一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，屬于供輸彈系統故障診斷技術領域，提供了一種利用聲壓信號分析確定供輸彈系統故障，操作簡單，可靠性高的基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，所采用的技術方案為按照以下步驟進行，在供輸彈系統上布置三只聲壓傳感器；采用多通道數據采集分析系統同步采集聲壓信號，采用多功能信號分析處理單元對聲壓信號進行預處理；給出時域特征值，再經短時離散傅里葉變換STFT，得到等時間間隔的一系列STFT頻域圖；采用三點相關定位法尋找故障發生位置，根據特征參量的變化規律和變異程度采用相對熵和能譜技術確定供輸彈系統的故障嚴重程度；本發明廣泛用于供輸彈系統故障的診斷。
【專利說明】
一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，屬于供輸彈系統 故障診斷技術領域。
【背景技術】
[0002] 中大口徑火炮供輸彈系統是火炮武器系統的核心，其復雜的機械機構、高速的運 動形式、精準的控制流程以及惡劣的工作環境，成為影響火炮武器系統作戰效能發揮的主 要因素。供輸彈系統的運行可靠性直接關系著坦克、自行火炮等裝備的射速、火力、生存能 力、機動性和戰機把握，部隊實彈演練和實戰中不時出現的卡殼反映出供輸彈系統連續動 作的不協調問題，長期困擾著軍方和承研單位，需要高度重視并加以解決。
[0003] 樣機試驗和實彈射擊過程中，火炮供輸彈系統常見的故障主要有:①供輸彈機構 高速運動撞擊后產生振動導致交接彈過程不可靠;②殘余振動導致機構不能快速反應與連 續動作;③構件磨損卡滯或阻尼過大引起連續射擊周期加大，與控制流程不協調。解決在研 和現役供輸彈系統故障導致系統失效的關鍵是需要進行供輸彈系統早期故障診斷。如果在 供輸彈系統早期故障出現階段，即故障萌芽即將出現、剛剛出現或者故障程度尚輕微時，能 及時準確地予以辨識和預測，并據此指導保養和維修工作，就能及時采取措施，防止造成嚴 重損失，提高供輸彈系統運行的可靠性，延長其使用壽命。
[0004] 火炮供輸彈系統在實際運行中具有以下特點：1)機構高速運動和撞擊產生強烈的 振動和噪聲；2)機構構件磨損卡滯、運動不暢引起的聲信息常被炮口沖擊波等強大聲響所 掩蓋;3)多機構同時動作，產生的聲信號相互親合疊加;4)機構動作故障特征表現不確定， 有一定模糊性;5)檢測沖擊振動的傳感器測點不易確定和布置，故障信息難于獲取;6)供輸 彈系統的高可靠性要求不能布置較多傳感器。這些特點使得常用的故障診斷方法許多不適 合火炮供輸彈系統的故障診斷，它比常規的旋轉機械故障診斷難度更大。為此提出本發明 的基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法。
[0005] 供輸彈系統運行過程中，在產生沖擊振動信號的同時，往往還會激發出聲響信號 (多表現為噪聲信號）。當供輸彈系統發生故障時，其噪聲特征也會發生改變，因而，噪聲信 號中帶有大量裝備運動狀態的信息。通過對聲音信號進行分離及分析，可以了解裝備運行 狀態，進行狀態監測及故障診斷。最簡單的是靠耳朵聽聲辨音，識別故障;經驗豐富的汽車 修理工可以根據發動機發出的聲音辨別車輛發動機工作是否正常，甚至可以辨別出故障的 部位;鐵路行業中，熟練的師傅可以通過敲擊列車輪轂辨別是否有故障，航海中，輪機師傅 以及海軍高級士官憑借豐富的經驗通過聽聲可以準確的判斷出是否有故障以及故障的部 位。然而，這種主要依靠人耳聽診的方法具有很大的限制性，一般情況只有發生故障且故障 較為明顯的情況下才可分辨。聽診法主要適合于工作經驗豐富且對被診斷結構非常了解的 人，人為因素較大，不便于實際在線監測應用。
[0006] 利用聲音進行故障診斷成為近年來故障診斷領域新的發展方向。同時，利用供輸 彈系統的聲學信號對其實施狀態監測和故障診斷，具有振動故障診斷技術所不可比擬的某 些優點。聲學故障診斷技術具有如下特點:非接觸式測量、測試設備簡單、速度快、信號易于 測取、易于發現早期故障、無須事先粘貼傳感器、可對移動目標進行在線監測等，尤其可在 不易測量振動信號的場合得到廣泛的應用，避免了價格昂貴的耐高溫耐高壓振動采集設 備，測試方便易行，對測試場所基本沒有特殊要求;其次，有研究結果指出：噪聲測試結果較 表面振動對物理變化更為敏感，即使是極其微小的振聲信號變化，也可從噪聲信號中得到 其特性。
[0007] 供輸彈系統故障診斷的目標在于判斷其是否處于正常狀況，若出現異常，分析故 障產生的原因、部位以及嚴重程度，并預測發展的趨勢;而聲學故障診斷的目標在于判斷裝 備輻射噪聲是否超出閾值范圍，若出現異常，分析探究故障聲源激勵大小和方式、聲學負 載、聲學路徑發生的變化，判斷其故障程度。
[0008] 聲學故障診斷在軍事工程、民用設備、交通運輸、音樂廳設計、城市規劃等有很廣 泛的應用前景。如：飛機火車汽車等交通工具、變壓器等工業設施、空調等家電產品的主觀 感知和聲學指標的客觀測量，包括后續的故障分析和治理;特別地對潛艇、戰斗機、坦克等 國防設施的輻射噪聲進行監測、維護以及部署。
[0009] 現有的各種聲學診斷法在試圖提取故障特征并取得一定效果的基礎上，均存在一 個共同問題，即，這些方法一般把觀測信號作為一個整體處理沒有考慮實際聲場的復雜性 與干擾源的多樣性，當觀測信號含有較強的干擾噪聲時缺乏有效的去除干擾方法。因此，能 量統計法與小波分析法等只能局限在特定場合下使用，當聲場環境發生變化時提取出的故 障特征不具備普遍性與可操作性，這是現有聲學診斷法的重大缺陷，也是聲學珍斷有別于 振動滲斷的難點問題。
[0010] 供輸彈系統多使用于中大口徑火炮系統，射速相對于高速自動機來說較低，結構 復雜，易于信息化技術發展和嵌入在線監測技術應用。利用聲學信息火炮供輸彈系統運行 的故障進行診斷的適用性如下：（1)從研制與原理、生產原材料來講，自動供輸彈系統結構 復雜，高度集成，包括機械傳動和機電控制系統，便于嵌入整個系統進行測試。自動供輸彈 系統構件較大，裝配制造工藝容易出現缺陷，尤其是一部分鑄件，進行在線監測可以提早發 現問題。（2)從裝備使用來講，由于自動供輸彈系統較為復雜，構件大，不易拆卸，故障部位 不易觀察，實行在線測試有重要意義。（3)從測試監測來講，自動供輸彈系統在運行時，便于 測試聲信號，而大型武器裝備平臺的信息化程度越來越高，嵌入式系統便于實時監測診斷， 相比困難耗時的拆檢成本要低得多，而且安全。
【發明內容】
[0011] 為解決現有技術存在的技術問題，本發明提供了一種利用聲壓信號分析確定供輸 彈系統故障，操作簡單，可靠性高的基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法。
[0012] 為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為一種基于聲壓信息處理的供輸彈 系統故障診斷方法，按照以下步驟進行，
[0013] a、分析供輸彈機構產生噪聲的部位、機理和循環規律，在供輸彈系統上布置三只 聲壓傳感器；
[0014] b、采用多通道數據采集分析系統同步采集聲壓信號，并將聲壓信號記錄，轉換為 數字式的時間序列，然后采用多功能信號分析處理單元對聲壓信號進行預處理；
[0015] d、以射擊擊發時刻為待分析聲壓信號的時間起點，給出時域特征值，該時域特征 值包括各峰值、對應時刻、各個時間間隔和均方根值;再對信號做512點短時離散傅里葉變 換STFT，獲得等時間間隔的一系列STFT頻域圖；提取頻域特征值，包括各峰值和對應頻率； 對比分析各射擊工況的對應特征數據，進行統計學分類分析；
[0016] e、采用三點相關定位法尋找故障發生位置，根據特征參量的變化規律和變異程度 采用相對熵和能譜技術確定供輸彈系統的故障嚴重程度。
[0017]優選的，所述聲壓傳感器選用轉換放大集成式，直接輸出達到伏特級的電壓信號， 信號的有效頻率范圍不低于10kHz。
[0018] 優選的，所述三點相關定位法為已知空間A、B、C三點分別放置一個聲壓傳感器，A 坐標為(xi，yi，zi)、B坐標為(X2，y2，Z2)、C坐標為(X3，y3，Z3)，P點(x，y，z,)為未知聲源，利用 互相關函數的性質可求得故障特征聲壓傳播到A點與傳播到B點的時間延遲tab，
[0019] 及欲（rj = (卜 t)! = | (卜欲
[0020] 當Rab⑴取最大值時，此時的T值就為所要的時間延遲TAB，同理求得TAC，則有一-PB| =vtab，其中，v為聲音傳播速度；
[0021] 由A和B測點可知P點的軌跡為一個圓，同理，由A和C測點可得到另一個圓。這兩個 圓的交點P1和P2的位置，點P1和點P2為聲源可能的位置，其方程組可列為：
[0023] 實際應用時，將A、B、C點的坐標代入方程中即可求得點P1和點P2的位置，再根據實 際供輸彈系統的機構運動-時間循環圖，確定出具體的聲源位置是P1或P2。
[0024] 與現有技術相比，本發明具有以下技術效果:本發明采用監測供輸彈系統上的聲 壓信號，對聲壓信號進行分析處理，給出時域圖，在經過短時離散傅里葉變換STFT得到STFT 頻域圖，最后通過三點相關定位法，確定故障點，通過上述方法能夠更好的確定供輸彈系統 的故障，對故障進行早期診斷，提高供輸彈系統的可靠性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明供輸彈系統故障診斷方法的流程圖。
[0026] 圖2為本發明中聲壓傳感器的布置位置示意圖。
[0027]圖3為圖2的右視圖。
[0028]圖4為本發明的時域圖。
[0029]圖5為本發明的聲壓時域圖與系列STFT頻域圖。
[0030]圖6為本發明三點相關定位法中的聲源P的軌跡圖。
[0031]圖7為本發明三點相關定位法中聲源點P在三維空間的位置圖。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結 合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅 用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0033] 如圖1所示，一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，按照以下步驟進 行，a、分析供輸彈機構產生噪聲的部位、機理和循環規律，在供輸彈系統上布置三只聲壓傳 感器，聲壓傳感器選用轉換放大集成式，直接輸出達到伏特級的電壓信號，信號的有效頻率 范圍不低于10kHz;布置點要求盡可能避開炮口沖擊波作用，測量主要機構撞擊點和重摩擦 部位產生的聲信號，測點布置如附圖2、圖3所示，特別要求距離交接彈藥位置要近一些，防 止聲壓信號的過多衰減。
[0034] b、采用便攜式或嵌入式多通道數據采集分析系統同步采集聲壓信號，并將聲壓信 號記錄，轉換為數字式的時間序列，然后采用含有小波時頻分析、獨立分量分析和相關性分 析算法多功能信號分析處理單元對聲壓信號進行預處理，消除基線漂移和剔除個別過載的 異常點信號。
[0035] d、以射擊擊發時刻為待分析聲壓信號的時間起點，給出時域特征值，如圖4所示， 該時域特征值包括各峰值、對應時刻、各個時間間隔和均方根值;再對信號做512點短時離 散傅里葉變換STFT，獲得等時間間隔的一系列STFT頻域圖，如圖5所示;提取頻域特征值，包 括各峰值和對應頻率;對比分析各射擊工況的對應特征數據，進行統計學分類分析；
[0036] e、采用三點相關定位法尋找故障發生位置，根據特征參量的變化規律和變異程度 采用相對熵和能譜技術確定供輸彈系統的故障嚴重程度。
[0037]其中，三點相關定位法具體為已知空間A、B、C三點分別放置一個聲壓傳感器，A坐 標為(xi，yi，zi)、B坐標為(X2，y2，Z2)、C坐標為(X3，y3，Z3)，P點（x，y，z,)為未知聲源。利用互 相關函數的性質可求得故障特征聲壓傳播到A點與傳播到B點的時間延遲tab。 .s 5S5
[0038] (%) - I ~ ?)1 - | xA{e)x~ r)dt：
[0039] 當RAB⑴取最大值時，此時的t值就為所要的時間延遲tab，同理求得tac，則有一-PB| =vtab，其中，v為聲音傳播速度，
[0040] 由A和B測點可知P點的軌跡為一個圓，如圖6所示，同理，由A和C測點可得到另一個 圓，這兩個圓的交點P1和P2的位置，如圖7所示，點P1和點P2為聲源可能的位置。
[0041 ] 其方程組可列為：
[0043]實際應用時，將A、B、C點的坐標代入方程中即可求得點P1和點P2的位置，再根據實 際供輸彈系統的機構運動-時間循環圖，確定出具體的聲源位置是P1或P2。
[0044]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包在本發明范圍內。
【主權項】
1. 一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，其特征在于：按照W下步驟進 行， a、 分析供輸彈機構產生噪聲的部位、機理和循環規律，在供輸彈系統上布置=只聲壓 傳感器； b、 采用多通道數據采集分析系統同步采集聲壓信號，并將聲壓信號記錄，轉換為數字 式的時間序列，然后采用多功能信號分析處理單元對聲壓信號進行預處理； d、 W射擊擊發時刻為待分析聲壓信號的時間起點，給出時域特征值，該時域特征值包 括各峰值、對應時刻、各個時間間隔和均方根值；再對信號做512點短時離散傅里葉變換 STFT，獲得等時間間隔的一系列STFT頻域圖；提取頻域特征值，包括各峰值和對應頻率;對 比分析各射擊工況的對應特征數據，進行統計學分類分析； e、 采用=點相關定位法尋找故障發生位置，根據特征參量的變化規律和變異程度采用 相對賭和能譜技術確定供輸彈系統的故障嚴重程度。2. 根據權利要求1所述的一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，其特征 在于:所述聲壓傳感器選用轉換放大集成式，直接輸出達到伏特級的電壓信號，信號的有效 頻率范圍不低于10曲Z。3. 根據權利要求1所述的一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統故障診斷方法，其特征 在于:所述=點相關定位法為已知空間A、B、C =點分別放置一個聲壓傳感器，A坐標為(XI， yi，zi)、B坐標為(X2，y2，Z2)、C坐標為(X3，y3，Z3)，P點（x,y ,Z ,)為未知聲源，利用互相關函數 的性質可求得故障特征聲壓傳播到A點與傳播到B點的時間延遲tab，當Rab(T)取最大值時，此時的T值就為所要的時間延遲tab，同理求得TAC， 貝賄I PA-PB I =VTAB，其中，V為聲音傳播速度； 由A和B測點可知P點的軌跡為一個圓，同理，由A和C測點可得到另一個圓，運兩個圓的 交點Pl和P2的位置，點Pl和點P2為聲源可能的位置，其方程組可列為：實際應用時，將A、B、C點的坐標代入方程中即可求得點Pl和點P2的位置，再根據實際供 輸彈系統的機構運動-時間循環圖，確定出具體的聲源位置是Pl或P2。
【文檔編號】G01M13/00GK105910803SQ201610236880
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】潘宏俠, 潘銘志, 馬春茂, 李忠賢, 田園, 畢靜偉
【申請人】中北大學