基于音频信号频谱细化分析的机械故障检测方法

摘要

随着对机械设备精密度、荷载强度、可靠运行时间等技术指标的要求日益提高，机械故障实时检测和诊断的需求越发迫切。因此，机械故障检测和诊断的理论与方法，尤其是适用于特种场景的非接触式机械故障检测和诊断方法，具有极为迫切的应用需求。
　　在众多故障检测方法中，基于音频信号分析的非接触式故障检测成为特种应用场合中机械故障检测的主要实现技术手段。音频信号中含有机械故障及其生成原因的信息，一般而言，音频信号特征与机械故障原因具有对应关系。该种方法主要依靠所提取和识别的音频信号特征进行故障检测。音频信号特征提取的准确性和有效性将影响故障检测和诊断能力，而音频信号噪声抑制和频谱细化等性能是影响音频信号特征提取性能的主要技术因素。
　　本文以特种机械故障检测为研究背景，以基于音频信号特征提取的非接触式检测方法为技术手段，结合现有音频信号频谱细化技术的特点，重点研究适用于特种机械故障检测的音频信号频谱细化优化方法和频谱细化误差校正方法，并从理论建模和软件仿真层面对所提方法进行验证。
　　本文主要研究内容如下。
　　首先，分析两种经典的音频信号频谱细化方法，即线性调频 Z变换（Chirp-Z Transform，CZT）算法、复调制细化频谱傅里叶变换（Zoom-FFT，ZFFT）算法的技术性能。重点介绍基于带通滤波器的改进型ZFFT算法。
　　然后，构建基于CZT算法与改进型ZFFT算法的音频信号频谱细化方法的软件仿真模型，分析两种算法的技术性能。重点研究以上两种算法进行音频信号频谱细化时产生数据误差的原因，结合特种机械故障生成的音频信号技术特点，提出基于汉宁窗三点卷积法的误差校正方法，进而提出基于误差校正和改进型ZFFT算法的音频信号频谱细化方案，并对所提方案的技术性能进行仿真分析。
　　最后，为分析论证其可实现性和技术性能，分别利用MATLAB软件和Verilog语言编写的ISE软件（适用于 FPGA平台），构建所提出的音频信号频谱细化方案的软件仿真模型，并进行相应的仿真分析。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 机械故障检测与诊断技术概述

1.3 声学诊断技术概述

1.4 频谱细化分析技术概述

1.5 研究内容及章节安排

第2章 音频信号频谱细化方法

2.1 线性调频Z变换（CZT）算法

2.2 复调制细化频谱傅里叶变换（ZFFT）算法

2.3 改进型复调制细化频谱傅里叶变换（ZFFT）算法

2.4 算法性能对比分析

2.5 本章小结

第3章 基于误差校正的频谱细化方案

3.1 误差来源及常规校正方法

3.2 三点卷积幅值校正方法

3.3 基于误差校正的频谱细化算法性能分析

3.4 本章小结

第4章 音频信号频谱细化在机械故障检测中的应用

4.1 应用实验方案

4.2 基于MATLAB平台的应用实验与性能分析

4.3 基于FPGA平台的应用实验与性能分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢