基于去多普勒效应和峰度波束形成的探伤方法

噪声与振动控制
第 38 卷
1 去多普勒效应时域波束形成原理
传统的时域下延时相加波束形成技术[10]可以高
效的将声场可视化。假设使用一个包含 m 个麦克风
工程师和学者提出了各种监测办法 ，例如利用
收稿日期：2018-03-15 基金项目 ：香港特别行政区政府科研补助经费资助（GRG
PolyU 5140/13E)，香港理工大学资金支持(Grant No: G-YBDL)
作者简介：陈龙（1988 - ），男，山东省日照市人，博士生，主要
研究方向为波束形成。 通信作者：蔡逸思，女，博士生导师。
第 38 卷 第 ZSE AND VIBRATION CONTROL
Vol 38 No.Z1 Apr. 2018
文章编号：1006-1355(2018)Z1-0666-03
基于去多普勒效应和峰度波束形成的探伤方法
陈 龙，蔡逸思
（ 香港理工大学 机械工程学系，中国 香港 999077 ）
CHEN Long , CHOY Yatsze
( Department of Mechanical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China )
Abstract : During the railway system operating, impact noise can be generated due to the faults on the surface structure of the wheels, but it is often very difficult to determine the position of fault in real-time. In fact, when the train is traveling, the impulsive signal generated by the wheel surface faults was totally merged in rolling and background noise. In this paper, a new fault detection approach was proposed. This approach can identify and localize various structural damages on the wheel surface when the train is traveling. Time-domain beamforming with de-dopplerization was used to accomplish moving sources localization and beamforming kurtosis was used as an indicator of the impulsive signals to search for the temporal feature. Since the beamforming kurtosis can extract the impulsive feature from original signals and locate the position of specific sound sources, the location of the wheel with faults can be identified and localized by observing the sound image of the beamforming kurtosis.
E-mail: yatsze.choy@.hk
声发射技术[1–2]、超声波检测手段[3–4]、以及磁力探伤 技术[5 。 –6] 同时提出了各种时域和频域的信号分析 方法，例如短时傅里叶变换、Wigner-Ville 变换以及 小波变换[7]等。值得注意的是，以上的检测手段只能 探测结构损伤的存在 ，但是不能同时定位损伤的具 体位置。并且现有的技术手段依赖于在轮轨系统结 构表面安装传感器的接触性监测 ，在移动和搭建监 测设备方面存在诸多不便。
因此 ，本文旨在设计可靠便捷的车轮探伤和定 位监测平台。基于去多普勒效应方法[8]的波束形成 技术，可以获得运动声源的时域和空间域信息，同时 结合峰度[9]计算，可以定位车轮表面损伤产生的冲击 声信号 ，以此达到探伤和定位的目的。这种利用麦 克风阵列的波束形成技术可以看成是一种非接触性 监测手段。
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Keywords : acoustics; beam forming; de-dopplerization; kurtosis
轮轨系统被广泛应用于世界各地 ，其对运输效 率的提升非常显著。然而 ，列车车轮表面的结构损 伤产生的冲击噪声对周遭环境有较严重的影响 ，甚 至会导致严重的安全事故。为了提升车轮在列车行 驶中的安全性和可靠性 ，研究设计应用于轮轨系统 的结构状态监控系统十分有必要。
中的声源进行定位，提取声源的冲击特征，通过扫描得到的声音图像识别损伤。
关键词：声学；波束形成；去多普勒效应；峰度
中图分类号：U270.1+.6
文献标志码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.144
Fault Identification and Localization based on De-dopplerization and Beamforming Kurtosis Method
摘 要：在铁路轨道系统运行时，车轮表面的结构损伤会产生冲击噪声，然而实时的探伤和定位存在困难。事实
上 ，在列车行驶时 ，车轮表面的损伤所产生的冲击噪声经常完全掩藏在背景噪音下。本文介绍一种新的探伤定位手
段，可以在列车行驶时识别和定位车轮表面的各种结构损伤。基于去多普勒效应和峰度的波束形成方法可以对运动