CN110263711A - 一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法 - Google Patents

一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，在机械设备测试领域，冲击信号时常包含了结构模态参数、性能参数等重要信息，但是由于结构复杂性与工业环境不确定性，实际采集到的冲击信号耦合在平稳调制信号和背景噪声信号中，加大了冲击特征提取难度。本发明针对冲击信号与平稳调制信号的耦合问题，提出一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，通过构造新的平方偏斜度指标代替传统谱峭度中的峭度指标。与传统谱峭度方法相比，本发明所提指标对耦合信号中的冲击特征更为敏感，可有效避免传统谱峭度中平稳调制信号对冲击信号的掩盖效应，所提改进谱峭度方法可更加精确定位耦合信号中的共振频带并准确提取冲击特征。

Description

一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法
技术领域
本发明涉及一种耦合信号冲击特征提取方法，特别涉及一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法。
背景技术
在工业领域范围内，冲击信号随处可见，例如振动模态试验的锤击响应、旋转机械设备局部故障振动信号、航空航天设备冲击试验等。但是由于机械设备结构的复杂性与现场工况的不确定性，实际采集的信号成分复杂，不仅仅包括分析所需的冲击信号，还含有强烈的工业背景噪声、旋转机械稳定运行的平稳调制信号等，各种信号互相耦合，导致冲击信号往往容易被淹没在复杂的干扰信号中，加大了冲击特征提取难度。消除耦合信号中干扰成分的影响，准确提取耦合信号中的冲击特征，方能有效达到分析需求。本发明主要针对旋转机械设备局部故障中的冲击信号与平稳调制信号耦合问题，通过克服平稳调制信号的影响，提高冲击特征信噪比。
现有耦合信号冲击特征提取方法往往忽略平稳调制信号的影响，多通过直接提取冲击特征或者先降噪再提取冲击特征的方式。常用的冲击信号提取技术包括最小熵解卷积(MED,Minimum Entropy Deconvolution)，最大相关峭度解卷积(MCKD,MaximumCorrelated Kurtosis Deconvolution)，小波包分析等。其中MED和MCKD算法类似，都是为了消除传递路径的影响，通过设定最大峭度和最大相关峭度为目标函数进行迭代计算。小波包分析主要利用其优良的时频局部化特性，根据不同尺度标准定位其冲击特征。除此之外，谱峭度作为提取冲击特征的经典方法也得到了广泛应用，通过谱峭度识别最佳共振频带，然后进行滤波和包络解调提取冲击特征。
可以发现，由于峭度指标对冲击信号的敏感性，因此很多冲击特征提取方法都将峭度指标作为冲击特征的衡量因素。但是对于平稳调制成分与冲击成分的耦合信号而言，当冲击信号能量微弱时，传统谱峭度方法定位共振带存在偏差现象，峭度指标对其中冲击信号的敏感性程度低，传统谱峭度与改进谱峭度方法算法流程对比如图1所示。
发明内容
本发明提供一种可有效避免平稳调制成分对定位最佳共振带的影响，实现冲击特征的准确提取的基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法；
本发明的技术方案为：
一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，其特征在于，该提取方法包括以下步骤：
(1)设定耦合信号采样频率Fs，设定信号点数为N，对原始信号xn(n＝1,2,3…N)作去均值预处理，得到Xn；
(2)利用改进谱峭度方法对预处理后的信号Xn求解谱平方偏斜度得到谱平方偏斜度分布图，通过谱平方偏斜度分布图得出最佳共振带BW和最佳中心频率fc；
(3)根据步骤(2)中所得到的最佳共振带BW和最佳中心频率fc设计带通滤波器，其滤波范围为并对耦合信号滤波得到Xfilter；
(4)对步骤(3)中所得到的带通滤波信号Xfilter作包络解调分析，得到其包络谱，从包络谱中识别与冲击频率相关的冲击特征。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：与传统谱峭度方法相比，提出一种新的平方偏斜度代替传统方法中的峭度，利用新的平方偏斜度衡量冲击信号的分布，并根据平方偏斜度的分布提取冲击特征；平方偏斜度对平稳调制成分敏感度较低，可有效避免传统谱峭度中平稳调制成分对定位最佳共振频带的影响，并准确提取耦合信号中的冲击特征。
附图说明
图1为传统谱峭度与改进谱峭度计算流程对比示意图，其中(a)为传统示意图，(b)为本申请改进后示意图。
图2为耦合信号时域波形示意图；
图3为耦合信号幅值谱示意图；
图4为传统谱峭度与改进谱峭度对比，其中(a)为传统示意图，(b)为本申请改进后示意图。
图5为传统谱峭度与改进谱峭度滤波信号时域波形对比，其中(a)为传统示意图，(b)为本申请改进后示意图。对应滤波频带分别由图4谱峭度中定位的最优频带确定。
图6为传统谱峭度与改进谱峭度滤波信号包络谱对比，其中(a)为传统示意图，(b)为本申请改进后示意图。
具体实施方式
下面结合附图、附表和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。
对照组
本实施例通过信号仿真阐述谱峭度方法提取冲击特征，其整体实施步骤流程图如图1中(a)所示，具体步骤如下：
1)设耦合信号为y，采样频率Fs为6000Hz，采样点数N为6000，其中耦合信号包括平稳调制成分ys和冲击成分yi和噪声yk，其表达式分别如下：
ys＝0.4×(1+cos(2πf1t))×(1-cos(2πf2t))×cos(2πfm1t+0.4sin(2πf1t)+π/5)+0.2×(1+cos(2πf1t+))×(1-cos(2πf2t))×cos(2π×2fm2t+0.4sin(2πf1t)+π/5)
式中：
f1——第一个调制频率；
f2——第二个调制频率；
fm1——一倍啮合频率；
fm2——二倍啮合频率。
式中：
ζ——阻尼系数；
Tn——冲击周期；
fn1——第一固有频率；
fn2——第二固有频率。
y＝ys+yi+yk
其中，其中白噪声幅值为0.25，均值为0，标准差为1，冲击信号信噪比为-10.2dB，其他具体仿真参数见表1。对耦合信号y作去均值预处理，得到预处理后的信号yp，其时域与频谱如图2和图3所示。
2)将预处理后的信号yp经过树状滤波器进行滤波得到滤波信号，滤波信号再进行包络谱分析得到包络信号，计算包络信号的峭度，得到谱峭度分布图，如图4中(a)所示；共振频带中心频率421.8Hz，带宽为93.75Hz，该频带为平稳调制信号一倍啮合频率附近所处频带，因此，耦合频带冲击成分受平稳调制信号影响；
3)根据步骤2)中传统谱峭度所计算的最佳中心频率和带宽分别设计带通滤波器，利用滤波器进行滤波得到y1，y1的时域图如图5中(a)所示。可以明显发现，传统谱峭度滤波信号时域波形以调制成分为主。
4)对步骤3)中传统谱峭度进行包络解调分析，其包络谱如图6中(a)所示，可以明显发现，传统谱峭度滤波信号中未有效抓取到冲击特征。
实施例1
本实施例通过信号仿真阐述谱峭度方法提取冲击特征，其整体实施步骤流程图如图1中(b)所示，具体步骤如下：
步骤1：设耦合信号为y，采样频率Fs为6000Hz，采样点数N为6000，其中耦合信号包括平稳调制成分ys和冲击成分yi和噪声yk，其表达式分别如下：
ys＝0.4×(1+cos(2πf1t))×(1-cos(2πf2t))×cos(2πfm1t+0.4sin(2πf1t)+π/5)+0.2×(1+cos(2πf1t+))×(1-cos(2πf2t))×cos(2π×2fm2t+0.4sin(2πf1t)+π/5)
式中：
f1——第一个调制频率；
f2——第二个调制频率；
fm1——一倍啮合频率；
fm2——二倍啮合频率。
式中：
ζ——阻尼系数；
Tn——冲击周期；
fn1——第一固有频率；
fn2——第二固有频率；
y＝ys+yi+yk
其中，其中白噪声幅值为0.25，均值为0，标准差为1，冲击信号信噪比为-10.2dB，其他具体仿真参数见表1。对耦合信号y作去均值预处理，得到预处理后的信号yp，其时域与频谱如图2和图3所示。
步骤2：将预处理后的信号yp经过树状滤波器进行滤波得到滤波信号，滤波信号再进行包络谱分析得到包络信号，计算包络信号的平方偏斜度，平方偏斜度的计算公式为其中，σ代表预处理后的信号标准差；得到平方偏斜度分布图，如图4中(b)所示，改进谱峭度定位的最佳共振带中心频率2531Hz，带宽187.5Hz，该频带对应瞬态冲击信号2500Hz固有频率所处频带，且冲击信号中以1500Hz固有频率为中心频率的第一个共振带在改进谱峭度中也能明显找到，改进谱峭度可克服平稳调制信号的干扰，具备准确识别瞬态冲击所激发的共振频带。
步骤3：根据步骤2中改进谱峭度所计算的最佳中心频率和带宽分别设计带通滤波器，利用滤波器进行滤波得到y2。其时域图如图5中(b)所示。可以明显发现，改进谱峭度滤波信号时域波形可以发现以0.1s为时间间隔的冲击。
步骤4：对步骤3中改进谱峭度所得的滤波信号分别进行包络解调分析，对比其包络谱如图6中(b)所示。可以明显发现，改进谱峭度精确定位共振带并有效抓取10Hz的冲击特征。
表1.仿真参数
由对照组和实施例1可知，传统谱峭度方法定位耦合频带冲击成分受平稳调制信号影响，而改进谱峭度可克服平稳调制信号的干扰，具备准确识别瞬态冲击所激发的共振频带。通过对传统谱峭度和改进谱峭度所得滤波信号分别进行包络解调分析，发现传统谱峭度滤波信号中未有效抓取到冲击特征，而改进谱峭度精确定位共振带并有效抓取10Hz的冲击特征。
本发明普遍适用于耦合信号中的冲击特征提取，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理前提下还可以作若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，其特征在于，该提取方法包括以下步骤：
(1)设定耦合信号采样频率Fs，设定信号点数为N，对原始信号xn(n＝1,2,3…N)作去均值预处理，得到Xn；
(2)利用改进谱峭度方法对预处理后的信号Xn求解谱平方偏斜度得到谱平方偏斜度分布图，通过谱平方偏斜度分布图得出最佳共振带BW和最佳中心频率fc；
(3)根据步骤(2)中所得到的最佳共振带BW和最佳中心频率fc设计带通滤波器，其滤波范围为并对耦合信号滤波得到Xfilter；
(4)对步骤(3)中所得到的带通滤波信号Xfilter作包络解调分析，得到其包络谱，从包络谱中识别与冲击频率相关的冲击特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，其特征在于，其中：步骤(2)中改进谱峭度方法对预处理后的信号Xn求解谱平方偏斜度的具体过程为：
1)预处理后的信号Xn经过树状滤波器滤波处理得到滤波信号；
2)滤波信号进行包络谱分析处理得到包络信号；
3)计算包络信号的平方偏斜度；
其中：所述平方偏斜度的计算公式为：
其中，σ代表预处理后的信号标准差。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于改进谱峭度的耦合信号冲击特征提取方法，其特征在于，耦合信号包括平稳调制信号、冲击信号和噪声；
平稳调制信号的计算表达式为：
ys＝0.4×(1+cos(2πf1t))×(1-cos(2πf2t))×cos(2πfm1t+0.4sin(2πf1t)+π/5)+0.2×(1+cos(2πf1t+))×(1-cos(2πf2t))×cos(2π×2fm2t+0.4sin(2πf1t)+π/5)
式中：
f1——第一个调制频率；
f2——第二个调制频率；
fm1——一倍啮合频率；
fm2——二倍啮合频率。
冲击信号的计算表达式为：
式中：
ζ——阻尼系数；
Tn——冲击周期；
fn1——第一固有频率；
fn2——第二固有频率。
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