[發明專利]一種基于雙麥克風的列車軸承軌邊聲學信號主動降噪方法

有效

• 申請號: 201911014725.5
• 申請日: 2019-10-24
• 公開（公告）號: CN110740407B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 劉方;劉家慶;汪路;劉永斌;陸思良;琚斌;曹正
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: H04R3/04
• 分類號: H04R3/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明公開了一種基于雙麥克風的列車軸承軌邊聲學信號主動降噪方法，在鐵軌旁放置兩個麥克風，主麥克風正對輪對軸承，參考麥克風正對輪軌接觸處，且兩麥克風在同一垂線上，雙麥克風同步采集輪對軸承發出的聲音、輪軌接觸噪聲和背景噪聲。然后對參考麥克風采集到的信號進行反調制與再調制處理，使得兩麥克風采集到的噪聲信號的多普勒畸變規律一致。最后運用最小均方算法完成列車軸承軌邊聲學信號的主動降噪。本發明采用雙麥克風實現列車軸承軌邊聲學信號的去噪，具有使用麥克風數量較少、可消除帶內噪聲、自適應主動降噪的優點，能夠有效提高列車軸承軌邊聲學信號的信噪比。本發明可用于列車軸承軌邊聲學故障診斷。

技術領域

本發明屬于高速列車軸承故障診斷領域，尤其涉及一種基于雙麥克風的列車軸承軌邊聲學信號主動降噪方法。

背景技術

列車作為世界范圍內的一種重要交通運輸工具，其安全運行直接關系到財產安全和乘客生命安全，而輪對軸承作為列車的關鍵部件，其健康狀態的實時監測診斷尤為重要。軌邊聲學診斷技術利用放置在鐵軌兩側的麥克風采集列車通過時軸承發出的聲音信號，通過信號處理獲取軸承健康狀況信息。但由于軸承在故障早期發出的聲音信號較為微弱，常被噪聲淹沒，給精確診斷帶來了困難。在軌邊聲學診斷系統中，一般麥克風正對列車軸承放置，輪軌接觸噪聲距離麥克風較近，其信號能量也較大，因此消除輪軌接觸噪聲是提高軸承軌邊信號信噪比的有效途徑。在信號處理領域，傳統的數字濾波技術難以消除帶內噪聲，并且容易造成目標聲源信息失真的現象，去噪效果有待進一步提高。另一方面，現有的陣列方案使用的麥克風數量較多，陣列信號處理算法復雜，使用的指向性濾波器存在旁瓣，去噪效果有待提升。

發明內容

針對以上技術存在的不足，本發明提出一種基于雙麥克風的列車軸承軌邊聲學信號主動降噪方法，方法中使用兩個放置在鐵軌旁的麥克風采集聲信號，其中主麥克風正對輪對軸承，參考麥克風正對輪軌接觸處，且兩麥克風在同一垂直面上，列車通過時雙麥克風同步采集輪對軸承發出的聲音、輪軌接觸噪聲和背景噪聲。然后對參考麥克風采集到的信號進行反調制與再調制處理，使得兩麥克風采集到的噪聲信號的多普勒畸變規律一致。最后運用最小均方算法將主麥克風中的噪聲成分主動剔除，實現信號的去噪。本方法與現有的麥克風陣列技術相比，使用麥克風數量較少。同時具有可消除帶內噪聲、簡單有效的優點，由于采用了主動降噪策略，方法具有自適應性，能夠有效提高列車軸承軌邊聲學信號的信噪比。本發明可用于列車軸承軌邊聲學故障診斷。

本發明采用的技術方案為：基于雙麥克風的列車軸承軌邊聲學信號主動降噪方法，實現步驟如下：

步驟(1-1)、在列車軌道旁邊放置兩個麥克風，其中主麥克風正對輪對軸承，參考麥克風正對列車與輪軌接觸處，且兩個麥克風在同一垂直面上。當列車高速通過時，兩個麥克風同步采集輪對軸承發出的聲音信號、輪軌接觸噪聲和背景噪聲，主麥克風采集到的信號為pre(t)，參考麥克風采集到的信號為ref(t)。

步驟(1-2)、對參考麥克風采集到的信號ref(t)在時域和頻域上進行反調制信號處理得到信號ref_correct(t)，然后對信號ref_correct(t)進行再調制處理得到信號ref_modulate(t)，使參考麥克風與主麥克風采集到的聲信號多普勒畸變規律一致。

步驟(1-3)、采用最小均方算法進行主動降噪。

所述步驟(1-2)中，參考麥克風采集到的信號ref(t)進行反調制信號處理環節的步驟如下：

步驟(2-1)、根據聲源發聲時間序列t_e＝{0，1/f_s，2/f_s，…(N-1)/f_s}計算參考麥克風采集信號的時間序列其中，N為參考麥克風采集到的信號長度，f_s為參考麥克風采集到的聲音信號的采樣頻率，s為信號起始時刻聲源距離參考麥克風的水平距離，v為列車運動速度，r_2b為列車運動過程中輪軌接觸處與參考麥克風之間的最短距離，c為聲音在空氣中的傳播速度。