[發明專利]一種基于Welch法的沖床噪聲功率譜估計改進方法

有效

• 申請號: 201410019039.8
• 申請日: 2014-01-16
• 公開（公告）號: CN103811017A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 盧昱;何熊熊;陳河軍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G10L21/0216
• 分類號: G10L21/0216
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術領域

本發明涉及一種用于噪聲控制領域的功率譜估計方法，具體是一種基于Welch法的沖床噪聲功率譜估計改進方法。

背景技術

在工業生產過程中，具體的在沖床的工作過程中，沖床撞擊材料會產生一種沖裁噪聲。這種噪聲具有：重復性、短時性、高強度性的特征。這種重復撞擊噪聲會導致機器設備的聲疲勞，長期作用將會縮短其使用壽命，甚至發生生產事故。強烈的噪聲極易形成差拍型次聲波，作用與人的軀體。人體各個部位都存在固有頻率，身體為7-13HZ，內臟為4-6HZ，頭部為8-12HZ，這些固有頻率剛好在次聲波頻帶內，所以沖壓工人在強烈噪聲環境中工作，常有頭昏腦脹、惡心和心悸之感。降低沖床噪聲已成為噪聲控制工程中的當務之急。

不論是用傳統的無源消噪技術還是新型的有源消噪技術都需要對噪聲進行檢測，為噪聲控制提供噪聲的先驗信息。其中最主要的信息是噪聲的功率譜信息。功率譜信息能反映出噪聲所含有的主要頻率成分，以及各個頻率成分的大小。傳統的無源消噪技術對功率譜信息的依賴不是很強，部分新型的有源消噪技術需要更多的噪聲信息。所以功率譜估計方法的精度直接影響這類依賴噪聲先驗信息的新型有源消噪技術的性能。

近幾十年，已有許多學者提出了各種經典的功率譜估計方法并對其進行了深入的研究，取得了一些重要的成果。經典功率譜估計方法中有一種方法名為Welch法，但是這種方法應用到具有重復、短時、高強度噪聲背景下存在一些局限：

1.由于Welch功率譜估計方法先將噪聲分成有重疊的多段，然后求噪聲的傅里葉變換，而實際中測得的噪聲是離散的有限長的，所以實際中計算的是離散有限長噪聲的離散傅里葉變換，這個值是一個近似值。在對短時噪聲進行功率譜估計時，采樣數據太少，離散傅里葉變換的計算誤差會很大，這個誤差會直接影響功率譜估計的誤差。

2.Welch功率譜估計方法應用在短時高強度（幅值變化劇烈）噪聲中嚴重依賴噪聲檢測設備的采樣頻率。只有噪聲檢測設備達到足夠高的采樣頻率才能有效測得這類噪聲的功率譜。而提高設備采樣頻率的成本高昂。

3.Welch功率譜估計方法不能利用噪聲的重復性這一重要的先驗信息。它的有重疊分段方法不能同時保證功率譜估計性能的精度和分辨率。

沖床作業中產生的沖裁噪聲就是一類重復、短時、高強度噪聲，用Welch功率譜估計方法無法有效測得沖裁噪聲的功率譜信息。如何將噪聲的重復性信息利用起來，在保持噪聲檢測設備采樣率不變的前提下，提高功率譜估計性能成為沖床噪聲控制工程需要解決的一個問題。

發明內容

本發明要克服現有Welch功率譜估計方法在處理重復、短時、高強度噪聲時的不足，提出一種基于Welch法的沖床噪聲功率譜估計改進方法。

改進方法首先利用加窗法截取多段有效噪聲，然后求取有效噪聲的平均值序列，再將有效噪聲的平均值分為含重疊部分的多段，對各段平滑后做離散傅里葉變換，結合Welch法求得噪聲功率譜。該方法提高了離散傅里葉變換的估計精度，間接提高了功率譜估計的精度。該方法主要針對具有重復、短時、高強度噪聲的功率譜估計，除了能有效應用于沖床的沖裁噪聲功率譜估計，還適用于其它具有重復、短時、高強度噪聲的功率譜估計，如打樁機、鍛造機、射擊靶場的噪聲的功率譜估計。用該方法改進傳統功率譜估計設備不需要改變硬件設備，只需要更新軟件中的計算方法，成本低。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明在Welch功率譜估計方法的基礎上，根據沖床的沖裁噪聲的特性改進噪聲的離散傅里葉變換值的計算方法，提高檢測設備對沖裁噪聲的功率譜估計精度。沖床的沖裁噪聲具有重復性和短時性，所以本發明用以下數學公式描述沖裁噪聲信號：

T₁=ξT,(ξ≤1)

其中x(t)表示含有高斯白噪聲干擾的沖裁噪聲信號，s(t)表示沖裁噪聲，u(t)表示高斯白噪聲干擾，t表示時間，T₁表示一次沖裁噪聲有效時長，T表示沖裁周期，ξ表示沖裁噪聲占空比。

沖床沖裁噪聲功率譜估計的具體步驟如下：

(1)初始化功率譜檢測設備。設定傳感器采樣頻率、離散傅里葉變換參數、截斷窗函數形狀、截斷窗函數長度、平滑窗函數形狀、平滑窗函數長度、含重疊分段的重疊長度、迭代次數計數器i初始值、總迭代次數R。

(2)將沖床沖裁控制信號作為開始采樣觸發信號。等待觸發信號，觸發傳感器開始采集沖裁噪聲x(t)的樣本序列。

(3)將沖床收回液壓錘控制信號作為結束采樣觸發信號。等待觸發信號，觸發傳感器結束采集沖裁噪聲樣本。