一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法，首先对信号进行频率切片小波变换以求取它的时频分解结果，以此为基础，选择一个信号分量重构的带宽，以一定频率间隔为步长，在时频分解空间上选取时频子空间，把信号的时频空间分割为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间。然后，采用频率切片小波变换逆变换提取该信号在这些子空间的时域分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；以每个时频子空间的中心频率作为横坐标值、对应信号分量的峭度作为纵坐标值，即可得到该信号的频率—峭度曲线，在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法
本专利技术属于机械设备信号处理领域，具体涉及一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法。
技术介绍
轴承、齿轮等是机械设备中最常用的零部件，机械设备故障的30％以上是与它们相关的。这些部件出现损伤或故障时，在其旋转过程中会激发结构部件产生共振，由于冲击响应重复出现，伴随重复性的冲击，振动信号出现幅值调制现象，幅值调制的频率与故障特征有关。在故障初期这些特征被淹没在噪声中，因此，选择共振频带分离出重复冲击特征，可以有效地确定故障类型。峭度是机械设备故障诊断中常用的无量纲指标，可用来度量信号中冲击分量的强弱。它是一种统计量指标，若以一定时间段的采样信号为基础计算，这种峭度就是一种时域指标。对于工作中的机械设备，当出现零部件故障时，其动态性能发生改变，振动加剧，因此，在机械设备状态监测和故障诊断领域，峭度常被用于评价机械设备或部件的状态。文献[1]以采用短时傅立叶变换为基础，在选定窗函数后、以一定的带宽对振动信号进行滤波，然后计算各个频带滤波信号包络的峭度，用最大峭度值确定共振频带来提取轴承的损伤特征。文献[2]采用窄带滤波的方法对信号进行滤波，得到一系列信号分量，在获取这些信号分量包络的频谱的基础上，通过计算这些频谱幅值序列的峭度，来确定共振频带来提取轴承的损伤特征。文献[3]采用频率切片小波变换对振动信号进行时频分解，得到信号的时频能量分布，再对信号的时频空间以给定的频带宽度进行分割，以时频能量分布为基础计算这些时频子空间的时频峭度指标，以此确定共振频带提取轴承的损伤特征。上述方法在应用过程中存在以下问题：(1)采用短时傅立叶变换滤波和窄带滤波方法，需要事先设置窗函数的带宽和中心频率，需要先验知识。(2)采用一个给定带宽以无重叠的、等宽的形式分割信号的频带或时频空间，往往会遗漏最佳频带，因为特征频带不一定正好落在人为分割的频带或时频区间内。(3)滤波频带的宽度选择对基于信号包络的时域、频域峭度值计算的影响较大，带宽选择太大，滤波信号包络成分复杂，其峭度值不能很好地反映信号的冲击特征，带宽选择太小，滤波信号包络成分单一，其包络变化缓慢，冲击特征无法展现。以下是申请人检索的相关参考文献：[1]J.AntoniandR.B.Randall，Thespectralkurtosis：applicationtothevibratorysurveillanceanddiagnosticsofrotatingmachines[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing，2006，20：308-331。[2]T.Barszcz，A.Jabtoński.AnovelmethodfortheoptimalbandselectionforvibrationsignaldemodulationandcomparisonwiththeKurtogram[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing，2011，25：431–451。[3]段晨东，高鹏，高强，一种基于时频峭度谱的滚动轴承损伤诊断方法，机械工程学报，2015，51(11)：78-83。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本专利技术的目的在于，提供一种以信号的频率切片小波变换方法为基础的频率-峭度曲线的实现方法。为了实现上述任务，本专利技术采用如下的技术解决方案：一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法，其特征在于，首先对信号进行频率切片小波变换以求取它的时频分解结果，以此为基础，选择一个信号分量重构的带宽，以一定频率间隔为步长，在时频分解空间上选取时频子空间，把信号的时频空间分割为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间。然后，采用频率切片小波变换逆变换提取该信号在这些子空间的时域分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；以每个时频子空间的中心频率作为横坐标值、对应信号分量的峭度作为纵坐标值，即可得到该信号的频率—峭度曲线，在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率；其中：所述的频率切片小波变换是一种信号时频分解方法，信号变换之前，选择频率切片函数，它的变换结果是信号在时频空间的能量映射；所述的分析频带是指信号的奈奎斯特频带，它的下限频率为0Hz，上线频率为信号的采样频率的二分之一。具体实现方法如下：(1)选择频率切片函数；(2)确定重构信号分量的带宽，对于轴承或齿轮振动信号分析，该带宽宜取3～5倍的最大损伤特征频率。(3)确定频率步长，对于轴承或齿轮振动信号分析，该频率步长不大于其回转频率。(4)去除采集的振动信号中的直流分量；(5)对去除直流分量的信号进行频率切片小波变换；(6)通过逆变换提取子空间的信号分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；(7)计算每个子空间的中心频率；(8)以子空间的中心频率作为横坐标、对应信号分量的峭度作为纵坐标，绘制该信号的频率—峭度曲线；在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率。根据本专利技术，所述的信号重构是指对所选频带进行频率切片小波逆变换或傅里叶变换分离出该频带的信号分量的过程。本专利技术的基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法，由于采用了分割被分析信号的时频空间为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间的方法，使原始信号信息被冗余应用，可以充分有效地提取振动信号中所包含的冲击特征信息，可以反映信号的整个分析频带内的峭度变化趋势，有利于故障特征的提取，工程应用时，可选择峰值对应频率的邻域区间作为解调分析的频带。附图说明图1是本专利技术的基于信号时频分解的频率—峭度曲线的流程图。图2信号y(t)的时域波形图；图3是正弦信号分量波形图；图4是重复性冲击分量波形图；图5是幅值调制分量波形图；图6是得到的基于信号时频分解的频率—峭度曲线图；以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。具体实施方式本实施例给出一种基于信号时频分解的频率—峭度曲线的实现方法，其目的是发现信号中的共振频率，用于确定共振频带以提取信号中的幅值调制特征，工程应用时，可以选择峰值对应频率的邻域区间作为解调分析的频带。首先对信号进行频率切片小波变换以求取它的时频分解结果，以此为基础，选择一个信号分量重构的带宽，以一定频率间隔为步长，在时频分解空间上选取时频子空间，把信号的时频空间分割为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间。然后，采用频率切片小波变换逆变换提取该信号在这些子空间的时域分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；以每个时频子空间的中心频率作为横坐标值、对应信号分量的峭度作为纵坐标值，即可得到该信号的频率—峭度曲线，在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率；其中：所述的频率切片小波变换是一种信号时频分解方法，信号变换之前，选择频率切片函数，它的变换结果是信号在时频空间的能量映射；所述的分析频带是指信号的奈奎斯特频带，它的下限频率为0Hz，上线频率为信号的采样频率的二分之一。本实施例中：所述的频率切片小波变换是一种信号时频分解方法，信号变换之前，需要选择频率切片函数，它的变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法，其特征在于，首先对信号进行频率切片小波变换以求取它的时频分解结果，以此为基础，选择一个信号分量重构的带宽，以一定频率间隔为步长，在时频分解空间上选取时频子空间，把信号的时频空间分割为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间。然后，采用频率切片小波变换逆变换提取该信号在这些子空间的时域分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；以每个时频子空间的中心频率作为横坐标值、对应信号分量的峭度作为纵坐标值，即可得到该信号的频率—峭度曲线，在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率；其中：所述的频率切片小波变换是一种信号时频分解方法，信号变换之前，选择频率切片函数，它的变换结果是信号在时频空间的能量映射；所述的分析频带是指信号的奈奎斯特频带，它的下限频率为0Hz，上线频率为信号的采样频率的二分之一。

【技术特征摘要】
1.一种基于信号时频分解的频率—峭度图的实现方法，其特征在于，首先对信号进行频率切片小波变换以求取它的时频分解结果，以此为基础，选择一个信号分量重构的带宽，以一定频率间隔为步长，在时频分解空间上选取时频子空间，把信号的时频空间分割为一系列具有相同带宽、又相互重叠的子空间。然后，采用频率切片小波变换逆变换提取该信号在这些子空间的时域分量，并计算这些子空间的时域分量的峭度值，进而得到信号在整个分析频带的峭度值序列；以每个时频子空间的中心频率作为横坐标值、对应信号分量的峭度作为纵坐标值，即可得到该信号的频率—峭度曲线，在频率—峭度曲线上的峰值对应的频率为机构或部件的共振频率；其中：所述的频率切片小波变换是一种信号时频分解方法，信号变换之前，选择频率切片函数，它的变换结果是信号在时频空间的能量映射；所述的分析频带是指信号的奈奎斯特频带，它的下限频率为0Hz，上线频率为信号的采样频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫茂德，马文瑞，宋家成，杨盼盼，唐晔，朱旭，左磊，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61