CN110108467A - 基于便携式移动设备的主动发声测速方法 - Google Patents

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Abstract

基于便携式移动设备的主动发声测速方法，将移动设备的发声单元对准被测试轴后，通过发声单元发出设定频率的声音，同时麦克风记录接收到的声音信号。使用有限脉冲响应滤波器对原始信号进行带通滤波，然后通过希尔伯特变换得到信号的包络，再利用快速傅里叶变换得到包络信号的频谱。最后通过谐波乘积谱法在频域累积包络信号中各阶谐波的能量，搜索谐波乘积谱中的最大幅值对应频率，准确确定转速对应的基频分量。本发明方法利用便携式移动设备的发声单元、麦克风硬件以及计算显示能力，无须额外的专用测试硬件，通过包络解调和谐波乘积谱的信号处理方法，对轴的瞬时转速进行准确估计，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。

Description

基于便携式移动设备的主动发声测速方法
技术领域
本发明涉及机械旋转轴的转速测量技术和信号处理技术领域，特别涉及基于便携式移动设备的主动发声测速方法。
背景技术
机械系统中轴的瞬时转速是反映机械设备运行状态的重要参数，同时也是变转速工况下进行机械故障诊断的必要信息，机械系统中轴瞬时转速的准确获取对机械设备的健康状况监测与故障诊断具有重要意义。
轴的转速测量一般通过专门的测速硬件实现，如：编码器、光电测速传感器，把这些硬件安装在靠近旋转部件或与部件直接耦合的位置，再把所测信号转换成角位移或者转速显示，但采用硬件测速方法的测试成本高，还存在无法安装测速装置的现场情况，给测速技术的普及应用带来了困难。
专利申请号为201810414579.4的专利提出从安装在机械设备表面的振动信号还原轴的瞬时转速信息，进而用于阶次跟踪和故障特征提取。但由于机械振动信号结构十分复杂，从振动信号中获取瞬时转速信息涉及冗繁的信号处理过程，容易受到干扰振动分量的影响，存在鲁棒性不高的问题。此外，振动信号的获取也依赖专门的测试软硬件。
发明内容
本发明的目的在于使技术人员可以使用便携式移动设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑)，通过提出的发明方法对机械设备中轴的瞬时转速进行精确测量，而无须额外的专用测试硬件。利用便携式移动设备的发声单元、麦克风硬件以及计算显示能力，通过包络解调和谐波乘积谱的信号处理方法，对轴的瞬时转速进行准确估计，具有良好的鲁棒性和抗干扰能力。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于便携式移动设备的主动发声测速方法，包括以下步骤：
步骤一：将移动设备的发声单元对准被测试轴，通过发声单元发出设定频率的声音，同时麦克风记录接收到的声音信号，记为x(n)。
步骤二：构建有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器，对信号x(n)进行带通滤波，得到滤波信号y(n)。
FIR带通滤波器中心频率设置为发声频率，频带宽度设为被测轴极限转频的8倍。
步骤三：由滤波信号y(n)通过希尔伯特(Hilbert)变换得到信号y(n)的包络z0(n)，再作去均值处理和去趋势项处理得到z(n)。
利用希尔伯特变换得到信号的包络的原理是让原信号产生一个90°的相移动，从而与原信号构成一个解析信号，将解析信号的幅值作为原信号的包络。
去趋势项的作用是减少滤波信号中由于移动设备移动和外部测试环境引起的低频分量的干扰。
步骤四：对包络信号z(n)作快速傅里叶变换(FFT)，得到测速信号不同频率下对应的幅值，记为Zn(ejw)。
步骤五：通过谐波乘积谱法(Harmonic Product Spectrum，HPS)将Zn(ejw)中多阶谐波的能量进行累积，搜索谐波乘积谱中的最大幅值对应频率，即为被测轴转频f。
信号z(n)的谐波乘积谱定义为：其中，Zn(ejrw)是频谱 Zn(ejw)在频域压缩r倍的结果，使Zn(ejw)的r阶谐波峰值位置总与Zn(ejw)的基频频率对齐，从而累积各次谐波的能量。
本发明相比于现有技术，具有以下优势：
a)基于便携式移动设备的主动发声测速方法，相比传统硬件测速方法成本更低，具有便捷易用的优势。
b)本发明采用的主动发声方法相比基于振动信号的测速方法，检波信号信噪比高，信号处理过程无需先验知识，有利于实现瞬时转速的实时测量与显示。
c)本发明提出的方法能够克服声音信号中的倍频分量干扰与无关频率分量干扰，准确确定转速对应的基频分量，具有良好鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例试验示意图。
图2为本发明方法的流程图。
图3为本发明实施例的原始声音信号x(n)。
图4为本发明实施例的原始信号的频谱图。
图5为本发明方法构建的FIR带通滤波器的频率响应。
图6为本发明实施例的带通滤波后的信号y(n)。
图7为本发明实施例的带通滤波后信号的频谱图。
图8为本发明实施例的滤波信号的包络信号z(n)。
图9为本发明实施例的滤波信号的包络谱。
图10为本发明实施例的谐波乘积谱图Pn(ejw)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
以德帆(DEFAN)YS7124型号三相交流电动机与魅族15组成实施例试验台，电动机转轴与移动设备的相对位置、移动设备发出的载波信号频率和载波幅值在测试过程中保持不变，试验示意图如图1所示。
具体参数如下：1)电机转速为900RPM(15Hz)；2)移动设备为智能手机(魅族 15)；3)载波频率为5kHz；4)测速移动设备与转轴轴心距离为5cm；5)测试装备对声音信号进行高频采样和数据处理，采样过程的频率为44100Hz，采样时间为1.47s。
应用本发明对原始数据分析确定轴转速，如图2所示，基于便携式移动设备的主动发声测速方法，包括以下步骤：
步骤一：设置载波频率为5kHz，移动设备的发声单元对准被测试轴，距离5cm，麦克风记录接收到的声音信号记为x(n)。x(n)通过快速傅里叶(FFT)变换得到频谱，如图4 所示，在载波频率附近轴转速信息被掩盖，且整个频带上有许多杂波干扰，难以确定轴转速。
步骤二：构建有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器。FIR带通滤波器的中心频率设置为载频频率，带宽设为轴极限转频的8倍。本发明实施例中的FIR滤波器的频率响应特性如图5所示。信号x(n)滤波后的信号y(n)如图6所示。
步骤三：通过希尔伯特(Hilbert)变换得到信号y(n)的包络z0(n)，并作去均值处理和去趋势项处理得到z(n)。作为示例，由步骤二中的滤波信号y(n)得到的包络信号z(n)如图8所示。
利用希尔伯特变换得到信号的包络的原理是让原信号产生一个90°的相移动，从而与原信号构成一个解析信号，将解析信号的幅值作为原信号的包络。
去趋势项的作用是减少滤波信号中由于移动设备移动和外部测试环境引起的低频分量的干扰。
步骤四：对包络信号z(n)作快速傅里叶变换(FFT)，得到测速信号不同频率下对应的幅值，记为Zn(ejw)。实施例中，包络谱如图9所示，如果直接通过包络谱幅值极值对应频率来估计转频，将受到高阶谐波(30Hz和45Hz分量)和无关杂波(0.9Hz和48Hz分量) 的干扰，而产生错误的转频估计结果。
步骤五：利用谐波乘积谱法(Harmonic Product Spectrum，HPS)将Zn(ejw)中多个谐波的能量累积起来，再搜索谐波乘积谱中的最大幅值对应频率，即为被测轴转频f。实施例中，谐波乘积谱的频域压缩倍数r设为3，结果如图10所示，谱图中幅值最大位置准确对应了设电机实际转频(15Hz)，有效克服了倍频和杂波干扰的影响。
本发明提出的基于便携式移动设备的主动发声测速方法，克服了信号中转频的高阶谐波和其他杂波的干扰，可以对轴的转速进行准确估计，具有良好的鲁棒性。

Claims (1)

1.基于便携式移动设备的主动发声测速方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将移动设备的发声单元对准被测试轴，通过发声单元发出设定频率的声音，同时麦克风记录接收到的声音信号，记为x(n)。步骤二：构建有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器，对信号x(n)进行带通滤波，得到滤波信号y(n)。FIR带通滤波器中心频率设置为发声频率，频带宽度设为被测轴极限转频的8倍。步骤三：由滤波信号y(n)通过希尔伯特(Hilbert)变换得到信号y(n)的包络z0(n)，再作去均值处理和去趋势项处理得到z(n)。利用希尔伯特变换得到信号的包络的原理是让原信号产生一个90°的相移动，从而与原信号构成一个解析信号，将解析信号的幅值作为原信号的包络。去趋势项的作用是减少滤波信号中由于移动设备移动和外部测试环境引起的低频分量的干扰。步骤四：对包络信号z(n)作快速傅里叶变换(FFT)，得到测速信号不同频率下对应的幅值，记为Zn(ejw)。步骤五：通过谐波乘积谱法(Harmonic Product Spectrum，HPS)将Zn(ejw)中多阶谐波的能量进行累积，搜索谐波乘积谱中的最大幅值对应频率，即为被测轴转频f。信号z(n)的谐波乘积谱定义为：其中，Zn(ejrw)是频谱Zn(ejw)在频域压缩r倍的结果，使Zn(ejw)的r阶谐波峰值位置总与Zn(ejw)的基频频率对齐，从而累积各次谐波的能量。
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