩形面阵中心的时间计算列车轴承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，由最佳滤波器对麦克风均匀矩形面阵信号加权滤波，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。