基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法与流程

本发明涉及齿轮箱故障检测，具体涉及一种基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法。

背景技术：

1、齿轮箱是一种广泛应用的机械部件，因此对齿轮箱的性能检测是极为重要的。目前对齿轮箱的性能检测有通过对其振动信号的分析检测的，也有通过其噪声来进行分析检测的。

2、由于人耳对不同频率的声音敏感度不一样，即使声压级大小相同，听起来响度也不一样。为了使测量结果能够反映人们对噪声的主观感受，对声音信号通常需要进行频率计权和时间计权。常用的频率计权有a，b，c，d四种计权方式。特别地，a计权声级是模拟人耳对55db以下低强度噪声的频率特性，得到的结果与人耳感觉十分接近，因此应用十分广泛。其中，时间计权通常与频率计权配合使用才能使测量结果在一定程度上反应出人的主观感受特性。所谓时间计权实际上是对测量信号进行时间平均。通常时间平均特性包含三种方式，即“快”档(f)，“慢”档(s)和“脉冲”(i)。对于变化缓慢的声音信号，采用的时间常数为1000ms，对于快速变化的信号则用125ms的时间常数，对于脉冲信号则用35ms时间常数。

3、在通过噪声分析时，传统声学计权方式是对真实的声压级通过增益因子进行修正，使其更符合入耳的主观感受，在声级计中得到了广泛应用，但对于齿轮箱等机械传动装置，由于其结构复杂、工况多变等导致其响应信号存在非平稳性，而多部件、多干扰会进一步加剧其信号耦合性以及复杂程度，不利于齿轮箱动态服役性能声学评价。常规的固定尺度及带宽计权与非计权方式由于忽略了齿轮箱自身动态服役特点而无法准确评价，其结果并不总能令人满意。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法、系统、设备及介质。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法，包括以下步骤：

3、一种基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法，包括以下步骤：

4、获取齿轮箱的动态声学信号f(t)；

5、对所述动态声学信号f(t)进行变分模态vmd分解，获取每个模态分量信号的中心频率ωk；

6、将每个模态分量信号的中心频率ωk作为频率计权的中心频率，进行频率计权，得到修正值；

7、对所述动态声学信号的时域采样点值求取rms均方根值，得到有效声压p′e；

8、基于所述有效声压p′e得到所述动态声学信号的声压级；

9、将所述修正值与所述动态声学信号的声压级相加得到计权值，完成对齿轮箱动态服役性能声学评价。

10、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，步骤2中，

11、将所述动态声学信号进行模态分解为k个模态分量，以保证分解序列为具有中心频率的有限带宽的模态分量，同时各模态的估计带宽之和最小为目标，建立目标函数，以所有模态之和与所述动态声学信号f(t)相等为约束条件，求解目标函数得到每个模态分量信号的中心频率ωk。

12、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，所述目标函数为：

13、其中，{uk}、{ωk}分别对应分解后第k个模态分量和第k个模态分量的中心频率，δ(t)为迪克拉函数，*为卷积运算符，为二范数的平方，t为动态声学信号f(t)的时间轴，指对t的偏导，j代表虚数单位；j/πt是指虚部。

14、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，求解目标函数的步骤为：

15、初始化模态个数k和n＝0，其中，n为迭代次数，是uk，λ的的傅里叶变换；

16、求解目标函数，引入lagrange乘法算子λ，将约束变分问题转变为非约束变分问题，得到增广lagrange表达式为：

17、式中α

18、为二次惩罚因子；

19、根据：

20、

21、

22、进行迭代寻优，得到第k个模态分量uk的最优值以及第k个模态分量的中心频率ωk的最优值，γ为噪声容忍度，指动态声学信号f(t)的傅里叶变换，ω指傅里叶变换后的频率。

23、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，迭代时，给定精度ε＞0，当满足停止条件且n＜n’，停止循环，n’为最大迭代次数。

24、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，所述有效声压级p′e的计算公式为：

25、其中，paop声音传感器最大声压级，pref为基准声压，n为时域采样点数，x(n)为时域采样点的值。

26、作为基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法的优选技术方案，基于所述有效声压p′e得到所述动态声学信号的声压级的计算公式如下：

27、

28、本发明公开的一种齿轮箱动态服役性能声学评价系统，基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法，包括：

29、信号获取模块，用于获取齿轮箱的动态声学信号f(t)；

30、分解模块，用于对所述动态声学信号f(t)进行变分模态vmd分解，获取每个模态分量信号的中心频率ωk；

31、修正模块，用于将每个模态分量信号的中心频率ωk作为频率计权的中心频率，进行频率计权，得到修正值；

32、有效声压计算模块，用于对所述动态声学信号的时域采样点值求取rms均方根值，得到有效声压p′e；

33、声压级计算模块，用于基于所述有效声压p′e得到所述动态声学信号的声压级；

34、加权计算模块，用于将所述修正值与所述动态声学信号的声压级相加得到计权值，完成对齿轮箱动态服役性能声学评价。

35、本发明公开的一种齿轮箱动态服役性能声学评价设备，包括用于采集齿轮箱的动态声学信号的声音传感器，还包括处理器和存储器，所述声音传感器与处理器连接，向所述处理器发送其采集的动态声学信号，所述处理器与存储器通信连接，所述存储器用于存放至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行前述的基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法对应操作。

36、本发明公开的一种齿轮箱动态服役性能声学评价实现介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令包括前述的基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法对应操作。

37、包括用于采集齿轮箱的动态声学信号的声音传感器，还包括处理器和存储器，所述声音传感器与处理器连接，向所述处理器发送其采集的动态声学信号，所述处理器与存储器通信连接，所述存储器用于存放至少一个可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1-6任一项所述的基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法对应操作。

38、本发明公开的一种齿轮箱动态服役性能声学评价设备，包括：

39、至少一个处理器；以及

40、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

41、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够：

42、获取齿轮箱的动态声学信号f(t)；

43、对所述动态声学信号f(t)进行变分模态vmd分解，获取每个模态分量信号的中心频率ωk；

44、将每个模态分量信号的中心频率ωk作为频率计权的中心频率，进行频率计权，得到修正值；

45、对所述动态声学信号的时域采样点值求取rms均方根值，得到有效声压p′e；

46、基于所述有效声压p′e得到所述动态声学信号的声压级；

47、将所述修正值与所述动态声学信号的声压级相加得到计权值，完成对齿轮箱动态服役性能声学评价。

48、本发明公开的一种齿轮箱动态服役性能声学评价实现介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令包括：

49、获取齿轮箱的动态声学信号f(t)；

50、对所述动态声学信号f(t)进行变分模态vmd分解，获取每个模态分量信号的中心频率ωk；

51、将每个模态分量信号的中心频率ωk作为频率计权的中心频率，进行频率计权，得到修正值；

52、对所述动态声学信号的时域采样点值求取rms均方根值，得到有效声压p′e；

53、基于所述有效声压p′e得到所述动态声学信号的声压级；

54、将所述修正值与所述动态声学信号的声压级相加得到计权值，完成对齿轮箱动态服役性能声学评价。

55、相对于现有技术，本发明提供的一种基于变尺度计权分析的齿轮箱动态服役性能声学评价方法，具有以下显著的有益效果：

56、本发明基于变尺度模态分解实现动态响应信号多尺度频带自适应划分，综合频域计权的幅值增益因子，即上述修正值，构建出符合机械结构噪声的变尺度计权模型，由于变尺度计权是指计权的中心频率不再是国标中的固定值，而是根据数据的变化，通过变尺度模态分解计算出来的不断变化的计权中心频率，因此可以更好地描述与评价齿轮箱整机噪声的主要频段对总声压级的贡献率。