[發明專利]一種基于信號時頻分解的頻率—峭度圖的實現方法

有效

• 申請號: 201711106918.4
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107941511B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 閆茂德;馬文瑞;宋家成;楊盼盼;唐曄;朱旭;左磊
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045;G01M13/028;G01M13/021
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 李鄭建

本發明公開了一種基于信號時頻分解的頻率—峭度圖的實現方法，首先對信號進行頻率切片小波變換以求取它的時頻分解結果，以此為基礎，選擇一個信號分量重構的帶寬，以一定頻率間隔為步長，在時頻分解空間上選取時頻子空間，把信號的時頻空間分割為一系列具有相同帶寬、又相互重疊的子空間。然后，采用頻率切片小波變換逆變換提取該信號在這些子空間的時域分量，并計算這些子空間的時域分量的峭度值，進而得到信號在整個分析頻帶的峭度值序列；以每個時頻子空間的中心頻率作為橫坐標值、對應信號分量的峭度作為縱坐標值，即可得到該信號的頻率—峭度曲線，在頻率—峭度曲線上的峰值對應的頻率為機構或部件的共振頻率。

技術領域

本發明屬于機械設備信號處理領域，具體涉及一種基于信號時頻分解的頻率—峭度圖的實現方法。

背景技術

軸承、齒輪等是機械設備中最常用的零部件，機械設備故障的30％以上是與它們相關的。這些部件出現損傷或故障時，在其旋轉過程中會激發結構部件產生共振，由于沖擊響應重復出現，伴隨重復性的沖擊，振動信號出現幅值調制現象，幅值調制的頻率與故障特征有關。在故障初期這些特征被淹沒在噪聲中，因此，選擇共振頻帶分離出重復沖擊特征，可以有效地確定故障類型。

峭度是機械設備故障診斷中常用的無量綱指標，可用來度量信號中沖擊分量的強弱。它是一種統計量指標，若以一定時間段的采樣信號為基礎計算，這種峭度就是一種時域指標。對于工作中的機械設備，當出現零部件故障時，其動態性能發生改變，振動加劇，因此，在機械設備狀態監測和故障診斷領域，峭度常被用于評價機械設備或部件的狀態。

文獻[1]以采用短時傅立葉變換為基礎，在選定窗函數后、以一定的帶寬對振動信號進行濾波，然后計算各個頻帶濾波信號包絡的峭度，用最大峭度值確定共振頻帶來提取軸承的損傷特征。文獻[2]采用窄帶濾波的方法對信號進行濾波，得到一系列信號分量，在獲取這些信號分量包絡的頻譜的基礎上，通過計算這些頻譜幅值序列的峭度，來確定共振頻帶來提取軸承的損傷特征。文獻[3]采用頻率切片小波變換對振動信號進行時頻分解，得到信號的時頻能量分布，再對信號的時頻空間以給定的頻帶寬度進行分割，以時頻能量分布為基礎計算這些時頻子空間的時頻峭度指標，以此確定共振頻帶提取軸承的損傷特征。

上述方法在應用過程中存在以下問題：

(1)采用短時傅立葉變換濾波和窄帶濾波方法，需要事先設置窗函數的帶寬和中心頻率，需要先驗知識。

(2)采用一個給定帶寬以無重疊的、等寬的形式分割信號的頻帶或時頻空間，往往會遺漏最佳頻帶，因為特征頻帶不一定正好落在人為分割的頻帶或時頻區間內。

(3)濾波頻帶的寬度選擇對基于信號包絡的時域、頻域峭度值計算的影響較大，帶寬選擇太大，濾波信號包絡成分復雜，其峭度值不能很好地反映信號的沖擊特征，帶寬選擇太小，濾波信號包絡成分單一，其包絡變化緩慢，沖擊特征無法展現。

以下是申請人檢索的相關參考文獻：

[1]J.Antoni and R.B.Randall，The spectral kurtosis：application to thevibratorysurveillance and diagnostics of rotating machines[J].MechanicalSystems and SignalProcessing，2006，20：308-331。

[2]T.Barszcz，A.Jabtoński.A novel method for the optimal bandselection for vibration signal demodulation and comparison with the Kurtogram[J].Mechanical Systems and Signal Processing，2011，25：431–451。