发动机活塞异响声的循环统计量诊断法
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N
x ( t) =
b +
∑co s2πf
i =1
ci
πf0 t t co s2
( 5)
图 2 仿真信号的循环谱
推导出了基于循环解调方法的解调结果在循环域中 的分布规律 。其中 i = 1, 2, ……N 为 N 个调制源 , fci 为调制源 , f0 为载波 , 且 f0 > ( 5 ～10 ) m ax ( fci ) , b 为 随机量 。利用统计解调方法提取共振频率 (载波 ) 的原理是 : 调制信号被解调后 ,在循环频率域上的 2 倍共振频率处频带存在循环频率集合 A = { 2 f0 , 2 f0 ± fci , 2 f0 ±( fci ± fck ) } , 它同时含有载波和调制源信 息 ,因此利用该频率带可以提取出共振频率信息 。 解调方法详细推导过程参阅文献 [ 3 ]。 1. 3 仿真信号分析 设仿真信号为 πf1 t) ] co s ( 2 πf0 t) x ( t) = [ n ( t) + A co s ( 2 其中调制源 f1 = 7Hz,载波 f0 = 80Hz, 采样频率 fs = 1000Hz。 n ( t) 为平稳遍历噪声 , A 为常数 。 x ( t) 波 形和频谱见图 1 所示 ,频谱中两个峰值是调制边带 , 无法识别出共振频率 。图 2 是 x ( t) 的循环谱 , 横坐 标表示循环频率 , 纵坐标表示循环谱密度 , 用 CSD 表示 。图中在循环频率 α = 160Hz ( 2 f0 ,载波频率的 2 倍 ) , 146Hz和 174Hz ( 2 f0 ± 2 f1 )处分别有峰值 。共 振频率 80Hz在循环谱中为 2 倍 , 即 160Hz, 并且为 最大值 。仿真分析结果表明 : 循环解调方法可以有 效地提取出共振频率信息
图 7 活塞敲缸声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
(下转第 45 页 )
基于小波分析的结构损伤检测 分布随机数 , ε是测量噪声程度指标 。对于每种模 式类别 , 分别产生测量噪声程度 ε为 0. 05, 0. 1 和 0. 15 的 3 种情况下的训练数据 , 则训练数据共有 129 组 ,另外每个模式类别对两种神经网络分别再 产生 100 组测试数据 ,作为检验数据 ,用检验数据比 较这两种网络的检测效果 , 其识别精度用准确识别 数据的总数与检验数据的总数之比表示 , 结果见 表 1。 由表 1 列出的数据可以看出 , 当噪声程度比较 低时 (ε = 0. 05 ) ,这两种网络的识别精度都比较高 , 随着噪声程度的增加 ,它们的识别精度均有所下降 , 但无论什么情况下小波神经网络的识别精度都要比 传统 B P网络高 , 可见小波神经网络的损伤识别能 力要优于 B P网络 。
Abstract: Since the nature of the sound, which sounded different by ear, is dom inated by the excit2 ed resonance of faulty parts . The paper developed a method of extracting the resonant frequency to diag2 nose abnormal sound of automobile engine. The m ethod is based on the cyclic autocorrelation function and extracts the resonant frequencies located in cyclic frequency domain. App lied it to diagnose the sound of faulty p istons, the different resonant frequencies are identified effectively . Thus the method p rovides a tool to reduce the dependence on the experience of automobile sound diagnosis and enhance the diagnostic correctness . Key words: acoustics; engine p iston; abnormal sound; diagnosis; cyclic autocorrelation function 通过听声来识别故障在发动机诊断中应用相当 普遍 ,这种方法不仅在有经验的维修人员和司机中 广泛应用 ,甚至在一些大专院校的有关专业也开设 了这方面的课程 ,足以说明靠听声音诊断机械故障 的有效性 。然而这种方法在实践中需要操作者具有 足够的经验 ,并且为了使异响更加突出 ,还需要调整 发动机的转速 、 抖动油门 、 断火及内听等 , 这些都增 加了异响诊断的难度 ,也增加了对经验的依赖程度 。 从汽车发动机主要故障来看 , 故障根源不外乎由配 合面的磨损 、 运动副的松动及零部件的缺损引起 ,它 们往往使某些零件在运动时发生撞击 , 异响主要就 是这些冲击带来的声音 。从人耳感觉声音的本质来 看 ,机器声音的差异主要表现在声音的节律 、 音质和 音调等方面 ,冲击的周期仅影响声音的节律 ,却不能 影响声音的音质和音调 。音质和音调基本上是由发 [1] 生冲击的零部件决定 。冲击激发出相应零部件 的固有频率 ,而固有频率直接取决于零部件的质量 和刚度 ,不同零件具有不同的固有频率 ,产生声音特 点也自然不相同 。所以即使异响的节律相同 , 但由
+t 0 /2
π αt - j2
dt
( 3)
表示在循环频率 α上的循环自相关强度 , 称为循环 相关函数 ,α称为循环频率 。当循环平稳过程含多 个周期时 ,式 ( 3 )仍然可用 , 只是对每一个周期都要 重复使用一次上述公式 。类似于平稳信号用功率谱 提取信号的周期分量 ,对循环平稳过程 ,也可以通过 Fourier变换提取循环相关函数中的周期 。循环相 关函数对 τ 的 Fourier变换称为循环谱 ,表达式为
收稿日期 : 2005 2 12 2 19 基金项目 : 湖北省水电工程施工与管理重点实验室三峡大学开放基 金资助 200503。 作者简介 : 李力 ( 1964 - ) ,女 ,湖南人 , 博士 , 教授 , 副院长 , 从事机械 监测与故障诊断方面的研究工作 。
不同的故障源引起 , 其音调 、 音质也会不同 , 这就使 操作者用耳朵可以听辨出来 。根据这一原理 , 本文 提出用循环解调方法提取声音的共振频率来诊断异 响 ,通过对汽车发动机活塞异响声诊断的应用 ,有效 地提取出不同声响产生的共振频率 。该方法为减少 汽车声音诊断对经验依赖 , 提高诊断正确率提供了 一种手段 。
图 4 发动机声音信号频谱
( a) 正常 , ( b) 活塞销与座孔配合松动 ( c) 活塞销与连杆衬套配合松动 , ( d) 活塞敲缸
图 5 活塞销与座孔配合松动声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
图 6 活塞销与连杆衬套配合松动声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
2006 年 12 月 噪 声 与 振 动 控 制 第 6期
文章编号 : 1006 - 1355 ( 2006 ) 06 - 0040 - 03
发动机活塞异响声的循环统计量诊断法
李 力 ,廖湘辉
(三峡大学 机械与材料学院 ,湖北宜昌 443002 )
塞销与座孔配合松动 、 活塞销与连杆衬套配合松动和 活塞敲缸四种状态下测得的声音信号时域波形和频 谱 。从它们的时域波形可以看到 , 声音信号比较复 杂 ,含有的冲击成分除活塞销与座孔配合松动异响明 显外 ,其它都不明显或不规则 。从频谱看 ,虽然故障 声音都有一个比较明显的共振频带 ,但分布宽 ,比较 杂乱 ,不同故障共振频带相互覆盖 ,如活塞销与座孔 配合松动声和活塞敲缸声 ,影响诊断效果 。图 5、 图 6 和图 7 是提取发动机异响共振频率和共振带的循环 谱谱图 ,其中图 ( a )是对应频段的频谱作为比对 。由 循环相关函数解调原理可知 ,循环谱图中标识的最大 值的 1 /2 为共振频率。从图形可见循环谱可以很好 地抑制共振频带内的干扰噪声 ,与频谱相比 ,大大缩 小了共振频带 ,使不同故障引起的异响处于不同共振 带 ,达到诊断效果。表 1 列出了用频谱和循环谱提取 出的共振频率和共振带 ,由这些数据可知 ,循环谱抗 噪性强 ,可以将三种异响的有效共振带成分成功分 离 。由于实际异响共振频率一般由不止一个的零部 件组成的系统产生 ,并且这个系统的组成具有一些随 机性 ,依赖与故障零部件之间的相互撞击位置和大 小 ,因此使用不同异响引起的共振频率带来诊断比较 可靠 。正是由于这种不同 ,虽然这些异响声的节律相 同 ,人耳听起来也是不同的。
1 循环解调方法原理
机械由于其运动部件的旋转与往复运动具有周 期性 ,所产生信号的统计量 ,如二阶统计量 (相关函 数 ) ,一般是随时间周期变化的 ,属于特殊的非平稳 [2] 信号 — — — 循环平稳信号 , 循环平稳信号的处理基 于循环统计量理论 。因为发动机异响由冲击激发相 应零 件 的 产 生 共 振 , 其 声 音 信 号 为 调 幅 信 号 , 文 [3] 献 介绍了机械调制信号的二阶循环统计量的解 调方法 ,基于该方法调制源可以有效地提取出来 。 下面介绍利用循环解调方法提取共振频率的方法 。 1. 1 循环相关函数定义 假设 x ( t) 是一个零均值的非平稳信号 ,它的二 阶时变统计量 ,即自相关函数定义为 ) = E{ x ( t) x ( t - τ )} ( 1) rx ( t,τ 其中 E{ ・}表示统计平均。对于循环平稳信号 ,假设 它 的二阶统计量具有 t0 的周期性 , 则可用 Fourier 级
D ia gnosin g Abnorma l Sound of Eng in e P iston by Cyclic Sta tistics
L I L i, L iao X iang 2hu i
( China Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China )
发动机活塞异响声的循环统计量诊断法 级数展开 ,得到
∞
41
) = rx ( t,τ
其中 α = m / t0 ,其 Fourier系数
) = rx (τ
α
m =-∞
∑
) e t0 rx (τ
α
π 2 j mt
∞
=
m =-∞
∑r
α
x
(τ )e
π αt j2
( 2)
1
t0
∫r ( t,τ) e
- t0 / 2 x
2 活塞异响声诊断实例分析
图 3 和图 4是解放 CA141汽车发动机在正常 、 活
2006 年 12 月 噪 声 与 振 动 控 制 第 6期
图 3 发动机声音信号波形
( a) 正常 , ( b) 活塞销与座孔配合松动 ( c) 活塞销与连杆衬套配合松动 , ( d) 活塞敲缸
Sx ( f ) =
α
图 1 仿真信号的波形 ( a)和频谱 ( b)
)e r (τ ∫
α
x -∞
∞
πτ -d
( 4)
循环相关函数和循环谱统称为二阶循环统计量 。 1. 2 解调方法原理 α 利用循环相关函数解调就是搜索使 rx (τ) ≠0 的所有循环频率的集合 , 从而确定调制信号中各频 率成分的分布频段 , 分离出调制源 。文献 [ 3 ]利用 调幅信号简化模型
摘 要 : 基于循环统计方法对汽车发动机异响声音诊断 , 指出不同异响声的本质是由于不同零件故障激发出 的共振频率不同 。提出用循环相关函数的解调方法提取声音信号共振频率和共振带 ,应用于发动机活塞的三种故 障诊断 ,取得了好的效果 。该方法将减少汽车声音诊断法对经验的依赖 ,提高诊断的可靠性 。 关键词 : 声学 ; 发动机活塞 ; 异响 ; 诊断 ; 循环相关函数 中图分类号 : TH165 + . 3 文献标识码 : A
x ( t) =
b +
∑co s2πf
i =1
ci
πf0 t t co s2
( 5)
图 2 仿真信号的循环谱
推导出了基于循环解调方法的解调结果在循环域中 的分布规律 。其中 i = 1, 2, ……N 为 N 个调制源 , fci 为调制源 , f0 为载波 , 且 f0 > ( 5 ～10 ) m ax ( fci ) , b 为 随机量 。利用统计解调方法提取共振频率 (载波 ) 的原理是 : 调制信号被解调后 ,在循环频率域上的 2 倍共振频率处频带存在循环频率集合 A = { 2 f0 , 2 f0 ± fci , 2 f0 ±( fci ± fck ) } , 它同时含有载波和调制源信 息 ,因此利用该频率带可以提取出共振频率信息 。 解调方法详细推导过程参阅文献 [ 3 ]。 1. 3 仿真信号分析 设仿真信号为 πf1 t) ] co s ( 2 πf0 t) x ( t) = [ n ( t) + A co s ( 2 其中调制源 f1 = 7Hz,载波 f0 = 80Hz, 采样频率 fs = 1000Hz。 n ( t) 为平稳遍历噪声 , A 为常数 。 x ( t) 波 形和频谱见图 1 所示 ,频谱中两个峰值是调制边带 , 无法识别出共振频率 。图 2 是 x ( t) 的循环谱 , 横坐 标表示循环频率 , 纵坐标表示循环谱密度 , 用 CSD 表示 。图中在循环频率 α = 160Hz ( 2 f0 ,载波频率的 2 倍 ) , 146Hz和 174Hz ( 2 f0 ± 2 f1 )处分别有峰值 。共 振频率 80Hz在循环谱中为 2 倍 , 即 160Hz, 并且为 最大值 。仿真分析结果表明 : 循环解调方法可以有 效地提取出共振频率信息
图 7 活塞敲缸声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
(下转第 45 页 )
基于小波分析的结构损伤检测 分布随机数 , ε是测量噪声程度指标 。对于每种模 式类别 , 分别产生测量噪声程度 ε为 0. 05, 0. 1 和 0. 15 的 3 种情况下的训练数据 , 则训练数据共有 129 组 ,另外每个模式类别对两种神经网络分别再 产生 100 组测试数据 ,作为检验数据 ,用检验数据比 较这两种网络的检测效果 , 其识别精度用准确识别 数据的总数与检验数据的总数之比表示 , 结果见 表 1。 由表 1 列出的数据可以看出 , 当噪声程度比较 低时 (ε = 0. 05 ) ,这两种网络的识别精度都比较高 , 随着噪声程度的增加 ,它们的识别精度均有所下降 , 但无论什么情况下小波神经网络的识别精度都要比 传统 B P网络高 , 可见小波神经网络的损伤识别能 力要优于 B P网络 。
Abstract: Since the nature of the sound, which sounded different by ear, is dom inated by the excit2 ed resonance of faulty parts . The paper developed a method of extracting the resonant frequency to diag2 nose abnormal sound of automobile engine. The m ethod is based on the cyclic autocorrelation function and extracts the resonant frequencies located in cyclic frequency domain. App lied it to diagnose the sound of faulty p istons, the different resonant frequencies are identified effectively . Thus the method p rovides a tool to reduce the dependence on the experience of automobile sound diagnosis and enhance the diagnostic correctness . Key words: acoustics; engine p iston; abnormal sound; diagnosis; cyclic autocorrelation function 通过听声来识别故障在发动机诊断中应用相当 普遍 ,这种方法不仅在有经验的维修人员和司机中 广泛应用 ,甚至在一些大专院校的有关专业也开设 了这方面的课程 ,足以说明靠听声音诊断机械故障 的有效性 。然而这种方法在实践中需要操作者具有 足够的经验 ,并且为了使异响更加突出 ,还需要调整 发动机的转速 、 抖动油门 、 断火及内听等 , 这些都增 加了异响诊断的难度 ,也增加了对经验的依赖程度 。 从汽车发动机主要故障来看 , 故障根源不外乎由配 合面的磨损 、 运动副的松动及零部件的缺损引起 ,它 们往往使某些零件在运动时发生撞击 , 异响主要就 是这些冲击带来的声音 。从人耳感觉声音的本质来 看 ,机器声音的差异主要表现在声音的节律 、 音质和 音调等方面 ,冲击的周期仅影响声音的节律 ,却不能 影响声音的音质和音调 。音质和音调基本上是由发 [1] 生冲击的零部件决定 。冲击激发出相应零部件 的固有频率 ,而固有频率直接取决于零部件的质量 和刚度 ,不同零件具有不同的固有频率 ,产生声音特 点也自然不相同 。所以即使异响的节律相同 , 但由
+t 0 /2
π αt - j2
dt
( 3)
表示在循环频率 α上的循环自相关强度 , 称为循环 相关函数 ,α称为循环频率 。当循环平稳过程含多 个周期时 ,式 ( 3 )仍然可用 , 只是对每一个周期都要 重复使用一次上述公式 。类似于平稳信号用功率谱 提取信号的周期分量 ,对循环平稳过程 ,也可以通过 Fourier变换提取循环相关函数中的周期 。循环相 关函数对 τ 的 Fourier变换称为循环谱 ,表达式为
收稿日期 : 2005 2 12 2 19 基金项目 : 湖北省水电工程施工与管理重点实验室三峡大学开放基 金资助 200503。 作者简介 : 李力 ( 1964 - ) ,女 ,湖南人 , 博士 , 教授 , 副院长 , 从事机械 监测与故障诊断方面的研究工作 。
不同的故障源引起 , 其音调 、 音质也会不同 , 这就使 操作者用耳朵可以听辨出来 。根据这一原理 , 本文 提出用循环解调方法提取声音的共振频率来诊断异 响 ,通过对汽车发动机活塞异响声诊断的应用 ,有效 地提取出不同声响产生的共振频率 。该方法为减少 汽车声音诊断对经验依赖 , 提高诊断正确率提供了 一种手段 。
图 4 发动机声音信号频谱
( a) 正常 , ( b) 活塞销与座孔配合松动 ( c) 活塞销与连杆衬套配合松动 , ( d) 活塞敲缸
图 5 活塞销与座孔配合松动声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
图 6 活塞销与连杆衬套配合松动声共振频率和共振带 ( a)频谱 , ( b)循环谱
2006 年 12 月 噪 声 与 振 动 控 制 第 6期
文章编号 : 1006 - 1355 ( 2006 ) 06 - 0040 - 03
发动机活塞异响声的循环统计量诊断法
李 力 ,廖湘辉
(三峡大学 机械与材料学院 ,湖北宜昌 443002 )
塞销与座孔配合松动 、 活塞销与连杆衬套配合松动和 活塞敲缸四种状态下测得的声音信号时域波形和频 谱 。从它们的时域波形可以看到 , 声音信号比较复 杂 ,含有的冲击成分除活塞销与座孔配合松动异响明 显外 ,其它都不明显或不规则 。从频谱看 ,虽然故障 声音都有一个比较明显的共振频带 ,但分布宽 ,比较 杂乱 ,不同故障共振频带相互覆盖 ,如活塞销与座孔 配合松动声和活塞敲缸声 ,影响诊断效果 。图 5、 图 6 和图 7 是提取发动机异响共振频率和共振带的循环 谱谱图 ,其中图 ( a )是对应频段的频谱作为比对 。由 循环相关函数解调原理可知 ,循环谱图中标识的最大 值的 1 /2 为共振频率。从图形可见循环谱可以很好 地抑制共振频带内的干扰噪声 ,与频谱相比 ,大大缩 小了共振频带 ,使不同故障引起的异响处于不同共振 带 ,达到诊断效果。表 1 列出了用频谱和循环谱提取 出的共振频率和共振带 ,由这些数据可知 ,循环谱抗 噪性强 ,可以将三种异响的有效共振带成分成功分 离 。由于实际异响共振频率一般由不止一个的零部 件组成的系统产生 ,并且这个系统的组成具有一些随 机性 ,依赖与故障零部件之间的相互撞击位置和大 小 ,因此使用不同异响引起的共振频率带来诊断比较 可靠 。正是由于这种不同 ,虽然这些异响声的节律相 同 ,人耳听起来也是不同的。
1 循环解调方法原理
机械由于其运动部件的旋转与往复运动具有周 期性 ,所产生信号的统计量 ,如二阶统计量 (相关函 数 ) ,一般是随时间周期变化的 ,属于特殊的非平稳 [2] 信号 — — — 循环平稳信号 , 循环平稳信号的处理基 于循环统计量理论 。因为发动机异响由冲击激发相 应零 件 的 产 生 共 振 , 其 声 音 信 号 为 调 幅 信 号 , 文 [3] 献 介绍了机械调制信号的二阶循环统计量的解 调方法 ,基于该方法调制源可以有效地提取出来 。 下面介绍利用循环解调方法提取共振频率的方法 。 1. 1 循环相关函数定义 假设 x ( t) 是一个零均值的非平稳信号 ,它的二 阶时变统计量 ,即自相关函数定义为 ) = E{ x ( t) x ( t - τ )} ( 1) rx ( t,τ 其中 E{ ・}表示统计平均。对于循环平稳信号 ,假设 它 的二阶统计量具有 t0 的周期性 , 则可用 Fourier 级
D ia gnosin g Abnorma l Sound of Eng in e P iston by Cyclic Sta tistics
L I L i, L iao X iang 2hu i
( China Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China )
发动机活塞异响声的循环统计量诊断法 级数展开 ,得到
∞
41
) = rx ( t,τ
其中 α = m / t0 ,其 Fourier系数
) = rx (τ
α
m =-∞
∑
) e t0 rx (τ
α
π 2 j mt
∞
=
m =-∞
∑r
α
x
(τ )e
π αt j2
( 2)
1
t0
∫r ( t,τ) e
- t0 / 2 x
2 活塞异响声诊断实例分析
图 3 和图 4是解放 CA141汽车发动机在正常 、 活
2006 年 12 月 噪 声 与 振 动 控 制 第 6期
图 3 发动机声音信号波形
( a) 正常 , ( b) 活塞销与座孔配合松动 ( c) 活塞销与连杆衬套配合松动 , ( d) 活塞敲缸
Sx ( f ) =
α
图 1 仿真信号的波形 ( a)和频谱 ( b)
)e r (τ ∫
α
x -∞
∞
πτ -d
( 4)
循环相关函数和循环谱统称为二阶循环统计量 。 1. 2 解调方法原理 α 利用循环相关函数解调就是搜索使 rx (τ) ≠0 的所有循环频率的集合 , 从而确定调制信号中各频 率成分的分布频段 , 分离出调制源 。文献 [ 3 ]利用 调幅信号简化模型
摘 要 : 基于循环统计方法对汽车发动机异响声音诊断 , 指出不同异响声的本质是由于不同零件故障激发出 的共振频率不同 。提出用循环相关函数的解调方法提取声音信号共振频率和共振带 ,应用于发动机活塞的三种故 障诊断 ,取得了好的效果 。该方法将减少汽车声音诊断法对经验的依赖 ,提高诊断的可靠性 。 关键词 : 声学 ; 发动机活塞 ; 异响 ; 诊断 ; 循环相关函数 中图分类号 : TH165 + . 3 文献标识码 : A