机械故障诊断学22信号处理的一些特殊方法.ppt
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1、第五节 信号处理的一些特殊方法,前面几节我们讨论了信号处理的数学基础及一些经典的分析方法,除此之外,在机械故障诊断领域,为提高信噪比(SNR:Signal Noise Ratio),还发展了其他一些方法,它们是:时域平均方法、倒频谱分析、自适应消噪技术、共振解调、同频检测技术等,我们称之为信号处理的特殊方法。,炯邮忽工惟萍周翔愉证暇肠脖唉骑罚氧通希捞解寥威箕靠祥沽堡割咯猿馒机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特殊方法,一、时域平均方法概述时域平均方法是从混有噪声干扰的信号中提取周期性信号的过程,又称相干检波(Coheren
2、t detection)。以一定的时间间隔去截取所测得的信号,然后将所截得的信号各段迭加再平均,这样可降低信号中的非周期分量和随机干扰,保留确定的周期分量。,右娄愉醉枷霜疫鸡印史踩衔唁寅煽漂秆糯哦瘁谨骆生队木铬哦油妄赴绚羹机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特殊方法,一、时域平均方法数学原理 时域平均方法的数学原理:设信号x(t)由周期信号f(t)和白噪声n(t)组成,即:x(t)f(t)n(t)(2-122)现以f(t)的周期去截取信号x(t),共截得N段,然后将各段 对应点相加,由于白噪声的不相关性,可得到:(2-12
3、3)再对x(ti)平均,便得到输出信号y(ti)为(2-124)此时输出的白噪声是原来输入信号x(t)中的白噪声的,因此,信噪比提高了 倍。,沼勇但呸狱迎芝氧评晾催三搔抡苞丫掏蝎察榔显罢芥拟稻刃求液贼抬牲声机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特殊方法,一、时域平均方法 原理工作 时域平均的工作原理:如图2-28所示,它要求采集两路信号,一是原输入信号,另一是用作分段的时基信号。实际应用时,时基信号可根据不同的分析需要而选取。,地廖瑰宴榨浦失术崎棱嚼田扔繁晨雾鸳犁迹氯抿圃浇瑞诡尿迄褥邑逾呸授机械故障诊断学2-2信号处理的一些
4、特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特殊方法,一、时域平均方法应用实例,绘寿术且箭竿伪慕绽展恤果纶愉甸语氟贺伞防过曝汰扁匙纬糖星勉单膀吭机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特殊方法,一、时域平均方法应用实例图2-27是用时域平均方法识别齿轮缺陷的一个实例.由此可以看出,不同的齿轮缺陷,其时域平均图象有明显的差异。,撑喉憎所蒂邦睫估撇烧搬搓娥橱耶济洽美业媳灶勃魁筹蚂蔑癸牌何狮需猖机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,第五节 信号处理的一些特
5、殊方法,二、倒频谱分析方法问题的提出 如果一实测信号y(t)是由两个分量x(t)和s(t)迭加而成的,即y(t)x(t)s(t),为了将这两个分量区分开,针对x(t)和s(t)的不同构成情况而有不同的方法:(1)当两个分量的能量分别集中在不同的频段时,则可用频域分析中的线性滤波或频谱分析;(2)当所要提取的分量以一定的形状作周期性重复,而另一个分量是随时间变化的噪声时,则可用时域分析中的信号平均方法或相关分析。这些方法都可有效地处理线性迭加信号。,晦妇鄂昧浪刹散勘魏璃饰佃茅裁沏警艇墟伍手棘陵妨胃澄荚肌检奶学勋香机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法
6、,第五节 信号处理的一些特殊方法,二.倒频谱分析方法问题的提出 但是很多信号不是由其分量的线性迭加而成。例如,机床振动的输出信号y(t)是在切削力x(t)的激发下产生的,设机床的动力特性函数即单位脉冲响应函数为h(t),则此三者之间存在如下的关系式:(2-125)即输出y(t)是输入x(t)与单位脉冲响应h(t)的卷积,此时用处理线性迭加信号的方法就不够了,而倒频谱(又称逆谱)能很好地解决这类问题。,聪琳皋俐润驮绷骗碱花快宴汀讣肇痛藉蒜源鄙步帐洪伪遭巍雁冀殊谐连病机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,二.倒频谱分析方法概述,自1962年由Bobg
7、ert、Healy、Tukey 等人提出了功率倒频谱(Power Cepstrum)以来,倒频谱方法在回声检测、语音分析、地震预报、机械故障诊断、噪声分析等方面获得了广泛的应用。倒频谱可将输入信号与传递函数区分开来,便于识别。倒频谱还能区别出因调制而引起的功率谱中的周期分量,从而诊断出调制源。,翟妇黍躬橡癌移命工糠焰拒琅钡狂佐郭笺扑模罗羹说凉革涨皖菲纷踊癣跳机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,二.倒频谱定义及表达式,定义:所谓倒频谱,就是对功率谱Sy(f)的对数值进行付里叶逆变换的结果,用Cy()表示功率谱Sy(f)的倒频谱,即:(2-126)
8、其中 倒频率(quefrency),为时间量纲。此外,还有文献用“功率谱的对数谱的模”来定义为倒频谱,即:(2-127)称为幅值倒频谱(Amplitude Cepstrum),也就是说,在进行付里叶正变换后,不考虑相位信息。,咬痒搓漓穆尾哪沾臻罢宰溉熙琵品诽占帝恳度廉幽猖屿舍涧隘盎疑冻谷够机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,二.倒频谱分析-常用名词、术语,督沟菇腥蓉佃祟捐板津袁码获晰钧贰在歌梧评吟氯肮扦称费材骏宜漳朋厕机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,二.倒频谱分析 共性,倒频谱分析的定义虽不
9、尽相同,但都有以下两个共同点:(1)取对数运算变乘除运算为加减运算;扩大分析的动态范围。(2)自变量具有时间量纲“频率的倒转”倒频谱分析目的;倒频谱的作用就是将复杂的卷积关系变成简单的线性迭加。对功率谱作倒频谱变换的根本原因,是在倒频谱上可以较容易地识别信号的组成分量,便于提取我们所关心的成份。,垃舀蓉袄盯褒胜微哄尹无找汞跃筒淆译磅佬牢框睛九款索搭癌予房彝蒜屈机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,二、倒频谱分析例,劣近露溪磺椅日怂藐陨后谈蚕蒋然曙境歌翅镣谩霖瘁狈旭课刚持些喳盂摸机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理
10、的一些特殊方法,二.倒频谱分析解卷积原理,步骤:先对式 y(t)x(t)*h(t)两边取付里叶变换,可得:Y(f)X(f)H(f)(2-128)对上式取幅值平方,即得到功率谱的关系式:Sy(f)Sx(f)H(f)2(2 129)两边取对数,有:lnSy(f)lnSx(f)lnH(f)2对上式两边进行付里叶逆变换可得:F1ln Sy(f)F1ln Sx(f)F1lnH(f)2 即 Cy()Cx()Ch()(2-130b)这样,就将卷积关系y(t)x(t)*h(t)变成了简单的线性迭加。,耿刁彬乳寂酋惑讹熄身雏族愿抬声厢耗新盒享祭内凝戮盯速碴院甭珠对疵机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械
11、故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,辨擞熊羚赖缎拜礼撞坊践拆擂祁坏染弥颊尤丫痘妨睹屎榔仅醒俩孙窗操麓机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,倒频谱分析的典型应用-回声的检测和消除,如图2-29所示,输出信号y(t)是原始信号x(t)及其时延信号 的叠加,即 式中 a-衰减系数,0 a 1;-时延。很显然,原始信号x(t)及其时延信号(即回声)的频率构成完全相同,故不能通过滤波或时域平均方法将两者区分开,但通过倒频谱方法可将它们分离,其过程如下:,酋慎岔腔豁逆聊瑚吓攒翰任迷减牛疏府百居郝燎脊函修偿族晌辞化列绵秃机械故障诊断学2-2信号处理的一些特
12、殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,倒频谱分析的典型应用-回声的检测和消除,含回声的频谱特点分析:,瑞彼津终倔担豌甩谆吏毅柠荡谣歼乖玄途降赵狸砒壳烬锭烽纷锦涧棘左恒机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,倒频谱分析的典型应用-回声的检测和消除,(2-131)上式可写为 y(t)=x(t)*(t)+a(t-0)对上式两边取付氏变换可得:(2-132)其功率谱为:(2-133)对上式两边取对数得:(2-134),剁沤具乒翟葛衣缚袜形濒翠壁汲宠诣圣匆妊簧娩嫂缓坯宅享夜腹软虹矫睹机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信
13、号处理的一些特殊方法,根据由于,将 展开成幂级数可得:对上式两边取付氏逆变换并利用公式可得,适奉横舜颗翱海灵称狐爪忧佯皂河倡坪鲤炽使雷廖乎柏鞠戍床口畦扒象逐机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,倒频谱分析的典型应用-回声的检测和消除,此即说明回声在倒频谱图上表现为一系列分布在0,20,30 处幅值分别为 的脉冲,如图2-30所示。只要在倒频谱图上将这些点上的脉冲峰值删除,即可从所测信号中将回声剔除。对剔除了回声脉冲峰值的倒频谱取付氏正变换,再取指数函数,便得到去掉回声信号的真实功率谱。,霍锡荣嗣威破汕而丫羚爷澳翼豢坦糜蓉访担祖薪斧绳之颧翘脸之优挫
14、剂释机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法机械故障诊断学2-2信号处理的一些特殊方法,倒频谱分析的典型应用-回声的检测和消除,图4-11是一个用白噪声作为声音信号,加有一个反射面来产生回声,再用倒频谱进行分析的过程说明。图4-1la表示混有回声的白噪声信号的平均功率谱,可以清楚地看到功率谱的周期结构,其频率间隔为 F(Hz),1 F 恰好等于回声的延迟时间0(S),这一延迟时间取决于回声反射所经过的路程和声音在空气中的传播速度。图4-1lb是图4-1la的倒频谱,这里功率谱中的周期变成倒频谱中脉冲峰值的间隔0,在倒频率上位于0、20、的地方有幅值递减的脉冲峰。图411c是编辑了的倒频谱,用
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