CN105910803A - 一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，属于供输弹系统故障诊断技术领域，提供了一种利用声压信号分析确定供输弹系统故障，操作简单，可靠性高的基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，所采用的技术方案为按照以下步骤进行，在供输弹系统上布置三只声压传感器；采用多通道数据采集分析系统同步采集声压信号，采用多功能信号分析处理单元对声压信号进行预处理；给出时域特征值，再经短时离散傅里叶变换STFT，得到等时间间隔的一系列STFT频域图；采用三点相关定位法寻找故障发生位置，根据特征参量的变化规律和变异程度采用相对熵和能谱技术确定供输弹系统的故障严重程度；本发明广泛用于供输弹系统故障的诊断。

Description

一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，属于供输弹系统故障诊断技术领域。

背景技术

中大口径火炮供输弹系统是火炮武器系统的核心，其复杂的机械机构、高速的运动形式、精准的控制流程以及恶劣的工作环境，成为影响火炮武器系统作战效能发挥的主要因素。供输弹系统的运行可靠性直接关系着坦克、自行火炮等装备的射速、火力、生存能力、机动性和战机把握，部队实弹演练和实战中不时出现的卡壳反映出供输弹系统连续动作的不协调问题，长期困扰着军方和承研单位，需要高度重视并加以解决。

样机试验和实弹射击过程中，火炮供输弹系统常见的故障主要有：①供输弹机构高速运动撞击后产生振动导致交接弹过程不可靠；②残余振动导致机构不能快速反应与连续动作；③构件磨损卡滞或阻尼过大引起连续射击周期加大，与控制流程不协调。解决在研和现役供输弹系统故障导致系统失效的关键是需要进行供输弹系统早期故障诊断。如果在供输弹系统早期故障出现阶段，即故障萌芽即将出现、刚刚出现或者故障程度尚轻微时，能及时准确地予以辨识和预测，并据此指导保养和维修工作，就能及时采取措施，防止造成严重损失，提高供输弹系统运行的可靠性，延长其使用寿命。

火炮供输弹系统在实际运行中具有以下特点：1)机构高速运动和撞击产生强烈的振动和噪声；2)机构构件磨损卡滞、运动不畅引起的声信息常被炮口冲击波等强大声响所掩盖；3)多机构同时动作，产生的声信号相互耦合叠加；4)机构动作故障特征表现不确定，有一定模糊性；5)检测冲击振动的传感器测点不易确定和布置，故障信息难于获取；6)供输弹系统的高可靠性要求不能布置较多传感器。这些特点使得常用的故障诊断方法许多不适合火炮供输弹系统的故障诊断，它比常规的旋转机械故障诊断难度更大。为此提出本发明的基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法。

供输弹系统运行过程中，在产生冲击振动信号的同时，往往还会激发出声响信号(多表现为噪声信号)。当供输弹系统发生故障时，其噪声特征也会发生改变，因而，噪声信号中带有大量装备运动状态的信息。通过对声音信号进行分离及分析，可以了解装备运行状态，进行状态监测及故障诊断。最简单的是靠耳朵听声辨音，识别故障；经验丰富的汽车修理工可以根据发动机发出的声音辨别车辆发动机工作是否正常，甚至可以辨别出故障的部位；铁路行业中，熟练的师傅可以通过敲击列车轮毂辨别是否有故障，航海中，轮机师傅以及海军高级士官凭借丰富的经验通过听声可以准确的判断出是否有故障以及故障的部位。然而，这种主要依靠人耳听诊的方法具有很大的限制性，一般情况只有发生故障且故障较为明显的情况下才可分辨。听诊法主要适合于工作经验丰富且对被诊断结构非常了解的人，人为因素较大，不便于实际在线监测应用。

利用声音进行故障诊断成为近年来故障诊断领域新的发展方向。同时，利用供输弹系统的声学信号对其实施状态监测和故障诊断，具有振动故障诊断技术所不可比拟的某些优点。声学故障诊断技术具有如下特点：非接触式测量、测试设备简单、速度快、信号易于测取、易于发现早期故障、无须事先粘贴传感器、可对移动目标进行在线监测等，尤其可在不易测量振动信号的场合得到广泛的应用，避免了价格昂贵的耐高温耐高压振动采集设备，测试方便易行，对测试场所基本没有特殊要求；其次，有研究结果指出：噪声测试结果较表面振动对物理变化更为敏感，即使是极其微小的振声信号变化，也可从噪声信号中得到其特性。

供输弹系统故障诊断的目标在于判断其是否处于正常状况，若出现异常，分析故障产生的原因、部位以及严重程度，并预测发展的趋势；而声学故障诊断的目标在于判断装备辐射噪声是否超出阈值范围，若出现异常，分析探究故障声源激励大小和方式、声学负载、声学路径发生的变化，判断其故障程度。

声学故障诊断在军事工程、民用设备、交通运输、音乐厅设计、城市规划等有很广泛的应用前景。如：飞机火车汽车等交通工具、变压器等工业设施、空调等家电产品的主观感知和声学指标的客观测量，包括后续的故障分析和治理；特别地对潜艇、战斗机、坦克等国防设施的辐射噪声进行监测、维护以及部署。

现有的各种声学诊断法在试图提取故障特征并取得一定效果的基础上，均存在一个共同问题，即，这些方法一般把观测信号作为一个整 体处理没有考虑实际声场的复杂性与干扰源的多样性，当观测信号含有较强的干扰噪声时缺乏有效的去除干扰方法。因此，能量统计法与小波分析法等只能局限在特定场合下使用，当声场环境发生变化时提取出的故障特征不具备普遍性与可操作性，这是现有声学诊断法的重大缺陷，也是声学珍断有别于振动渗断的难点问题。

供输弹系统多使用于中大口径火炮系统，射速相对于高速自动机来说较低，结构复杂，易于信息化技术发展和嵌入在线监测技术应用。利用声学信息火炮供输弹系统运行的故障进行诊断的适用性如下：(1)从研制与原理、生产原材料来讲，自动供输弹系统结构复杂，高度集成，包括机械传动和机电控制系统，便于嵌入整个系统进行测试。自动供输弹系统构件较大，装配制造工艺容易出现缺陷，尤其是一部分铸件，进行在线监测可以提早发现问题。(2)从装备使用来讲，由于自动供输弹系统较为复杂，构件大，不易拆卸，故障部位不易观察，实行在线测试有重要意义。(3)从测试监测来讲，自动供输弹系统在运行时，便于测试声信号，而大型武器装备平台的信息化程度越来越高，嵌入式系统便于实时监测诊断，相比困难耗时的拆检成本要低得多，而且安全。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种利用声压信号分析确定供输弹系统故障，操作简单，可靠性高的基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为一种基于声压信息 处理的供输弹系统故障诊断方法，按照以下步骤进行，

a、分析供输弹机构产生噪声的部位、机理和循环规律，在供输弹系统上布置三只声压传感器；

b、采用多通道数据采集分析系统同步采集声压信号，并将声压信号记录，转换为数字式的时间序列，然后采用多功能信号分析处理单元对声压信号进行预处理；

d、以射击击发时刻为待分析声压信号的时间起点，给出时域特征值，该时域特征值包括各峰值、对应时刻、各个时间间隔和均方根值；再对信号做512点短时离散傅里叶变换STFT，获得等时间间隔的一系列STFT频域图；提取频域特征值，包括各峰值和对应频率；对比分析各射击工况的对应特征数据，进行统计学分类分析；

e、采用三点相关定位法寻找故障发生位置，根据特征参量的变化规律和变异程度采用相对熵和能谱技术确定供输弹系统的故障严重程度。

优选的，所述声压传感器选用转换放大集成式，直接输出达到伏特级的电压信号，信号的有效频率范围不低于10kHz。

优选的，所述三点相关定位法为已知空间A、B、C三点分别放置一个声压传感器，A坐标为(x₁,y₁,z₁)、B坐标为(x₂,y₂,z₂)、C坐标为(x₃,y₃,z₃)，P点(x,y,z,)为未知声源，利用互相关函数的性质可求得故障特征声压传播到A点与传播到B点的时间延迟τ_AB，

当R_AB(τ)取最大值时，此时的τ值就为所要的时间延迟τ_AB，同理 求得τ_AC，则有|PA-PB|＝ντ_AB，其中，ν为声音传播速度；

由A和B测点可知P点的轨迹为一个圆，同理，由A和C测点可得到另一个圆。这两个圆的交点P1和P2的位置，点P1和点P2为声源可能的位置，其方程组可列为：

实际应用时，将A、B、C点的坐标代入方程中即可求得点P1和点P2的位置，再根据实际供输弹系统的机构运动-时间循环图，确定出具体的声源位置是P1或P2。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明采用监测供输弹系统上的声压信号，对声压信号进行分析处理，给出时域图，在经过短时离散傅里叶变换STFT得到STFT频域图，最后通过三点相关定位法，确定故障点，通过上述方法能够更好的确定供输弹系统的故障，对故障进行早期诊断，提高供输弹系统的可靠性。

附图说明

图 1为本发明供输弹系统故障诊断方法的流程图。

图 2为本发明中声压传感器的布置位置示意图。

图 3为图 2的右视图。

图 4为本发明的时域图。

图 5为本发明的声压时域图与系列STFT频域图。

图 6为本发明三点相关定位法中的声源P的轨迹图。

图 7为本发明三点相关定位法中声源点P在三维空间的位置图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如 图 1所示，一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，按照以下步骤进行，a、分析供输弹机构产生噪声的部位、机理和循环规律，在供输弹系统上布置三只声压传感器，声压传感器选用转换放大集成式，直接输出达到伏特级的电压信号，信号的有效频率范围不低于10kHz；布置点要求尽可能避开炮口冲击波作用，测量主要机构撞击点和重摩擦部位产生的声信号，测点布置如附图 2、图 3所示，特别要求距离交接弹药位置要近一些，防止声压信号的过多衰减。

b、采用便携式或嵌入式多通道数据采集分析系统同步采集声压信号，并将声压信号记录，转换为数字式的时间序列，然后采用含有小波时频分析、独立分量分析和相关性分析算法多功能信号分析处理单元对声压信号进行预处理，消除基线漂移和剔除个别过载的异常点信号。

d、以射击击发时刻为待分析声压信号的时间起点，给出时域特征值，如图 4所示，该时域特征值包括各峰值、对应时刻、各个时间间隔和均方根值；再对信号做512点短时离散傅里叶变换STFT，获得等时间间隔的一系列STFT频域图，如图 5所示；提取频域特征值，包括各峰值和对应频率；对比分析各射击工况的对应特征数据，进行统计学分类分析；

e、采用三点相关定位法寻找故障发生位置，根据特征参量的变化规律和变异程度采用相对熵和能谱技术确定供输弹系统的故障严重程度。

其中，三点相关定位法具体为已知空间A、B、C三点分别放置一个声压传感器，A坐标为(x₁,y₁,z₁)、B坐标为(x₂,y₂,z₂)、C坐标为(x₃,y₃,z₃)，P点(x,y,z,)为未知声源。利用互相关函数的性质可求得故障特征声压传播到A点与传播到B点的时间延迟τ_AB。

当R_AB(τ)取最大值时，此时的τ值就为所要的时间延迟τ_AB，同理求得τ_AC，则有|PA-PB|＝ντ_AB，其中，ν为声音传播速度，

由A和B测点可知P点的轨迹为一个圆，如图 6所示，同理，由A和C测点可得到另一个圆，这两个圆的交点P1和P2的位置，如图 7所示，点P1和点P2为声源可能的位置。

其方程组可列为：

实际应用时，将A、B、C点的坐标代入方程中即可求得点P1和点P2的位置，再根据实际供输弹系统的机构运动-时间循环图，确定出具体的声源位置是P1或P2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (3)

1.一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，其特征在于：按照以下步骤进行，

a、分析供输弹机构产生噪声的部位、机理和循环规律，在供输弹系统上布置三只声压传感器；

b、采用多通道数据采集分析系统同步采集声压信号，并将声压信号记录，转换为数字式的时间序列，然后采用多功能信号分析处理单元对声压信号进行预处理；

d、以射击击发时刻为待分析声压信号的时间起点，给出时域特征值，该时域特征值包括各峰值、对应时刻、各个时间间隔和均方根值；再对信号做512点短时离散傅里叶变换STFT，获得等时间间隔的一系列STFT频域图；提取频域特征值，包括各峰值和对应频率；对比分析各射击工况的对应特征数据，进行统计学分类分析；

e、采用三点相关定位法寻找故障发生位置，根据特征参量的变化规律和变异程度采用相对熵和能谱技术确定供输弹系统的故障严重程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，其特征在于：所述声压传感器选用转换放大集成式，直接输出达到伏特级的电压信号，信号的有效频率范围不低于10kHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于声压信息处理的供输弹系统故障诊断方法，其特征在于：所述三点相关定位法为已知空间A、B、C三点分别放置一个声压传感器，A坐标为(x₁,y₁,z₁)、B坐标为(x₂,y₂,z₂)、C坐标为(x₃,y₃,z₃)，P点(x,y,z,)为未知声源,利用互相关函数的性质可求得故障特征声压传播到A点与传播到B点的时间延迟τ_AB，

$R_{AB}\left(\mathrm{\τ}\right)=E\[x_A\left(t\right)x_B(t-\mathrm{\τ})\]={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_A\left(t\right)x_B(t-\mathrm{\τ})dt$

当R_AB(τ)取最大值时，此时的τ值就为所要的时间延迟τ_AB,同理求得τ_AC,

则有|PA-PB|＝vτ_AB,其中，v为声音传播速度；

由A和B测点可知P点的轨迹为一个圆，同理，由A和C测点可得到另一个圆,这两个圆的交点P1和P2的位置，点P1和点P2为声源可能的位置,其方程组可列为：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2+{(z-z_2)}^2}={\mathrm{v\τ}}_{AB}\\ \sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2+{(z-z_1)}^2}-\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2+{(z-z_3)}^2}={\mathrm{v\τ}}_{AC}\end{array}\right.$

实际应用时，将A、B、C点的坐标代入方程中即可求得点P1和点P2的位置，再根据实际供输弹系统的机构运动-时间循环图，确定出具体的声源位置是P1或P2。