本发明专利技术提供了一种喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置和方法，包括：数据采集单元：实时采集水动力噪声信号、压力脉动信号和振动信号；信号调理及标准化单元：用于将采集到的信号转换成电流信号，并进行标准化处理；信号处理分析单元：将标准化后的数值进行变分模态分解、相关性分析、相干性分析，实现振动源和噪声源的识别；显示单元：显示处理后的结果以及识别结果呈现；数据存储单元：分别与数据采集单元、信号调理及标准化单元、信号处理分析单元连接，存储原始数据、调理后的数据、处理后的数据。本发明专利技术通过在喷水推进泵上成套布置水听器、振动传感器、压力脉动传感器，可实现振动源与声源信号的同步实时捕获，实时分析和结果呈现。果呈现。果呈现。
【技术实现步骤摘要】
喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置与方法
[0001]本专利技术涉及噪声声源识别
，具体地，涉及喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置与方法。
技术介绍
[0002]喷水推进器产生的水动力噪声是舰船噪声的重要来源，喷水推进器的噪声主要来源于喷水推进泵，喷水推进泵的噪声来源主要包括泵内不稳定流动产生的压力脉动诱导的噪声，即流致噪声，以及泵内的水力非定常激励导致泵壳振动诱导的噪声，即流致振动噪声。
[0003]专利文献CN108981903A(申请号：CN201810533401.1)公开了一种变压器振动噪声源全频域识别方法，涉及一种噪声源识别方法，步骤如下：采集并测量变压器振动噪声源的声压信号，并其进行频域划分；采用声全息法对低频信号进行重建和对低频噪声法向振速进行计算；采用波束形成法对高频声压信号进行重建和对高频噪声法向振速进行计算；最后分别对全频域噪声声压信号和全频域噪声法向振速进行计算，从而实现变压器振动噪声源全频域噪声识别。
[0004]影响压力脉动的不稳定的流动现象包括动静干涉现象、失速、空化等，这些现象对应的压力脉动特征呈现不同的特征，这些特征将会引起不同的振动特征和噪声特征，如何从振动和噪声中识别出这些流动现象，达到振动源和噪声源的识别，对实现振动和噪声的控制极其重要。
技术实现思路
[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置和方法。
[0006]根据本专利技术提供的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，包括：
[0007]数据采集单元：实时采集水动力噪声信号、压力脉动信号和振动信号；
[0008]信号调理及标准化单元：用于将采集到的信号转换成电流信号，并进行标准化处理；
[0009]信号处理分析单元：将标准化后的数值进行变分模态分解、相关性分析、相干性分析，从而实现振动源和噪声源的识别；
[0010]显示单元：用于显示处理后的结果以及识别结果呈现；
[0011]数据存储单元：分别与数据采集单元、信号调理及标准化单元、信号处理分析单元连接，用于原始数据、调理后的数据、处理后的数据的存储。
[0012]优选的，所述水听器安装在喷水推进泵进出口4倍直径处，所述水听器采用双水听器互谱测量法测量，水听器的分体式安装结构包括测量管与可拆式螺纹连接的连接管、O型圈。
[0013]优选的，在水听器安装截面上同时安装振动传感器和压力脉动传感器，用于压力
脉动信号、振动加速度信号、噪声信号的同步测量。
[0014]优选的，信号采集和传输过程所用的电缆线为银制的无损屏蔽信号传输线。
[0015]优选的，通过信号调理标准化单元将采集到的信号统一转换成4～20mA的电流信号并输出0～1的标准化数值。
[0016]根据本专利技术提供的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别方法，包括：
[0017]步骤1：通过对归一化后的信号进行变分模态分解；
[0018]步骤2：计算每阶模态与原始信号的相关性，剔除相关系数小于预设阈值的模态分量，实现信号降噪；
[0019]步骤3：计算压力脉动各主成分分量与振动加速度信号，噪声信号的相干性分析，计算振动加速度信号主成分与噪声信号的相干性系数，从而实现噪声源与振动源的识别与分析。
[0020]优选的，所述步骤1包括变分模型的构建，具体为：
[0021]步骤1.1：利用Hilbert变换构建各模态函数uk(t)的解析信号，并通过计算求得单边频谱；
[0022]步骤1.2：将复指数项作为各模态函数的预估中心频率，将解析信号与预估中心频率相乘，从而把各模态函数的频谱调制到相应的基频带上；
[0023]步骤1.3：通过计算上述解调信号梯度的二阶范数，估计各模态分量的带宽，建立约束变分模型如下：
[0024][0025]式中：uk＝(u1,u2,
…
,uk)分别为各阶模态分量；ωk＝(ω1,ω2,
…
,ωk)分别为各阶模态分量所对应的中心频率；表示函数对时间t的偏导数；δ(t)表示狄里克莱函数；符号j为虚数单位；f为原始信号；K为模态分量个数。
[0026]优选的，所述步骤1还包括变分模型的求解，具体为：
[0027]步骤1.4：通过引入拉格朗日乘法算子λ(t)和二次惩罚因子α，实现约束性变分模型向非约束性模型的转化，得到增广的拉格朗日函数，其中，λ(t)用来提高约束条件效果，α保证信号的重构精确度，结果如下式所示：
[0028][0029]步骤1.5：利用交替方向乘子法ADMM进行多次迭代求解L的鞍点，即为变分模型的最优解，其中uk
n+1
,ω
n+1
和λ
n+1
的交替更新规则如下式所示：
[0030][0031][0032]式中，是当前剩余量的维纳滤波，其傅里叶变换的实部为uk(t)；ωk
n+1
为模态功率谱的重心，根据上述两个式子不断更新uk和ωk；
[0033]步骤1.6：通过下述公式迭代更新λ：
[0034][0035]步骤1.7：重复步骤1.5和步骤1.6，直到满足迭代停止条件，即判别精度ε小于10
‑7[0036][0037]优选的，所述步骤2包括：计算VMD分解后各个分量与原信号的去趋势互相关系数，具体为：
[0038]计算各模态分量uk(t)与原始信号x(t)的去均值累计序列，将uk(t)与x(t)分段，拟合每段信号的局部趋势序列，用原累积序列减去局部趋势序列，得到剩余序列，计算每段剩余序列的协方差，计算所有分段的去趋势协方差的平均值，计算去趋势互相关系数；去趋势互相关系数的计算公式如下：
[0039][0040]式中，表示{xt}和{yt}的去趋势协方差；F
DFA
{x
t
}和F
DFA
{y
t
}分别表示{x
t
}和{y
t
}的去趋势方差。
[0041]优选的，所述步骤3中的相干性分析包括：计算各主分量的自功率谱，各主分量与振动信号的互功率谱，振动信号与噪声信号的互功率谱，按照相干函数公式计算相干系数，相干函数计算公式如下：
[0042][0043]式中，S
xx
(f)为输入信号的自功率谱；S
yy
(f)为输出信号的自功率谱；S
xy
(f)为输入信号与输出信号的互功率谱。
[0044]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0045](1)通过在喷水推进泵上成套布置水听器、振动传感器、压力脉动传感器，可实现振动源与声源信号的同步实时捕获，实时分析和结果呈现；
[0046](2)通过采取先进的信号处理方法变分模态分解(VMD)对信号实现自适应模态分解，且能有效抑制或完全避免模态混叠、边界效应等问题，并通过相本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，其特征在于，包括：数据采集单元：实时采集水动力噪声信号、压力脉动信号和振动信号；信号调理及标准化单元：用于将采集到的信号转换成电流信号，并进行标准化处理；信号处理分析单元：将标准化后的数值进行变分模态分解、相关性分析、相干性分析，从而实现振动源和噪声源的识别；显示单元：用于显示处理后的结果以及识别结果呈现；数据存储单元：分别与数据采集单元、信号调理及标准化单元、信号处理分析单元连接，用于原始数据、调理后的数据、处理后的数据的存储。2.根据权利要求1所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，其特征在于，所述水听器安装在喷水推进泵进出口4倍直径处，所述水听器采用双水听器互谱测量法测量，水听器的分体式安装结构包括测量管与可拆式螺纹连接的连接管、O型圈。3.根据权利要求1所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，其特征在于，在水听器安装截面上同时安装振动传感器和压力脉动传感器，用于压力脉动信号、振动加速度信号、噪声信号的同步测量。4.根据权利要求1所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，其特征在于，信号采集和传输过程所用的电缆线为银制的无损屏蔽信号传输线。5.根据权利要求1所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，其特征在于，通过信号调理标准化单元将采集到的信号统一转换成4～20mA的电流信号并输出0～1的标准化数值。6.一种喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别方法，其特征在于，采用权利要求1
‑
5中任一项所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别装置，包括：步骤1：通过对归一化后的信号进行变分模态分解；步骤2：计算每阶模态与原始信号的相关性，剔除相关系数小于预设阈值的模态分量，实现信号降噪；步骤3：计算压力脉动各主成分分量与振动加速度信号，噪声信号的相干性分析，计算振动加速度信号主成分与噪声信号的相干性系数，从而实现噪声源与振动源的识别与分析。7.根据权利要求6所述的喷水推进泵水动力振动和噪声源的识别方法，其特征在于，所述步骤1包括变分模型的构建，具体为：步骤1.1：利用Hilbert变换构建各模态函数uk(t)的解析信号，并通过计算求得单边频谱；步骤1.2：将复指数项作为各模态函数的预估中心频率，将解析信号与预估中心频率相乘，从而把各模态函数的频谱调制到相应的基频带上；步骤1.3：通过计算上述解调信号梯度的二阶范数，估计各模态分量的带宽，建立约束变分模型如下：
式中：uk＝(u1,u2,
…
,uk)分别为各阶模态分量；ωk＝(ω1,ω2,
…...
【专利技术属性】
技术研发人员：王德忠，龚波，尹俊连，张正川，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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