[發明專利]通過聲源定位實現球磨機設備工作狀態檢測的方法

有效

• 申請號: 201710419078.0
• 申請日: 2017-06-06
• 公開（公告）號: CN107238506B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 葉中付;付加飛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01H17/00
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;鄭哲

1.一種通過聲源定位實現球磨機設備工作狀態檢測的方法，其特征在于，包括：

利用麥克風陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號段；

采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質球撞擊襯板的信號段進行聲源定位，獲得相應的撞擊角度信息；

根據撞擊角度信息與物料線的關系，檢測球磨機設備的工作狀態；

其中，所述采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質球撞擊襯板的信號段進行聲源定位，獲得相應的撞擊角度信息包括：

球磨機設備的滾筒是圓柱形的，所獲得的疑似介質球撞擊襯板的信號段均來自于與弧形的麥克風陣列在同一平面的橫截面上；弧形的麥克風陣列擺放位置與滾筒橫截面形成同心圓，則以麥克風陣列中最上端的麥克風作為參考點，以參考點與圓心的連線作為y軸，以在同一平面并與y軸垂直的線作為x軸；

第i個麥克風的位置為：

loc_i＝[r×cos((i-1)×d/r),r×sin((i-1)×d/r)]；

式中，r為弧形的麥克風陣列的半徑，d為相鄰麥克風的弧長；

從第i個麥克風挑選出疑似撞擊的信號中包含了多個數據幀，假設一個數據幀中只有一個聲源，以y軸與滾筒表面交點處的聲源位置為零度，向下方向為角度增加的方向，如果某一數據幀中的聲源角度為θ，滾筒的半徑為R，聲源對應的坐標為：

obj＝[R×cos((π/180)×θ),R×sin((π/180)×θ)]；

聲源與第i個麥克風之間的距離為：

假設聲音在當前條件下傳播的速度為c，則聲源到達第i個麥克風的時間為：

t_i＝dis_i/c；

從而得到聲源到達第i個麥克風與到達參考麥克風之間的時延為：

τ_i＝t_i-t₁；

式中，t₁為當前聲源到達參考麥克風的時間；

因為聲信號為帶寬為B的寬帶信號，將疑似介質球撞擊襯板的信號段分成N_t個幀長為Fr的子信號段，每一子信號段即為一幀，對每個子信號段進行Fr點的離散傅里葉變換，得到如下的寬帶信號模型：

X_s(f_l)＝a(f_l,θ)S_s(f_l)+N_s(f_l),l＝1,2,...,F_r；s＝1,2,...,N_t；

其中，X_s(f_l)和N_s(f_l)是M×1維矢量，其元素分別是由第s幀中麥克風陣列接收信號x_s(t)和噪聲n_s(t)在頻率f_l處的離散傅里葉系數構成，而S_s(f_l)的元素是由無噪聲的信號s_s(t)的離散傅里葉系數構成；

當聲源角度為θ時，麥克風陣列在f_l頻率點處的導向矢量為：

利用非相干信號子空間方法估計聲源方向，首先估計f_l頻率點數據X_s(f_l)的協方差矩陣：

R_s(f_l)＝E[X_s(f_l)X_s(f_l)^H]；

其中，E[·]表示求期望的操作；

接著對其進行特征分解，得到正交的信號子空間U_S(f_l)和噪聲子空間U_N(f_l)；最后，綜合利用所有頻率點的噪聲子空間，采用MUSIC算法估計聲源方向：

根據球磨機設備實際的運作狀態，球磨機設備內介質球只可能在某個角度范圍內與襯板撞擊，在對空間譜搜索的過程中，設定搜索的角度間隔以及角度范圍，找出空間譜的峰值對應的角度，即得到最終的撞擊角度信息；

所述根據撞擊角度信息與物料線的關系，檢測球磨機設備的工作狀態包括：

在保持球磨機設備內物料和介質球體積一定的情況下，物料線的位置是球磨機滾筒轉速的函數，將這個函數假設為線性函數，在每一個滾筒轉速條件下，都有一個相應的物料線位置；根據實際生產過程中積累的先驗知識，在固定的一段時間內正常轉速下介質球撞擊襯板的次數在(v1,v2)范圍內；

根據撞擊角度信息，統計在固定時間內在物料線上方的撞擊次數，如果大于v2，則表明當前球磨機設備處于高速狀態，需要降低球磨機轉速；如果統計的撞擊次數小于v1，則表明當前球磨機設備處于低速狀態，需要提高球磨機轉速；如果統計的撞擊個數在(v1,v2)范圍內，則表明當前球磨機設備處于正常轉速狀態，維持當前轉速即可。

2.根據權利要求1所述的一種通過聲源定位實現球磨機設備工作狀態檢測的方法，其特征在于，所述利用麥克風陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號段的步驟包括：

麥克風陣列接收的信號如下：

x_i(t)＝s(t-τ_i)+n_i(t),i＝1,2,...,M；

其中，x_i(t)為t時刻第i個麥克風通道接收到的時域信號，s(t)表示介質球撞擊襯板的信號，當沒有介質球撞擊襯板時s(t)＝0，τ_i表示撞擊信號到達第i個麥克風通道相對于到達參考麥克風通道的時延，n_i(t)表示第i個麥克風通道接收的所有噪聲，M表示麥克風個數；

對于第i個麥克風通道，在球磨機設備開機后并進入穩定工作狀態后，獲得時間長度為T分鐘的采樣數據，計算采樣數據的能量，作為初始能量：

其中，norm是矢量2范數，為第i個麥克風通道接收到的長度為T分鐘的離散數據，x_i(k)為第i個麥克風通道接收到的第k個點的離散數據；

對于第i個麥克風通道，在球磨機設備工作后，實時獲取聲音數據，當累計到T分鐘的數據時，作為一個數據段；計算該數據段的能量TP_i，并按下式計算其能量與初始能量P_i的比值：

RP_i＝TP_i/P_i；

對第i個麥克風通道的該數據段以幀長為Fr進行分幀，并且相鄰幀之間沒有重疊，得到N幀數據，接著計算第s幀數據的能量

然后，計算第i個麥克風通道所有幀的平均能量值，作為比較的參考：

AE_i＝TP_i/N；

從而初步挑選出第i個麥克風通道中符合條件的疑似介質球撞擊襯板的信號幀以及其索引：

統計每一個幀索引在所有麥克風通道初步挑選的信號幀中出現的次數，如果有一半以上麥克風通道包含當前信號幀索引，則認為當前信號幀數據包含有撞擊信號，并保存當前信號幀的數據；

將每個通道最終挑選出信號幀的數據各自拼接在一起，構成疑似介質球撞擊襯板的信號段，該信號段是一個M行，N_t×Fr列矩陣，其中N_t是挑選后的幀數。