一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，屬于供輸彈系統(tǒng)故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種利用聲壓信號分析確定供輸彈系統(tǒng)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(tǒng)故障診斷方法，所采用的技術(shù)方案為按照以下步驟進(jìn)行，在供輸彈系統(tǒng)上布置三只聲壓傳感器；采用多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)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(jìn)行預(yù)處理；給出時域特征值，再經(jīng)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(guān)定位法尋找故障發(fā)生位置，根據(jù)特征參量的變化規(guī)律和變異程度采用相對熵和能譜技術(shù)確定供輸彈系統(tǒng)的故障嚴(yán)重程度；本發(fā)明廣泛用于供輸彈系統(tǒng)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(tǒng)故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，屬于供輸彈系統(tǒng) 故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 中大口徑火炮供輸彈系統(tǒng)是火炮武器系統(tǒng)的核心，其復(fù)雜的機械機構(gòu)、高速的運 動形式、精準(zhǔn)的控制流程以及惡劣的工作環(huán)境，成為影響火炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能發(fā)揮的主 要因素。供輸彈系統(tǒng)的運行可靠性直接關(guān)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(zhàn)機把握，部隊實彈演練和實戰(zhàn)中不時出現(xiàn)的卡殼反映出供輸彈系統(tǒng)連續(xù)動 作的不協(xié)調(diào)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(tǒng)常見的故障主要有:①供輸彈機構(gòu) 高速運動撞擊后產(chǎn)生振動導(dǎo)致交接彈過程不可靠;②殘余振動導(dǎo)致機構(gòu)不能快速反應(yīng)與連 續(xù)動作;③構(gòu)件磨損卡滯或阻尼過大引起連續(xù)射擊周期加大，與控制流程不協(xié)調(diào)。解決在研 和現(xiàn)役供輸彈系統(tǒng)故障導(dǎo)致系統(tǒng)失效的關(guān)鍵是需要進(jìn)行供輸彈系統(tǒng)早期故障診斷。如果在 供輸彈系統(tǒng)早期故障出現(xiàn)階段，即故障萌芽即將出現(xiàn)、剛剛出現(xiàn)或者故障程度尚輕微時，能 及時準(zhǔn)確地予以辨識和預(yù)測，并據(jù)此指導(dǎo)保養(yǎng)和維修工作，就能及時采取措施，防止造成嚴(yán) 重?fù)p失，提高供輸彈系統(tǒng)運行的可靠性，延長其使用壽命。
[0004] 火炮供輸彈系統(tǒng)在實際運行中具有以下特點：1)機構(gòu)高速運動和撞擊產(chǎn)生強烈的 振動和噪聲；2)機構(gòu)構(gòu)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(gòu)同時動作，產(chǎn)生的聲信號相互親合疊加;4)機構(gòu)動作故障特征表現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的故障診斷，它比常規(guī)的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷難度更大。為此提出本發(fā)明 的基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法。
[0005] 供輸彈系統(tǒng)運行過程中，在產(chǎn)生沖擊振動信號的同時，往往還會激發(fā)出聲響信號 (多表現(xiàn)為噪聲信號）。當(dāng)供輸彈系統(tǒng)發(fā)生故障時，其噪聲特征也會發(fā)生改變，因而，噪聲信 號中帶有大量裝備運動狀態(tài)的信息。通過對聲音信號進(jìn)行分離及分析，可以了解裝備運行 狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷。最簡單的是靠耳朵聽聲辨音，識別故障;經(jīng)驗豐富的汽車 修理工可以根據(jù)發(fā)動機發(fā)出的聲音辨別車輛發(fā)動機工作是否正常，甚至可以辨別出故障的 部位;鐵路行業(yè)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(jīng)驗通過聽聲可以準(zhǔn)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(fā)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(jīng)驗豐富且對被診斷結(jié)構(gòu)非常了解的 人，人為因素較大，不便于實際在線監(jiān)測應(yīng)用。
[0006] 利用聲音進(jìn)行故障診斷成為近年來故障診斷領(lǐng)域新的發(fā)展方向。同時，利用供輸 彈系統(tǒng)的聲學(xué)信號對其實施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，具有振動故障診斷技術(shù)所不可比擬的某 些優(yōu)點。聲學(xué)故障診斷技術(shù)具有如下特點:非接觸式測量、測試設(shè)備簡單、速度快、信號易于 測取、易于發(fā)現(xiàn)早期故障、無須事先粘貼傳感器、可對移動目標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)測等，尤其可在 不易測量振動信號的場合得到廣泛的應(yīng)用，避免了價格昂貴的耐高溫耐高壓振動采集設(shè) 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(jié)果指出：噪聲測試結(jié)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(tǒng)故障診斷的目標(biāo)在于判斷其是否處于正常狀況，若出現(xiàn)異常，分析故 障產(chǎn)生的原因、部位以及嚴(yán)重程度，并預(yù)測發(fā)展的趨勢;而聲學(xué)故障診斷的目標(biāo)在于判斷裝 備輻射噪聲是否超出閾值范圍，若出現(xiàn)異常，分析探究故障聲源激勵大小和方式、聲學(xué)負(fù) 載、聲學(xué)路徑發(fā)生的變化，判斷其故障程度。
[0008] 聲學(xué)故障診斷在軍事工程、民用設(shè)備、交通運輸、音樂廳設(shè)計、城市規(guī)劃等有很廣 泛的應(yīng)用前景。如：飛機火車汽車等交通工具、變壓器等工業(yè)設(shè)施、空調(diào)等家電產(chǎn)品的主觀 感知和聲學(xué)指標(biāo)的客觀測量，包括后續(xù)的故障分析和治理;特別地對潛艇、戰(zhàn)斗機、坦克等 國防設(shè)施的輻射噪聲進(jìn)行監(jiān)測、維護(hù)以及部署。
[0009] 現(xiàn)有的各種聲學(xué)診斷法在試圖提取故障特征并取得一定效果的基礎(chǔ)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(fù)雜性 與干擾源的多樣性，當(dāng)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(tǒng)計法與小波分析法等只能局限在特定場合下使用，當(dāng)聲場環(huán)境發(fā)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(xiàn)有聲學(xué)診斷法的重大缺陷，也是聲學(xué)珍斷有別于 振動滲斷的難點問題。
[0010] 供輸彈系統(tǒng)多使用于中大口徑火炮系統(tǒng)，射速相對于高速自動機來說較低，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，易于信息化技術(shù)發(fā)展和嵌入在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用。利用聲學(xué)信息火炮供輸彈系統(tǒng)運行 的故障進(jìn)行診斷的適用性如下：（1)從研制與原理、生產(chǎn)原材料來講，自動供輸彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，高度集成，包括機械傳動和機電控制系統(tǒng)，便于嵌入整個系統(tǒng)進(jìn)行測試。自動供輸彈 系統(tǒng)構(gòu)件較大，裝配制造工藝容易出現(xiàn)缺陷，尤其是一部分鑄件，進(jìn)行在線監(jiān)測可以提早發(fā) 現(xiàn)問題。（2)從裝備使用來講，由于自動供輸彈系統(tǒng)較為復(fù)雜，構(gòu)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(jiān)測來講，自動供輸彈系統(tǒng)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(tǒng)便于實時監(jiān)測診斷， 相比困難耗時的拆檢成本要低得多，而且安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種利用聲壓信號分析確定供輸 彈系統(tǒng)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(tǒng)故障診斷方法。
[0012] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種基于聲壓信息處理的供輸彈 系統(tǒng)故障診斷方法，按照以下步驟進(jìn)行，
[0013] a、分析供輸彈機構(gòu)產(chǎn)生噪聲的部位、機理和循環(huán)規(guī)律，在供輸彈系統(tǒng)上布置三只 聲壓傳感器；
[0014] b、采用多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)同步采集聲壓信號，并將聲壓信號記錄，轉(zhuǎn)換為 數(shù)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(jìn)行預(yù)處理；
[0015] d、以射擊擊發(fā)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(yīng)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(yīng)頻率； 對比分析各射擊工況的對應(yīng)特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分類分析；
[0016] e、采用三點相關(guān)定位法尋找故障發(fā)生位置，根據(jù)特征參量的變化規(guī)律和變異程度 采用相對熵和能譜技術(shù)確定供輸彈系統(tǒng)的故障嚴(yán)重程度。
[0017]優(yōu)選的，所述聲壓傳感器選用轉(zhuǎn)換放大集成式，直接輸出達(dá)到伏特級的電壓信號， 信號的有效頻率范圍不低于10kHz。
[0018] 優(yōu)選的，所述三點相關(guān)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(biāo)為(xi，yi，zi)、B坐標(biāo)為(X2，y2，Z2)、C坐標(biāo)為(X3，y3，Z3)，P點(x，y，z,)為未知聲源，利用 互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)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(dāng)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(yīng)用時，將A、B、C點的坐標(biāo)代入方程中即可求得點P1和點P2的位置，再根據(jù)實 際供輸彈系統(tǒng)的機構(gòu)運動-時間循環(huán)圖，確定出具體的聲源位置是P1或P2。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:本發(fā)明采用監(jiān)測供輸彈系統(tǒng)上的聲 壓信號，對聲壓信號進(jìn)行分析處理，給出時域圖，在經(jīng)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(guān)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(tǒng) 的故障，對故障進(jìn)行早期診斷，提高供輸彈系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法的流程圖。
[0026] 圖2為本發(fā)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(fā)明的時域圖。
[0029]圖5為本發(fā)明的聲壓時域圖與系列STFT頻域圖。
[0030]圖6為本發(fā)明三點相關(guān)定位法中的聲源P的軌跡圖。
[0031]圖7為本發(fā)明三點相關(guān)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(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié) 合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅 用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0033] 如圖1所示，一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，按照以下步驟進(jìn) 行，a、分析供輸彈機構(gòu)產(chǎn)生噪聲的部位、機理和循環(huán)規(guī)律，在供輸彈系統(tǒng)上布置三只聲壓傳 感器，聲壓傳感器選用轉(zhuǎn)換放大集成式，直接輸出達(dá)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(gòu)撞擊點和重摩擦 部位產(chǎn)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(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)同步采集聲壓信號，并將聲壓信 號記錄，轉(zhuǎn)換為數(shù)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(guān)性分 析算法多功能信號分析處理單元對聲壓信號進(jìn)行預(yù)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(fā)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(yīng)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(yīng)頻率;對比分析各射擊工況的對應(yīng)特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分類分析；
[0036] e、采用三點相關(guān)定位法尋找故障發(fā)生位置，根據(jù)特征參量的變化規(guī)律和變異程度 采用相對熵和能譜技術(shù)確定供輸彈系統(tǒng)的故障嚴(yán)重程度。
[0037]其中，三點相關(guān)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(biāo)為(xi，yi，zi)、B坐標(biāo)為(X2，y2，Z2)、C坐標(biāo)為(X3，y3，Z3)，P點（x，y，z,)為未知聲源。利用互 相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)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(dāng)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(yīng)用時，將A、B、C點的坐標(biāo)代入方程中即可求得點P1和點P2的位置，再根據(jù)實 際供輸彈系統(tǒng)的機構(gòu)運動-時間循環(huán)圖，確定出具體的聲源位置是P1或P2。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包在本發(fā)明范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于：按照W下步驟進(jìn) 行， a、 分析供輸彈機構(gòu)產(chǎn)生噪聲的部位、機理和循環(huán)規(guī)律，在供輸彈系統(tǒng)上布置=只聲壓 傳感器； b、 采用多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)同步采集聲壓信號，并將聲壓信號記錄，轉(zhuǎn)換為數(shù)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(jìn)行預(yù)處理； d、 W射擊擊發(fā)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(yīng)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(yīng)頻率;對 比分析各射擊工況的對應(yīng)特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分類分析； e、 采用=點相關(guān)定位法尋找故障發(fā)生位置，根據(jù)特征參量的變化規(guī)律和變異程度采用 相對賭和能譜技術(shù)確定供輸彈系統(tǒng)的故障嚴(yán)重程度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，其特征 在于:所述聲壓傳感器選用轉(zhuǎn)換放大集成式，直接輸出達(dá)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于聲壓信息處理的供輸彈系統(tǒng)故障診斷方法，其特征 在于:所述=點相關(guān)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(biāo)為(XI， yi，zi)、B坐標(biāo)為(X2，y2，Z2)、C坐標(biāo)為(X3，y3，Z3)，P點（x,y ,Z ,)為未知聲源，利用互相關(guān)函數(shù) 的性質(zhì)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(dāng)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(yīng)用時，將A、B、C點的坐標(biāo)代入方程中即可求得點Pl和點P2的位置，再根據(jù)實際供 輸彈系統(tǒng)的機構(gòu)運動-時間循環(huán)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(fā)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(xué)