CN114018577B - 一种设备噪声声源成像方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请属于设备状态监测方法技术和故障定位技术领域，具体而言涉及一种设备噪声声源成像方法、装置、电子设备及存储介质。本公开的设备噪声声源成像方法，首先设计一个多麦克风同步声音采集系统；生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度，得到设备噪声声源的成像；本方法将布设在在工业大型设备外壁或大型设备工作场所中的多个同步采集的麦克风设备组合成一个大型的麦克风阵列，利用声阵列成像算法对设备内部或设备工作场所进行全空间声成像，并利用可视化技术显示设备内部组件或空间中不同位置的噪声激发强度，用于设备运行状态监测和故障定位。
Description
技术领域
本申请属于设备状态监测方法技术和故障定位技术领域，具体而言涉及一种设备噪声声源成像方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
在设备状态监测和故障诊断领域，设备组件的振动和噪声是最常用的监测值和分析参数。振动和噪声的强度的变化可以指示设备的健康状态，振动谱线的变化可以指示故障发生的部位。如设备中最常见的齿轮和轴承，同一款齿轮或轴承在相同的转速下的正常状态的振动谱线非常相似，当某调谱线的能量异常或者出现正常状态不存在的谱线，往往是某一个部件出现故障，根据部件物理机理分析可以计算出每个部件在该转速下的谱线从而确定故障的部位。这种方法大量应用于减速机、泵机、风机等由一组或多组齿轮和轴承组成的结构相对简单的设备。在设备诊断领域，静设备松动、断裂、管道泄露这样的故障监测常用噪声监测方法，并采用声像仪进行声源定位确定故障位置。但声像仪作为一种小型的麦克风阵列，其成像的范围非常有限。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了设备噪声声源成像方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，以解决相关技术中的上述技术问题。
根据本公开的第一方面，提出设备噪声声源的成像方法，包括：
步骤1、设计一个多麦克风同步声音采集系统；
步骤2、生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
步骤3、采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
步骤4、根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
步骤5、将所述成像结果可视化。
可选地，所述多麦克风同步声音采集系统包括M个麦克风，M个麦克风置于待测设备周围，待测设备上设定有N个噪声声源。
可选地，所述生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表，包括：
(a)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1,...,N
j＝1,...,M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.,.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
(b)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1,...,N
j＝1,...,M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。
可选地，所述采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，包括；
(1)设定M个麦克风同时采集待测设备中第i噪声声源的噪声信号时域波形数据，记为t为采样时间；
(2)根据所述噪声信号时域波形数据，计算得到成像点噪声信号的强度Image：
其中，t0为成像时刻，Twin为成像时窗宽度，τj为成像时窗内离散点。
可选地，所述根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态，包括：
(1)采集待测设备健康工作状态下各噪声声源的强度最大值Sacoustic；
(2)分别将Sacoustic与相应噪声声源处的Image进行比较，若Sacoustic大于所述Image，则判定待测设备的该噪声声源点处于正常工作状态，若Sacoustic小于所述Image，则判定待测设备的噪声声源点处于非正常工作状态。
可选地，所述将成像结果可视化，即根据所述成像点噪声信号的强度，得到成像结果，以三维空间立体和切片方式显示，或者渲染设备的建筑信息模型，用于运维人员查看待测设备的实时声源成像图。
根据本公开的第二方面，提出设备噪声声源的成像装置，包括：
声音采集模块，用于通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
第一计算模块，用于计算麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系；
第二计算模块，用于采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
判断模块，用于根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
可视化模块，用于将所述成像结果可视化。
根据本公开的第三方面，提出电子设备，包括：
存储器，用于存储处理器可执行的指令；
处理器，所述处理器被配置执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将所述成像结果可视化。
根据本公开的第四方面，提出计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将所述成像结果可视化。
根据本公开的实施例，将布设在在工业大型设备外壁或大型设备工作场所中的多个同步采集的麦克风设备组合成一个大型的麦克风阵列，利用声阵列成像算法对设备内部或设备工作场所进行全空间声成像，并利用可视化技术显示设备内部组件或空间中不同位置的噪声激发强度，用于设备运行状态监测和故障定位。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
为了更清楚的说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本公开的一个实施例示出的多麦克风同步声音采集系统示意图。
图2是麦克风阵列采集第i个噪声声源的信号波形示意图。
图3是被采集的噪声信号经过计算后得到的声源成像示意图。
图4是根据本公开的一个实施例示出的设备噪声声源的成像装置的结构框图。
图1-图3中，1是麦克风，2是噪声声源，3是待测设备，4是噪声声源的成像，5是非正常工作状态提示。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本公开一个实施例的设备噪声声源的成像方法，可以包括如下步骤：
在步骤1中，设计一个多麦克风同步声音采集系统，用于通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号。
在一个实施例中，所述多麦克风同步声音采集系统包括M个麦克风，M个麦克风置于待测设备周围，待测设备上设定有N个噪声声源。如图1所示，1是麦克风，2是噪声声源，3是待测设备，M个麦克风在待测设备周围的布置方式依据待测设备及其待测设备上潜在的噪声生源而定，观测系统设计的原则是所有麦克风组成的阵列对成像点具有尽可能宽的信号采集路径和均匀分布。声音成像是指将声源的声音信号以图像形式显示。尽可能宽的信号采集路径，即麦克风与声源之间尽量无障碍物。
在步骤2中，生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表。
在一个实施例中，生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表，可以根据麦克风与待测设备的噪声声源之间有无障碍物，有两种不同的关系：
(a)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1,...,N
j＝1,...,M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.,.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，该传播介质声波速度可通过实际测量获取或者查阅修改手册得到，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
(b)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1,...,N
j＝1,...,M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。对于复杂声传播环境，可采用主动人工激发产生一个脉冲声源，然后在麦克风采集的数据记录上拾取声波到达时间，求取时差得到。复杂声传播环境场景指的是麦克风同成像点之间具有障碍物的存在。
在步骤3中，采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像。
在一个实施例中，采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，可以包括以下步骤：
(1)设定M个麦克风同时采集待测设备中第i噪声声源的噪声信号时域波形数据，记为t为采样时间；
(2)根据所述噪声信号时域波形数据，计算得到成像点噪声信号的强度Image：
其中，t0为成像时刻，t0为噪声信号时域波形的时间变量，本公开的一个实施例中，t0以50ms为单位进行递增，实现不同时刻的成像更新，Twin为成像时窗宽度，即每次计算信号强度的时间长度，本公开的一个实施例中，时间长度为50ms，τj为成像时窗内的离散点，即将成像时窗进行等分。上述参数示意图如图2所示。
本公开的一个实施例中，采用的噪声采集设备是一套多麦克风同步采集设备，每一个麦克风单元独立布设，所有的麦克风设备采集的噪声数据时间同步。
麦克风采集系统设计可以针对无法在内部安装的密闭设备，如磨煤机、变压器，安装在设备的外表面。针对大型设备安装场所，如水力发电机组的水车室或风电机舱内部，则将麦克风安装在内侧壁或者内顶壁。
在步骤4中，根据所述成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态。
在一个实施例中，根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态，可以包括以下步骤：
(1)采集待测设备健康工作状态下各噪声声源的强度最大值Sacoustic；
(2)分别将Sacoustic与相应噪声声源处的Image进行比较，若Sacoustic大于所述Image，则判定待测设备的该噪声声源点处于正常工作状态，若Sacoustic小于所述Image，则判定待测设备的噪声声源点处于非正常工作状态。
在步骤5中，将所述成像结果可视化，即根据所述成像点噪声信号的强度，得到成像结果，以三维空间立体和切片方式显示，或者渲染设备的建筑信息模型(BIM)，用于运维人员查看待测设备的实时声源成像图。如图3所示，图3中，阴影球的中心颜色越深，说明待测设备的噪声声源的声音越大，如果成像点噪声信号大于预先设定的信号强度，则会有相应的三角报警符号显示。
本公开的实施例提出的设备噪声声源的成像方法，利用声阵列成像算法对设备内部或设备工作场所进行全空间声成像，进而利用可视化技术辅助运维人员进行设备运行状态监测和故障定位。本发明能够充分挖掘设备声音数据，使用人工智能技术分析，为运维人员提供参考提示信息，指导运行及维护人员提前介入进行处理，这些技术效果是传统振动分析所不能达到的。
与上述设备噪声声源成像方法相对应地，本公开还提出了设备噪声声源成像装置的实施例，包括：
声音采集模块，用于通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
第一计算模块，用于计算麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系；
第二计算模块，用于采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
判断模块，用于根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
可视化模块，用于将所述成像结果可视化。
本公开的实施例还提出了一种电子设备，包括：
存储器，用于存储处理器可执行的指令；
处理器，所述处理器被配置执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将所述成像结果可视化。
本公开的实施例还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将所述成像结果可视化。
需要说明的是，本公开的实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述汽车配件图片数据集制作设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。风电系统运行稳定域的构建装置的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本公开提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种设备噪声声源的成像方法，其特征在于，包括：
设计一个多麦克风同步声音采集系统；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将成像结果可视化；
所述生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表，包括：
(a)当麦克风与待测设备的噪声声源之间有障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.，.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
(b)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。
2.根据权利要求1所述的设备噪声声源成像方法，其特征在于，所述多麦克风同步声音采集系统包括M个麦克风，M个麦克风置于待测设备周围，待测设备上设定有N个噪声声源。
3.根据权利要求1所述的设备噪声声源成像方法，其特征在于，所述采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，包括；
(1)设定M个麦克风同时采集待测设备中第i噪声声源的噪声信号时域波形数据，记为t为采样时间；
(2)根据所述噪声信号时域波形数据，计算得到成像点噪声信号的强度Image：
其中，t0为成像时刻，Twin为成像时窗宽度，τj为成像时窗内离散点。
4.根据权利要求1所述的设备噪声声源成像方法，其特征在于，所述根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态，包括：
(1)采集待测设备健康工作状态下各噪声声源的强度最大值Sacoustic；
(2)分别将Sacoustic与相应噪声声源处的Image进行比较，若Sacoustic大于所述Image，则判定待测设备的该噪声声源点处于正常工作状态，若Sacoustic小于所述Image，则判定待测设备的噪声声源点处于非正常工作状态。
5.根据权利要求1所述的设备噪声声源成像方法，其特征在于，所述将成像结果可视化，即根据所述成像点噪声信号的强度，得到成像结果，以三维空间立体和切片方式显示，或者渲染设备的建筑信息模型，用于运维人员查看待测设备的实时声源成像图。
6.一种设备噪声声源的成像装置，其特征在于，包括：
声音采集模块，用于通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
第一计算模块，用于计算麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系；
第二计算模块，用于采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
判断模块，用于根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
可视化模块，用于将成像结果可视化；
所述第一计算模块，还用于：
当麦克风与待测设备的噪声声源之间有障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.，.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储处理器可执行的指令；
处理器，所述处理器被配置执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将成像结果可视化；
所述生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表，包括：
(a)当麦克风与待测设备的噪声声源之间有障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.，.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
(b)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使所述计算机执行：
通过多麦克风同步采集待测设备成像点噪声信号；
生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表；
采集待测设备噪声信号，计算成像点噪声信号的强度Image，得到设备噪声声源的成像；
根据成像点噪声信号的强度Image，确定噪声声源处的工作状态；
将成像结果可视化；
所述生成一个麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系表，包括：
(a)当麦克风与待测设备的噪声声源之间有障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，是第i个成像点在xyz三维坐标中的坐标，/>是第j个麦克风的在xyz三维坐标中的坐标，dist(.，.)为第i个成像点与第j个麦克风之间的距离，v为声音传播路径中传播介质声波速度，成像点即与待测设备中的噪声声源空间位置相对应的点；
(b)当麦克风与待测设备的噪声声源之间无障碍物时，麦克风与待测设备之间的声音传播距离与声音传播时间的关系Tij的表达式为：
i＝1，...，N
j＝1，...，M
其中，为第i个成像点的位置人工脉冲声源激发时刻，/>为第j个麦克风接收到相应人工脉冲声源的声波时刻。
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