CN105241544B - 基于近场声阵列的转子噪声源识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,在转子匀速转动阶段,采集转子的声压信号,记录转子位置和声传感器位置,将传统的波束成形结果作为已知条件,利用声源成像反卷积法从中提取需要的声场信息,即该信号的频谱特性、声压级大小、位置等,从而对声源面进行重构,最终找出噪声源位置。本发明采用声压传感器构建近场声阵列来识别噪声源,不受空间限制,可以同时识别多个噪声源和设备内部的噪声源。
Description
技术领域
本发明属于机电诊断领域,特别涉及了一种转子噪声源识别方法。
背景技术
转子的应用十分普遍和广泛,能在各种大小的电机和发动机中作为旋转部件,在水利、运输、航空、发电站、家用电器、日用品等领域都发挥着重要作用。
许多机械设备本身或一部分是旋转式的,常因组装或轴承的缺陷而产生异常的振动,进而产生噪音,已经成为噪声污染的主要来源。为防治噪声污染,保障城乡居民生活工作和学习的声环境质量,国家环境保护部发布了《工业企业厂界环境噪声排放标准》,并于2008年10月1日开始实施。降低生产设备的噪音已经得到了工业、交通运输业等诸多行业的重视,而对噪声源的准确识别是降低设备噪声的关键。
目前,对于转子的研究,多集中于通过对转子系统的动力学分析和振动特性分析,从而确定和识别转子主要振动位置,而利用噪声源识别并确定转子振动位置非常少见。利用振动特性分析振动位置,即利用位移,加速度等传感器测量振动信号对测点要求较高,利用激光传感器则要求被测物体结构较为简单,但对内部振动源测量较为困难。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题,本发明旨在提供基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,采用声压传感器构建近场声阵列来识别噪声源,不受空间限制,可以同时识别多个噪声源和设备内部的噪声源。
为了实现上述技术目的,本发明的技术方案为:
基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)选择识别转子噪声源的近场声阵列的拓扑结构;
(2)将声压传感器采集的信号pm(t)和pm'(t)通过快速傅立叶变换,并经过K个时间段的平均化,得到相对应的互谱矩阵元素Gmm':
并由Gmm'组成互谱矩阵
上式中,下标m和m'表示任意两个声压传感器,ωs为时间窗常数,T为傅里叶变换的时间长度,KT表示总时间,*号表示复数共轭,m0为近场声阵列中生涯传感器总数;
(3)构建导向因子em:
并由导向因子em构成导向因子向量
上式中,am为对流折射修正因子,f为声源频率;c为常温下空气中声信号传播的速度,r0为声源到近场声阵列中心的距离,rm为声源到第m个声压传感器的距离;
(4)根据互谱矩阵和导向因子向量求出中间声源点信号
(5)通过导向因子em,把最终声源点信号转化为虚拟声压传感器信号pm:n:
上式中,下标m:n表示第m个声压传感器、第n个最终声源点,Qn表示第n个最终声源点的声压信号的平方,n=1,2,…,N,N为最终声源点总数;
(6)任意两个虚拟声压传感器信号乘积为:
令将式(7)代入式(2)中,得,
(7)根据和求出修正后的中间声源点信号
(9)根据声源点的空间坐标和步骤(8)中得到的声压值Xn进行声源面重构,从而识别出噪声源位置。
进一步地,近场声阵列的拓扑结构为均匀线性拓扑结构。
进一步地,当处于静态测量时,对流折射修正因子am≈1。
进一步地,在步骤(8)中,若是奇异矩阵,则利用改进的高斯迭代法计算出Xn:
上式中,Yn即为Ann'为中第n行第n'列元素。
进一步地,声源到第m个声压传感器的距离其中,dm为第m个声压传感器到近场声阵列中心的距离,θ0为声源入射角。
采用上述技术方案带来的有益效果:
(1)本发明传感器布置在近场范围,考虑了声源的衰减,且传感器布置方式可以根据实际情况进行调整(线性、弧形、L型等);
(2)本发明可利用转子运行过程中测量得到的噪声源信号进行声场重构,从而识别出噪声源位置。
(3)本发明属于非接触式测量,测量过程中不会对被测目标产生附加质量或附加刚度的影响,不会对精密仪器的表面精密度产生影响。
附图说明
图1是本发明的近场声阵列结构示意图;
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
将声压传感器布置在声源的近场范围,即信号源到声压传感器的距离r满足经验公式(11),此时考虑信号源到声阵列的阵元的幅值衰减,即需要用近场波前模型代替平面波模型来描述声波的传播,模型结构如图1所示:
式中:L为阵列长度,λ为声波波长。
根据图1,运用几何关系可以得到
上式中,r0为声源和近场声阵列中心的距离,rm为声源到第m个声压传感器的距离,d为两个相邻阵元的间距,dm为第m个声压传感器与阵列中心的距离,θ0为声源入射角,m0为声压传感器总数。
r0、rm是所要定位声源的距离参数,通过这两个参数可以得到声源位置。
如图2所示本发明的流程图,包括以下步骤:
(1)选择识别转子噪声源的近场声阵列的拓扑结构。根据实际情况采用线性、弧形或L型拓扑结构。本文采用均匀线性拓扑结构对转子噪声源识别系统进行描述。
(2)将声压传感器采集的信号pm(t)和pm'(t)通过快速傅立叶变换,并经过K个时间段的平均化,得到相对应的互谱矩阵元素Gmm':
并由Gmm'组成互谱矩阵
上式中,下标m和m'表示任意两个声压传感器,ωs为时间窗常数,T为傅里叶变换的时间长度,KT表示总时间,*号表示复数共轭,m0为近场声阵列中生涯传感器总数。
(3)构建导向因子em:
并由导向因子em构成导向因子向量
上式中,am为对流折射修正因子,当处于静态测量时,am≈1;f为声源频率;c为常温下空气中声信号传播的速度,r0为声源到近场声阵列中心的距离,rm为声源到第m个声压传感器的距离。
(4)根据互谱矩阵和导向因子向量求出中间声源点信号
(5)通过导向因子em,把最终声源点信号转化为虚拟声压传感器信号pm:n:
上式中,下标m:n表示第m个声压传感器、第n个最终声源点,Qn表示第n个最终声源点的声压信号的平方,n=1,2,…,N,N为最终声源点总数。
(6)任意两个虚拟声压传感器信号乘积为:
令将式(7)代入式(2)中,得,
(7)根据和求出修正后的中间声源点信号
(8)令求出Xn。如果非奇异,Xn可以直接求逆得到,即如果奇异,则需要利用改进的高斯迭代法进行计算:
(9)根据声源点的空间坐标和步骤(8)中得到的声压值Xn进行声源面重构,从而识别出噪声源位置。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)选择识别转子噪声源的近场声阵列的拓扑结构;
(2)将声压传感器采集的信号pm(t)和pm'(t)通过快速傅立叶变换,并经过K个时间段的平均化,得到相应的互谱矩阵元素Gmm':
并由Gmm'组成互谱矩阵
上式中,下标m和m'表示任意两个声压传感器,ωs为时间窗常数,T为傅里叶变换的时间长度,KT表示总时间,*号表示复数共轭,m0为近场声阵列中生涯传感器总数;
(3)构建导向因子em:
并由导向因子em构成导向因子向量
上式中,am为对流折射修正因子,f为声源频率;c为常温下空气中声信号传播的速度,r0为声源到近场声阵列中心的距离,rm为声源到第m个声压传感器的距离;
(4)根据互谱矩阵和导向因子向量求出中间声源点信号
(5)通过导向因子em,把最终声源点信号转化为虚拟声压传感器信号pm:n:
上式中,下标m:n表示第m个声压传感器、第n个最终声源点,Qn表示第n个最终声源点的声压信号的平方,n=1,2,…,N,N为最终声源点总数;
(6)任意两个虚拟声压传感器信号乘积为:
令将式(7)代入式(2)中,得,
并求出
(7)根据和求出修正后的中间声源点信号
上式中,下标n'和n和分别表示中间声源点和最终声源点,且是N阶方阵;
(8)令求出Xn;
(9)根据声源点的空间坐标和步骤(8)中得到的声压值Xn进行声源面重构,从而识别出噪声源位置。
2.根据权利要求1所述基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于:近场声阵列的拓扑结构为均匀线性拓扑结构。
3.根据权利要求1所述基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于:当处于静态测量时,对流折射修正因子am≈1。
4.根据权利要求1所述基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于:在步骤(8)中,若是奇异矩阵,则利用改进的高斯迭代法计算出Xn:
上式中,Yn即为Ann'为中第n行第n'列元素。
5.根据权利要求1所述基于近场声阵列的转子噪声源识别方法,其特征在于:声源到第m个声压传感器的距离其中,dm为第m个声压传感器到近场声阵列中心的距离,θ0为声源入射角。
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