專利名稱：：一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種聲源定位方法，特別涉及一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法。
背景技術(shù)：
：在基于聲發(fā)射技術(shù)的轉(zhuǎn)子碰摩故障診斷中，不僅可以由聲發(fā)射信號(hào)判斷碰摩的發(fā)生，而且可通過(guò)聲發(fā)射源定位技術(shù)快速找到碰摩發(fā)生的位置，為分析故障原因進(jìn)而排除故障提供十分重要的信息。但在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從碰摩源到傳感器之間常常是一段非連續(xù)非單一介質(zhì)的復(fù)雜體傳播路徑，碰摩激勵(lì)的多模態(tài)聲發(fā)射波傳播速度不同，并且在傳播過(guò)程中受散射、邊界條件、頻散效應(yīng)、模式轉(zhuǎn)換等多方面影響，信號(hào)畸變嚴(yán)重，如果采用傳統(tǒng)的線或面時(shí)差定位法，必然帶來(lái)嚴(yán)重偏差。對(duì)于復(fù)雜體的聲源定位，主要方法有基于時(shí)延估計(jì)的定位算法和基于空間譜估計(jì)的定位算法。基于時(shí)延估計(jì)的算法通過(guò)計(jì)算不同傳感器信號(hào)的時(shí)域互相關(guān)獲得樣本時(shí)延，再根據(jù)聲信號(hào)傳播理論和陣元位置獲得聲源的空間位置，它要求獲得的傳感器時(shí)延必須十分精確，否則對(duì)算法性能影響很大。基于空間譜估計(jì)的聲源定位算法以MUSIC算法為典型代表，相比基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位方法，它的定位精度更高，但是其算法復(fù)雜度也相應(yīng)提高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法。本發(fā)明一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法，其特征在于包括如下步驟-(1)采用碰摩聲發(fā)射試驗(yàn)裝置獲得聲發(fā)射信號(hào)；(2)建立基于步驟(1)所述的能量衰減的聲發(fā)射信號(hào)的傳播模型由N個(gè)傳感器組成的傳感器陣列中，第/個(gè)傳感器和第y個(gè)傳感器的能量比如下當(dāng)0<~#1，所有滿足上式的聲源坐標(biāo)r(O都位于中心為c,"半徑為^的d維超球上<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>n個(gè)傳感器組成w(iv—"1對(duì)能量比傳感器，對(duì)于任意超球數(shù)m《^^—I使用最22小方差標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造m維超球的估計(jì)目標(biāo)代價(jià)函數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>聲發(fā)射源的位置argminJ"(r)=argmin"||r-cm||_/m|，即目標(biāo)代價(jià)函數(shù)JO0最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的聲源位置r就是聲發(fā)射源的位置^，其中r(O為聲源在時(shí)刻的坐標(biāo)，乂o)為第f個(gè)傳感器在,時(shí)刻檢測(cè)得到的聲發(fā)射信號(hào)的能量，1(0為第7'個(gè)傳感器在r時(shí)刻檢測(cè)得到的聲發(fā)射信號(hào)的能量，A為第/個(gè)傳感器模型累積誤差及觀測(cè)噪聲引入誤差的均值，/^為第y個(gè)傳感器模型累積誤差及觀測(cè)噪聲引入誤差的均值，r,為第/個(gè)傳感器的坐標(biāo)，g,為第/個(gè)傳感器的增益系數(shù)，。為第J'個(gè)傳感器的坐標(biāo)，^為第J個(gè)傳感器的增益系數(shù)，"為能量衰減因子，w維超球的中心和半徑分別為c^、pm，n、/、y和附都為自然數(shù)，下同；(3)利用自適應(yīng)次梯度投影方法更新聲發(fā)射源的位置^;:基于凸函數(shù)g(r)的半空間/T(rj:={rer":(r-rjft+)S0}，那么聲發(fā)射源的位置^對(duì)半空間/T(rJ的投影為p0;):=其中Vg,O;)為聲發(fā)射源的位置iv的梯度算子，得到聲發(fā)射源的位胃l^的&代更新為:r*+1=R+4(;(rt)(rJ-0，ir為w對(duì)能量比傳感器構(gòu)成的聲源位置r的集合，r為聲發(fā)射源的發(fā)射周期，々為松弛系數(shù)，其滿足^e。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和效果在于1.根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)傳播特性建立的信號(hào)能量衰減模型，將目標(biāo)聲源位置限定于圓心和半徑都為傳感器對(duì)的能量比函數(shù)的超球，并將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為估計(jì)問(wèn)題，使得定位問(wèn)題的處理變得簡(jiǎn)單。2.采用自適應(yīng)次梯度投影系統(tǒng)估計(jì)方法逼近聲源位置，該方法收斂性能好，并且具有很高的定位精度。圖1——轉(zhuǎn)子碰摩試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖2——位于(-l,O)和(l，O)的傳感器對(duì)聲源定位超球圖3—傳感器接收到的實(shí)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)圖4——次梯度投影定位方法估計(jì)聲源坐標(biāo)圖5——廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法估計(jì)時(shí)間延遲圖6^互功率譜相位法估計(jì)時(shí)間延遲圖7—傳感器接收到的實(shí)測(cè)聲發(fā)射信號(hào)圖8——次梯度投影定位方法估計(jì)聲源坐標(biāo)圖；圖9——廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法估計(jì)時(shí)間延遲圖；圖10——互功率譜相位法估計(jì)時(shí)間延遲圖；圖11——三種定位方法的性能比較圖。具體實(shí)施例方式1.獲得聲發(fā)射信號(hào)如圖1所示的轉(zhuǎn)子碰摩試驗(yàn)臺(tái)提取聲發(fā)射信號(hào)。該試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)電動(dòng)機(jī)輸入電壓來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間為半撓性連軸節(jié)，轉(zhuǎn)子支承為具有滑動(dòng)軸承的軸承座。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)靜部件的碰摩通過(guò)一安裝在轉(zhuǎn)子臺(tái)底座上可移動(dòng)的碰摩裝置來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。碰摩裝置安裝在軸承座1、2之間，裝置側(cè)面的螺孔上安裝一個(gè)可伸縮的螺栓，沿轉(zhuǎn)軸徑向?qū)χD(zhuǎn)軸中心，6通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生轉(zhuǎn)子碰摩。圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)裝置如下l-電機(jī)；2-增速箱；3-聯(lián)軸器；4-軸承；5-軸承座1;6-碰摩裝置；7-底座；8-轉(zhuǎn)盤(pán)；9-軸；10-軸承座22.建立基于能量衰減的聲發(fā)射信號(hào)的傳播模型，將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)估計(jì)問(wèn)題在聲發(fā)射信號(hào)傳播過(guò)程中，其能量與聲源距離按反比關(guān)系衰減。假設(shè)空間有一點(diǎn)聲源，其坐標(biāo)表示為r，由N個(gè)傳感器組成傳感器陣列，其中第/個(gè)傳感器位置為V",2,…，iV。在？時(shí)刻第/個(gè)傳感器測(cè)量到的聲源能量表示為,、<卜0"(1)lr(卜()-r,l其中(表示從聲源傳播到傳感器的時(shí)延，s(0表示時(shí)間間隔^發(fā)射的能量，r(O為聲源在f時(shí)刻的坐標(biāo)，r,為第/個(gè)傳感器的坐標(biāo)，g,為第/個(gè)傳感器的增益系數(shù)，"(*2)為能量衰減因子，。為第J'個(gè)傳感器的坐標(biāo)，^為第y個(gè)傳感器的增益系數(shù)，"為能量衰減因子，m維超球的中心和半徑分別為^、/7m，s,(O為模型累積誤差及觀測(cè)噪聲引入的誤差的共同結(jié)果。假定^(0為獨(dú)立同分布?xì)w一化隨機(jī)變量，均值;",，方差為W，則X(O的概率密度函數(shù)為iV(,g氣其似然函數(shù)(,)，r(o)=/(y。(0,…,;v—々)IJ2,W0,KW)，-y"「WV|r(0-r,rOC6Xp1w-丄》^=0(2)最大似然估計(jì)的目的是找到聲源能量和位置^(0,r(OM吏似然函數(shù)最大，等價(jià)于最小化對(duì)數(shù)似然函數(shù)少,(0H，|r(0_r,(3)在不知道聲源能量s(O的情況下，弓l入能量比以消去W0的影響。在噪聲《(0以其均值估計(jì)A代替的情況下，第/個(gè)傳感器和第j'個(gè)傳感器的能量比計(jì)算如下:(4)(W)-A)化(0-A)這里對(duì)O<^*1的情況下，所有滿足上式的聲源坐標(biāo)r(O都位于中心為cy.、半徑為&的d維超球上，該超球的定義公式為|r(0_%|=《f一^Sr'_r)(5)1-《"y該超球被稱為目標(biāo)定位超球。因此，使用一對(duì)傳感器的能量比，可以將目標(biāo)聲源位置限制于圓心和半徑都為能量比的函數(shù)的超球上。圖2表示了在不同能量比情況下的目標(biāo)定位超球示意圖。如果使用更多的傳感器，則可以決定更多的超球。如果所有傳感器都接收來(lái)自同一個(gè)聲源的信號(hào)，則相應(yīng)的目標(biāo)定位超球一定在特定點(diǎn)相交。此即能量比聲源定位的基本原理。由于該定位方法基于能量比而非能量，故即使在聲源能量顯著變化時(shí)其定位精度也不會(huì)受到顯著影響。假定N個(gè)聲源傳感器可以組成—0=n對(duì)能量比傳感器，對(duì)于任意M《翠—"，22可以使用最小方差標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造估計(jì)目標(biāo)代價(jià)函數(shù)/(r)=X||r-c』-&|，(6)其中^為超球數(shù)。那么聲源位置r的定位問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為如下式所表示的估計(jì)問(wèn)題M2argmjnJ(r)=argri^inZ||r—cm|->om|(7)m=l即，目標(biāo)代價(jià)函數(shù)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的r就是聲發(fā)射源的位置。3.利用自適應(yīng)次梯度投影方法估計(jì)出聲發(fā)射源的位置自適應(yīng)濾波器法是最常見(jiàn)的系統(tǒng)估計(jì)方案。這種方案的核心是設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器，使其系數(shù)逐漸逼近被估計(jì)系統(tǒng)。由于聲發(fā)射源的位置可能變化，故自適應(yīng)濾波器應(yīng)能快速跟蹤這種變化。該方法利用次梯度取代了正交投影運(yùn)算，從而簡(jiǎn)化了算法并減小了計(jì)算量。由式(7)，定義集合A^卜R":Ur-cgi、/^，因此，聲源位置的估計(jì)等價(jià)于尋找交門(mén)A定義凸函數(shù):g(r):=r—c』—pM,VreR"(8)和滿足下列約束的凸集:={reR":g(r)20}(9)由于凸集&以較大的概率包含了實(shí)際聲源位置，那么對(duì)Z的估計(jì)問(wèn)題就轉(zhuǎn)變成了向凸集G的投影問(wèn)題。定義梯度算子:t:=Vg(r)=2(r—O,VreR"，(10)那么可以定義基于該凸函數(shù)的半空間zt(rJ:={reR":(r-rtft+g(rjS。}，(11)滿足當(dāng)rtgQ時(shí)有Q(/Jczt(rJ和rg/t(rJ，因此對(duì)Q(戶)的投影可以擴(kuò)展為對(duì)半空間/T(rJ的投影，投影公式如下式所示9尸""(叫^;+:，)2V^)(12)那么，R的迭代更新公式為(ri)(rJ-rj，(13)i"為w對(duì)能量比傳感器構(gòu)成的聲源位置r的集合，r為聲發(fā)射源的發(fā)射周期，這里松弛系數(shù)4應(yīng)滿足^e。為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的定位方法的優(yōu)勢(shì)，選取兩種最常用的聲源定位方法——廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法和互功率譜相位法進(jìn)行比較。實(shí)施例l:傳感器1在軸承座1，傳感器2在軸承座2，聲發(fā)射源在轉(zhuǎn)軸上，距離傳感器l=20cm。圖3為傳感器接收到轉(zhuǎn)子摩擦?xí)r的聲源信號(hào)，采樣頻率2MHz，點(diǎn)數(shù)32768。為確定摩擦聲源的具體位置距離，兩個(gè)傳感器分別位于(xl，yl)=(0，0)和(x2，y2)=(43，0)。采用采用本發(fā)明提出的定位方法、廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法和互功率譜相位法3種方法分別仿真的結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。圖4估計(jì)聲源在20.3684cm處，圖5中互相關(guān)函數(shù)在采樣點(diǎn)31956處取得峰值，而圖6中互相關(guān)函數(shù)取得峰值在采樣點(diǎn)31824處。實(shí)施例2:傳感器l-軸承座l，傳感器S2-底座，AE源在轉(zhuǎn)軸上，距離軸承座147cm。圖7為傳感器接收到的轉(zhuǎn)子摩擦?xí)r的聲源信號(hào)，采樣頻率lMHz，點(diǎn)數(shù)16384。為確定摩擦聲源的具體位置距離，2個(gè)傳感器分別位于(xl，yl)=(0，0)和(x2，y2)=(35，5)。同樣采用本發(fā)明提出的定位方法、廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法和互功率譜相位法3種方法分別仿真的結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示。圖8估計(jì)聲源在17.0799cm處，圖9中互相關(guān)函數(shù)在采樣點(diǎn)325處取得峰值，而圖10中互相關(guān)函數(shù)取得峰值在采樣點(diǎn)451處。由于廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)法和互功率譜相位法屬于時(shí)間延遲方法，利用延遲值可以定位出聲源的坐標(biāo)。表1列出了三種定位算法的性能比較。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>從表1中可以看出次梯度投影算法比時(shí)延估計(jì)算法有更高的定位精度。比較圖4和圖8可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)5次迭代以后，本發(fā)明提出的方法就已收斂，因而同時(shí)具有較低的復(fù)雜度。權(quán)利要求1.一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用碰摩聲發(fā)射試驗(yàn)裝置獲得聲發(fā)射信號(hào)；(2)建立基于步驟(1)所述的能量衰減的聲發(fā)射信號(hào)的傳播模型由N個(gè)傳感器組成的傳感器陣列中，第i個(gè)傳感器和第j個(gè)傳感器的能量比如下當(dāng)0<kij≠1，所有滿足上式的聲源坐標(biāo)r(t)都位于中心為cij、半徑為ρij的d維超球上N個(gè)傳感器組成對(duì)能量比傳感器，對(duì)于任意超球數(shù)使用最小方差標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造m維超球的估計(jì)目標(biāo)代價(jià)函數(shù)聲發(fā)射源的位置即目標(biāo)代價(jià)函數(shù)J(r)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的聲源位置r就是聲發(fā)射源的位置rk，其中r(t)為聲源在t時(shí)刻的坐標(biāo)，yi(t)為第i個(gè)傳感器在t時(shí)刻檢測(cè)得到的聲發(fā)射信號(hào)的能量，yj(t)為第j個(gè)傳感器在t時(shí)刻檢測(cè)得到的聲發(fā)射信號(hào)的能量，μi為第i個(gè)傳感器模型累積誤差及觀測(cè)噪聲引入誤差的均值，μj為第j個(gè)傳感器模型累積誤差及觀測(cè)噪聲引入誤差的均值，ri為第i個(gè)傳感器的坐標(biāo)，gi為第i個(gè)傳感器的增益系數(shù)，rj為第j個(gè)傳感器的坐標(biāo)，gj為第j個(gè)傳感器的增益系數(shù)，α為能量衰減因子，m維超球的中心和半徑分別為cm、ρm，N、i、j和m都為自然數(shù)，下同；(3)利用自適應(yīng)次梯度投影方法更新聲發(fā)射源的位置rk基于凸函數(shù)g(r)的半空間H-(rk)＝{r∈Rn(r-rk)Tt+g(rk)≤0}，聲發(fā)射源的位置rk對(duì)半空間H-(rk)的投影為其中為聲發(fā)射源的位置rk的梯度算子，得到聲發(fā)射源的位置rk的迭代更新為Rn為n對(duì)能量比傳感器構(gòu)成的聲源位置r的集合，T為聲發(fā)射源的發(fā)射周期，λk為松弛系數(shù)，其滿足λk∈。全文摘要本發(fā)明公布了一種轉(zhuǎn)子碰摩聲發(fā)射源定位方法。本發(fā)明通過(guò)轉(zhuǎn)子碰摩試驗(yàn)臺(tái)獲得聲發(fā)射信號(hào)，建立基于能量衰減的聲發(fā)射信號(hào)的傳播模型，并且將定位問(wèn)題轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)估計(jì)問(wèn)題，利用自適應(yīng)次梯度投影方法進(jìn)行系統(tǒng)估計(jì)，從而估計(jì)出聲發(fā)射源的位置。本發(fā)明具有計(jì)算處理簡(jiǎn)單，收斂性能好，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，從而有效地應(yīng)用于聲發(fā)射源定位。文檔編號(hào)G01S5/00GK101477194SQ20091002508公開(kāi)日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年2月17日優(yōu)先權(quán)日2009年2月17日發(fā)明者包永強(qiáng),力趙,鄧艾東申請(qǐng)人:東南大學(xué)