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

摘要

本发明提出了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，由若干个相同的声镜单元组成，声镜单元沿铁轨方向水平直线均匀排列，每个声镜单元包括麦克风、声反射器、支撑架，其中声镜的反射表面为抛物面形状，且声镜的反射表面的水平截面曲线为抛物线，麦克风放置于声镜抛物面焦点位置。本发明提出的阵列采集装置中的声镜可从原理上避免多普勒畸变，且具备指向性消噪功能，同时阵列形式能够延长采集信号的长度，有效提高列车轴承故障诊断准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及设备状态监测与故障诊断领域，具体涉及一种用于列车轴承轨边声学检测的抛物面声镜阵列采集装置。

背景技术

作为列车的关键部件，轮对轴承长时间处于高速、重载的工作状态，各部件表面接触应力反复作用，极易引起疲劳、裂纹、压痕以致断裂、胶着、磨损等问题，会带来振动增加、噪声和转动阻力等问题，严重的会出现卡滞而使得整个轮轴系统失效，甚至造成重大安全事故，因而需要对列车轮对轴承的状态进行在线检测。

轨边声学检测技术是列车轮对轴承轨边声学检测的有效手段之一，通过安装在轨道两侧的麦克风阵列采集列车高速通过时轮对轴承发出的声音信号，对采集到的声音进行处理，实现健康监测与故障诊断。由于列车与麦克风阵列的高速相对运动，麦克风阵列采集的声音信号具有多普勒畸变，同时麦克风会同时采集到轮轨噪声、气动噪声等噪声信号，给后续的信号处理带来了干扰，降低了故障诊断准确性。本发明提出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，该装置由若干沿铁轨方向水平直线均匀排列的声镜单元组成，其中每个声镜单元采用了反射面为抛物面形状的声镜，在抛物面的焦点上安装麦克风，能够运用抛物线性质实现无畸变采集，克服由于列车运动产生的轴承声音信号多普勒畸变问题。同时，轴承发出的平行入射声波通过声反射器反射聚焦，而其他位置的非平行入射的噪声源声波经过反射器后无法在焦点聚焦，因而实现了指向性消噪和汇聚增强采集，提高了信噪比，提升了故障诊断准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：列车轴承声音信号的多普勒畸变和强噪声问题，具体阐述如下：

如图1为列车轴承轨边声音采集系统示意图，其中声源A为轴承声源，考虑声源A从M点运动到N点的过程，可以发现在此过程中声源与麦克风之间的距离AO是时变的，这就造成了声波传递路径长度的时变，进而影响了麦克风拾取信号的相位的变化，这是引起道旁信号多普勒频移的根本原因，另一方面，由于声压幅值衰减与距离成反比，采集信号将产生幅值调制。总之，由于声源运动造成的声波传递路径长度的变化是引起道旁信号多普勒畸变的根本原因。

另一方面，当列车高速通过时，麦克风除了采集列车轴承发出的声音信号之外，还会同时采集到轮轨噪声、气动噪声、牵引噪声和电气噪声等干扰噪声信号，并且这些噪声信号比轴承信号强度更大，给轴承信号的有效提取和分析带来了困扰，降低了对轴承健康状态监测的准确性。

而本发明可以避免多普勒畸变的出现并可指向性去除部分噪声，增加信噪比，提高信号采集准确率，提升对轴承健康状态监测的准确性。

本发明采用的技术方案为：

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，包括若干相同的声镜单元，其中每个声镜单元包括：麦克风、声镜、支撑架；声镜的反射表面呈现抛物面形状，且反射表面的水平截面曲线为抛物线；所述麦克风放置在支撑架对应的位置上，用于接收声音信号；所述的声镜安装在支撑架相应的位置上，用于反射汇聚声音信号。

其中，声镜单元沿铁轨方向水平直线均匀排列，组成阵列，有利于延长采集信号长度，提高了列车轴承故障检测的准确率。

其中，声镜反射表面分为板型抛物面和锥形抛物面两类呈现方式。

其中，所述的声镜为抛物面形状，能够运用抛物线性质实现无畸变采集，克服由于列车运动产生的轴承声音信号多普勒畸变问题。

其中，声镜为抛物面形状，能够运用抛物线性质实现指向性消噪。

其中，麦克风安装在声镜抛物面焦点位置，用于反射汇聚声音信号，增加了有效采集信号的强度，提高了列车轴承故障检测的准确率。

其中，所述麦克风放置在支撑架对应的位置上，用于接收声音信号；所述的声镜安装在支撑架相应的位置上，用于反射汇聚声音信号。

本发明的有益效果为：

1.本发明的抛物面声镜阵列能够运用抛物线性质实现无畸变采集，克服由于列车运动产生的轴承声音信号多普勒畸变问题。

2.本发明的抛物面声镜阵列能够运用抛物线性质实现指向性消噪，增加了信噪比，提高了列车轴承故障诊断的准确率。

3.本发明的抛物面声镜单元沿铁轨方向水平直线均匀排列，组成阵列，有利于延长采集信号长度，提高了列车轴承故障检测的准确率。

4.本发明的抛物面声镜单元能够运用抛物线性质，麦克风安装在声镜抛物面焦点位置，用于反射汇聚声音信号，增加了有效采集信号的强度，提高了信噪比，从而提高了列车轴承故障检测的准确率。

附图说明

图1为列车轴承轨边声音采集系统示意图。

图2为抛物面声镜的基本原理图，其中，1为麦克风，2为声源。

图3为抛物面声镜指向性去噪原理示意，其中，1为麦克风，21为目标声源，22为噪声声源。

图4为无声镜情况下麦克风对平面声波接收情况和有抛物面声镜情况下的麦克风对平面声波接收情况，其中，图4(a)是传统的无抛物面声镜采集方式，图4(b)是本发明提出的抛物面声镜采集方式。

图5为板形抛物面声镜阵列和锥形抛物面声镜阵列，其中，1为麦克风，3为抛物面声镜。

图6为锥形抛物面声镜阵列的声信号采集装置实际案例，其中，图6(a)为锥形抛物面声镜阵列的声信号采集装置，图6(b)为无抛物面声镜采集的时域信号图，图6(c)为有抛物面声镜采集的时域信号图，图6(d)为无抛物面声镜采集的时频特征图，图6(e)为有抛物面声镜采集的时频特征图，其中，1为麦克风，3为抛物面声镜。

图7为板形抛物面声镜阵列的声信号采集装置实际案例，其中，4为抛物面声镜阵列，5为轮对轴承。

图8为抛物面声镜单元的工作原理图，其中，2为声源，3为抛物面声镜，6为入射波，7为反射波，8为接收器。

具体实施方式

本发明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，包括若干相同的声镜单元，其中每个声镜单元包括：麦克风、声镜、支撑架。

其中，所述麦克风放置在支撑架对应的位置上，用于接收声音信号；所述的声镜安装在支撑架相应的位置上，用于反射汇聚声音信号。

一种利用抛物面声镜避免列车轴承轨边多普勒畸变的声信号采集方法，利用了抛物面的性质，即：抛物线上的任意点到焦点的距离等于到准线的距离。

下面是具体的原理阐述：如图2所示，考虑声源A沿x＝x0直线以均匀速度v运动从M点运动到N点的过程，运动过程中任意时刻A发出的声波经过镜面反射到达焦点处所经历的路径长度为AB+BF，由前述抛物线性质(即：抛物线上任意一点到焦点距离与到焦线距离相等)可知BF＝BC，因此，路径长度等于AB+BC＝AC＝x0+p/2，为恒定值，如果在焦点处放置麦克风接收器，则声源移动过程中接收器接收到的声波传递路径相等，从而避免了多普勒畸变。

根据抛物线的性质，如图3所示，说明只有平行于x轴目标声源才能通过抛物线反射聚焦在抛物面几何焦点上，而非平行于x轴的噪声声源通过抛物线反射后并没有被麦克风接收，故该声信号采集装置具有指向性消噪的作用，增加了信噪比，提高了列车轴承故障检测的准确率。

根据抛物线的性质，如图4所示，图4(a)是传统的无抛物面声镜采集方式，图4(b)是本发明提出的抛物面声镜采集方式，目标声源发出的声波经过声镜反射汇聚于放置于焦点处的麦克风，与传统方式相比，麦克风能够收集到更多的信号能量，采集信号强度得到明显增强，从而提高了采集信号信噪比，提升了列车轴承故障检测的准确率。

如图5所示，由抛物线拉伸和旋转后分别形成板形抛物面声镜单元和锥形抛物面声镜单元两种。而由多个抛物面声镜单元组合后可形成板形抛物面声镜阵列和锥形抛物面声镜阵列，阵列设计方案能够延长采集信号的长度，有效提高列车轴承故障诊断准确度。

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。

如图6(a)所示，是锥形抛物面声镜单元对声信号采集的装置，该锥形抛物面声镜单元反射表面的水平截面曲线的几何参数为y²＝240*x，口径d＝150cm，焦点F(60,0)处放置麦克风，实际的焦点位置距离地面40cm，在焦点正下方有一小车以一定速度经过，小车上放有中心频率为2500Hz的正弦信号的扬声器作为目标声源，模拟高速运行的列车轴承轨边声信号采集。

如图6(b)和图6(d)分别为未放置锥形抛物面声镜单元时采集到的声信号的时域图和时频图，可以看出有明显“S”形的多普勒畸变，而图6(c)和图6(e)分别为放置了锥形抛物面声镜单元时采集到的声信号的时域图和时频图，可以看出是无多普勒畸变的“直线”形。如图6(d)与图6(e)可知，在放置锥形抛物面声镜单元的前后对比发现，有明显消除多普勒畸变的效果。

如图7所示，是一个用于列车轴承轨边故障检测的板形抛物面声镜阵列采集装置。列车高速运行时，轮对轴承的轨边声信号由板形抛物面声镜阵列沿铁轨方向水平直线均匀排列放置进行采集，由抛物面性质可知，声信号反射聚焦波长一定，从原理上可避免了多普勒畸变，而麦克风理论上只接收平行声信号，故具备指向性消噪功能，且声信号反射聚焦于麦克风上，有效声信号强度增加，又由于有多个抛物面声镜以阵列形式呈现，增加了采集信号的长度，提高了列车轴承轨边故障检测的准确率。