旋转机械碰摩声发射信号定位及信号压缩的研究

摘要

转子和静子之间的碰摩是旋转机械的常见故障之一。随着科学技术的发展，机组的性能和效率不断提高，结构越来越紧凑，动静部件之间的间隙随之不断变小，从而使得发生碰摩故障的可能性也逐渐增加。当前，将声发射技术应用于旋转机械碰摩故障诊断是一个重要的研究方向。结合碰摩声发射信号的特点，开展对旋转机械碰摩源定位的研究，发展新的定位方法，同时针对碰摩声发射信号数据量巨大难以实时传输的问题，研究行之有效的信号压缩技术，对于迅速诊断碰摩原因，保障设备的安全运行具有重要意义。
　　本文以声发射技术为基础，分别对碰摩源的定位方法和碰摩声发射信号压缩技术进行了理论分析和实验研究。研究工作主要包括以下两个方面:
　　1.基于模态声发射和空间谱估计的碰摩声发射定位研究。空间谱估计是利用传感器阵列，对空间信号的信源位置进行估计的信号处理技术，常规ISM算法仅适用于近场的宽带信号。同时，由于碰摩声发射信号具有多个模态，且在传播过程中存在频散效应，使得定位时存在很大的误差。本文运用模态声发射技术，对旋转机械碰摩所产生的声发射信号进行模态分析，并选取扩展波模态来进行定位计算。在定位时，本文对传统ISM算法进行改进，提出了近场ISM算法，使之适应近场情形，能同时对碰摩源的方位角和距离进行估计。仿真结果表明，结合了模态声发射技术的近场ISM算法能在噪声环境下准确估计出多个碰摩源的位置。在此基础上，本文通过对比分析发现增加传感器阵元的个数、降低噪声可以显著提高对于碰摩源的定位效果。
　　2.基于压缩感知技术的碰摩声发射信号压缩技术研究。由于碰摩声发射信号的数据量巨大，在运用传感器阵列对碰摩源进行定位时，为保证实时性，必须要对信号进行压缩。本文运用压缩感知技术，对碰摩声发射信号进行压缩，并用OMP算法对压缩完的信号进行重构。实验结果表明，应用该方法可以有效地对碰摩声发射信号进行压缩，并能以较小的误差对信号进行重构。实验研究同时表明，增加测量矩阵的行数可以显著减小重构误差，但会使得计算时间和存储空间增大，所以必须对压缩的效率和重构的精度进行综合考虑，选取适当的行数以达到最优的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 声发射技术概述

1．2．1 声发射技术研究的历史

1．2．2 旋转机械碰摩声发射检测的发展现状

1．2．3 声发射信号处理方法

1．3 声发射源定位方法

1．4 数据压缩技术概述

1．5 论文主要工作和结构安排

第二章 碰摩声发射实验系统及信号模拟

2．1 实验系统

2．1．1 转子实验台

2．1．2 声发射信号采集硬件系统

2．1．3 声发射信号采集软件系统

2．2 碰摩声发射信号模拟

2．3 本章小结

第三章 基于模态声发射和空间谱估计的碰摩声发射定位研究

3．1 引言

3．2 模态声发射

3．2．1 引言

3．2．2 Lamb波基本理论

3．2．3 声发射信号的模态分析

3．3 窄带信号空间谱估计

3．3．1 引言

3．3．2 远场模型

3．3．3 波束形成

3．3．4 多重信号分类算法

3．3．5 近场MUSIC算法

3．4 宽带信号空间谱估计

3．4．1 引言

3．4．2 远场模型

3．4．3 相关系数

3．4．4 非相干信号子空间算法

3．4．5 近场ISM算法

3．5 仿真实验研究

3．5．1 仿真实验一

3．5．2 仿真实验二

3．5．3 仿真实验三

3．5．4 仿真实验四

3．6 本章小结

第四章 基于压缩感知技术的碰摩声发射信号压缩技术研究

4．1 引言

4．2 压缩感知简介

4．3 信号的稀疏表示

4．4 信号的压缩过程

4．5 信号的重构

4．5．1 引言

4．5．2 最小L1范数法

4．5．3 贪婪算法

4．6 实验研究

4．6．1 碰摩声发射信号的预处理

4．6．2 压缩与重构实验

4．6．3 不同M值下压缩与重构效果比较实验

4．7 本章小结

第五章 总结

5．1 本文主要内容

5．2 研究中存在的不足

致谢

参考文献

在读硕士期间发表的论文与取得的学术成果