CN114940355A - 具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及其收声模块 - Google Patents

具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及其收声模块 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及其收声模块，系统包括巡检装置、收声模块、信号处理模块、无线发射模块、无线接收模块、上位机；收声模块包括外壳、声音转换单元和基座，外壳包括两斜面，两斜面一侧相连，另一侧相远离，声音转换单元设置在两斜面的连接处。信号处理模块与收声模块相连接，用于对声音信号进行处理；无线发射模块与信号处理模块相连接，用于发射声音信号；无线接收模块用于接收无线发射模块传输的声音信号，并将接收的声音信号传输给上位机。本发明提出的巡检系统可以从结构和原理上解决声音信号采集过程中的多声源混叠现象，减弱或屏蔽来自其它声源的噪声信息，实现指向性采样。

Description

具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及其收声模块
技术领域
本发明涉及设备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及收声模块。
背景技术
带式输送机因其运输量大，可实现连续运输和长距离运输等特点，在工业生产领域特别是煤炭行业广泛使用，成为煤炭生产中的关键运输设备之一。托辊作为带式输送机的关键部件之一，主要起到支撑输送带和承载及减小运行阻力的作用。但是在带式输送机连续运转过程中，托辊难免会出现故障，而托辊故障是引起带式输送机停机的主要原因之一，因此对带式输送机的健康监测和故障诊断十分必要。
传统的人工巡检因精度低且易受人工主观因素影响，不能满足巡检工作的需要。现有的接触式测量，又存在不便于安装操作，不适合井下大范围故障检测，信息处理量大等问题。
轨边声学检测是带式输送机托辊轴承检测的有效手段之一，通过安装在巡检装置上的收声阵列采集托辊轴承发出的声音信号，并对采集到的信号进行处理，实现托辊轴承的健康监测与故障诊断。但是该技术存在多普勒畸变、强噪声和多声源混叠等问题。
专利CN108801637B提出的一种用于列车轴承轨边声学检测的抛物面声镜阵列采集装置，通过光学镜像原理实现声音信号的采集工作，从原理上解决了多普勒畸变和强噪声问题，但是却没有考虑多声源混叠和信号采集长度的问题。该发明专利涉及的装置仅能够接收抛物面声镜正对声源发出的声信号，从而能够感知的移动声源范围与抛物面声镜口径一致。如果抛物面声镜口径过小，导致采集的数据长度很短，难以包含足够多的声信号特征；如果抛物面声镜口径过大，会导致多声源混叠严重。
发明内容
发明目的：本发明针对带式输送机托辊轴承巡检过程中，由于巡检装置和托辊有相对运动而导致的同一声音传感器在同一时刻会接收到来自不同托辊的声音信号，进而会导致在声音信号采集过程中的多声源混叠问题，多声源混叠问题会增加系统计算复杂度、降低故障诊断的准确率和实时性。从而提出一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统及收声模块，实现对其它声源或噪声信号被屏蔽或者削弱，实现指向性采样。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，包括巡检装置、收声模块、信号处理模块、无线发射模块、无线接收模块、上位机；
巡检装置能够沿设定路径移动；
收声模块包括外壳、声音转换单元和基座，所述基座安装于所述巡检装置，所述外壳安装在基座上，所述外壳包括两斜面，两所述斜面一侧相连，另一侧相远离，所述声音转换单元设置在两斜面的连接处，所述声音转换单元用于采集到声音信号；
所述信号处理模块与所述收声模块相连接，用于对声音信号进行处理；
所述无线发射模块与所述信号处理模块相连接，用于发射声音信号；
所述无线接收模块用于接收所述无线发射模块传输的声音信号，并将接收的声音信号传输给上位机，上位机用于存储和分析接收的声音信号。
优选地，所述外壳还包括两连接面，两斜面与两连接面形成棱锥形结构，所述声音转换单元位于棱锥的顶点处，棱锥的底面处为开口使棱锥内腔与外部连通。
优选地，两斜面共边形成V字形，多个声音转换单元间隔设于两斜面的连接处。
优选地，所述外壳还包括两连接面，两连接面分别垂直连接于两斜面的两侧。
优选地，多个外壳呈线性或矩阵式阵列排布于所述基座，每一外壳内至少设置一声音转换单元。
优选地，所述具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统用于检测带式输送机的托辊的声音，两斜面的夹角不大于临界夹角α：
临界夹角
Figure BDA0003562880160000021
L为相邻两托辊的间距的一半，两斜面连接处距离托辊的垂直距离为D，托辊的半径为r。
优选地，所述巡检装置沿着带式输送机运行方向或反方向对托辊轴承进行巡检，并与带式输送机始终保持恒定距离。
本发明还提供一种收声模块，包括外壳和声音转换单元，所述外壳包括两斜面，两所述斜面一侧相连，另一侧相远离，所述声音转换单元设置在两斜面的连接处，所述声音转换单元用于采集到声音信号。
本发明的有益效果为：
1.本发明的收声模块通过外壳的两斜面来阻挡声音传播，可以保证在巡检过程中同一时刻只能采集到一个托辊的声音信号，解决在巡检过程中的多声源混叠问题。
2.本发明的收声模块可以减弱或屏蔽来自其它声源的噪声信息，实现对托辊轴承信号的指向性采样，提高了检测的准确性。
3.本发明的多个外壳呈线性或矩阵式阵列排形成的收声阵列可达到延长采集单个声音信号的长度，增加移动采样时间，解决移动采样信号分析短的问题。
4.本发明的收声模块的两斜面共边形成V字形，多个声音转换单元间隔设于两斜面的连接处可以保证多个声音转换单元同时采集同一托辊的声源信号，从而避免由于声音转换单元出现问题而导致的偶然性误差，达到排除异己的效果，能提高检测的兼容性和准确率。
附图说明
图1为收声阵列声音采集系统原理框图。
图2为收声阵列安装示意图。
图3为收声模块示意图，。
图4为收声模块三维示意图。
图5为收声模块消除多声源混叠示意图。
图6为收声阵列示意图。
图7为变体/改进型示意图，其中图7(a)中的1为声音转换单元，2为V 字拉伸体，图7(b)为V字拉伸体的改进型。
图8为声音采集实际数据图，其中图8(a)为使用收声模块中外壳的时域图，图8(b)为未使用外壳的时域图。
图中：1、1’：外壳；11、11’：斜面；2：声音转换单元；3：基座；4：巡检装置；5：托辊；
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，包括：巡检装置4、收声模块、信号处理模块、无线发射模块、无线接收模块和上位机。
其中，如图2所示，巡检装置4顶部固定有收声模块，收声模块包括外壳 1、声音转换单元2和基座3，声音转换单元2设置在外壳1的中心最里处，外壳1安装在基座上3。外壳1的截面大致呈V型。外壳1包括两斜面11，两所述斜面11一侧相连，另一侧相远离，所述声音转换单元2设置在两斜面11的连接处。
在本实施例中，外壳1为棱锥形。两斜面11的顶点相连接。
下面对收声模块中的外壳1进行结构分析，我们通过对两斜面11夹角进行设计调整，在结构和原理上解决多声源混叠问题。如图3所示，设两托辊5间距的一半为L，外壳1顶点距离托辊5的垂直距离为D，且托辊5的半径为r，那么设定的临界夹角
Figure BDA0003562880160000041
该临界值需满足，当两斜面11的V字型的顶点位于相邻两个托辊5连线的垂直平分线上时，两斜面11的延长线刚好与两托辊5相切，此时，声音信号采集装置采集不到任何托辊5的声音信号，当其发生沿巡检方向移动时，刚好能采集到下一个托辊5的声音信号。阴影部分为声音转换单元2有效接收信号的区域，在实际设计和应用过程中，两斜面11的夹角可以小于等于临界夹角α，从理论上分析，只要设计夹角不大于临界夹角α，都能避免多声源混叠问题。
下面是收声模块解决多声源混叠的原理阐述：如图5所示，在没有采用本发明的收声模块时，在巡检过程中，同一声音传感器在同一时间内能够接收到来自不同托辊的声音信号，也就产生了多声源混叠问题。在采用了本发明的收声模块后，来自其它托辊的声音信号能被一定程度上的屏蔽或者削弱，装置内的声音转换器在同一时间只能接收到来自一个托辊的声音信号，因此解决了多声源混叠问题。
下面是收声阵列的原理阐述：如图6所示，收声模块中的基座3将若干个外壳1和声音转换单元2的组合体按线性的方式阵列排布，收声模块在此位置采集不到任何一个托辊的声音信号，当巡检装置4按巡检方向行驶的下一刻，每一个组合体恰好只能采集到对应托辊5的声音信号，按此方式阵列，每一个托辊5将在不同时间下能被若干个声音转换单元2采集到，达到延长采集单个声音信号的长度，增加移动采样时间，解决移动采样信号分析短的问题。
下面通过另一实施例对收声装置的变体/改进型进行详细描述，如图7(a) 所示，该装置是外壳1’由V字型拉伸而成，外壳1’的两斜面11’共边形成V 字形结构。
若干声音转换单元2能以阵列的形式布置在该外壳1’的内侧轴线上(即位于两斜面11’的连接处)，将其竖直放置，多个声音转换单元2可同时采集到同一托辊5的声音信号，从而避免由于声音转换单元2出现问题而导致的偶然性误差，达到排除异己的效果，能提高检测的兼容性和准确率。如图7(b)所示，对于上面图7(a)所述的V字拉伸体进行了拓展，所述外壳1’还包括两连接面12’，两连接面12’垂直连接于两斜面11’的两侧。通过连接面12’在两斜面11’上下两面进行了封闭处理，相比改进前的结构，屏蔽或削弱了来自其它方位的声源和噪声信息，进一步提高了故障检测的准确性。
请参见图1至图3，下面对该巡检系统进行整体描述，巡检装置4顶部固定有收声模块，收声模块包括外壳1、声音转换单元2和基座3，声音转换单元2 设置在外壳1的中心最里处，外壳1安装在基座3上，巡检开始时，该巡检装置4位于带式输送机的一侧，并沿着带式输送机运行方向或反方向行驶，对沿途的托辊5进行巡检。需要注意的是，巡检装置4的行驶速度应保持低速且匀速行驶，这样能够保证在巡检过程中的兼容性、实时性和准确性。如果巡检装置4相对托辊高速行驶，会使声音信号产生多普勒畸变，影响声音信号的分析复杂性和准确性，同时还会由于过快的巡检速度，增加系统的结算复杂度，影响系统的实时性和准确性。同时，收声模块负责将采集到的声音信号传递给信号处理模块，对声音信号进行滤波、放大等处理，无线发射模块和无线接收模块负责将信号处理模块处理过的声音信号传输给上位机，用于存储和分析接收的声音信号，从而完成巡检。
下面结合附图和实际的实验数据对本发明的实施进一步详细说明。
在实际采集过程中，将第一托辊和第二托辊固定在一条水平线上，并且确定两个托辊的距离为45cm，在与该水平线平行的直线上放置巡检装置，此巡检装置的顶上分别固定一个上述收声模块和一个未使用收声模块的单个声音转换单元，且根据收声模块中的外壳的夹角大小固定这两个声音转换单元的间距为20cm，该巡检装置以匀速的方式按平行的直线上水平移动，模拟带式输送机运行时的托辊轴承声信号采集。
如图8(a和图8(b所示，分别为使用收声模块中的外壳和未使用外壳的时域图，当声源靠近带有外壳的声音转换单元时，在外壳的有效接收信号区域内，声信号强度急剧上升，当声源离开外壳的有效接收信号区域时，声音信号强度急剧下降。在相同的声源条件下，当声源靠近未使用收声的声音转换单元时，声信号强度变化不明显，两个声源信号的混叠严重。根据前后对比发现，收声模块能够有效的解决多声源混叠的问题。

Claims (8)

1.一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：包括巡检装置、收声模块、信号处理模块、无线发射模块、无线接收模块、上位机；
巡检装置能够沿设定路径移动；
收声模块包括外壳、声音转换单元和基座，所述基座安装于所述巡检装置，所述外壳安装在基座上，所述外壳包括两斜面，两所述斜面一侧相连，另一侧相远离，所述声音转换单元设置在两斜面的连接处，所述声音转换单元用于采集到声音信号；
所述信号处理模块与所述收声模块相连接，用于对声音信号进行处理；
所述无线发射模块与所述信号处理模块相连接，用于发射声音信号；
所述无线接收模块用于接收所述无线发射模块传输的声音信号，并将接收的声音信号传输给上位机，上位机用于存储和分析接收的声音信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：所述外壳还包括两连接面，两斜面与两连接面形成棱锥形结构，所述声音转换单元位于棱锥的顶点处，棱锥的底面处为开口使棱锥内腔与外部连通。
3.根据权利要求1所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：两斜面共边形成V字形，多个声音转换单元间隔设于两斜面的连接处。
4.根据权利要求3所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：所述外壳还包括两连接面，两连接面分别垂直连接于两斜面的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：多个外壳呈线性或矩阵式阵列排布于所述基座，每一外壳内至少设置一声音转换单元。
6.根据权利要求1所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：所述具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统用于检测带式输送机的托辊的声音，两斜面的夹角不大于临界夹角α：
临界夹角
Figure FDA0003562880150000011
L为相邻两托辊的间距的一半，两斜面连接处距离托辊的垂直距离为D，托辊的半径为r。
7.根据权利要求1所述的一种具有收声阵列的带式输送机声信号巡检系统，其特征在于：所述巡检装置沿着带式输送机运行方向或反方向对托辊轴承进行巡检，并与带式输送机始终保持恒定距离。
8.一种收声模块，其特征在于，包括外壳和声音转换单元，所述外壳包括两斜面，两所述斜面一侧相连，另一侧相远离，所述声音转换单元设置在两斜面的连接处，所述声音转换单元用于采集到声音信号。
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