基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法技术

一种基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法，先设计一个共振腔室模型；再选择与共振腔室结构和频响需求匹配的声学传感器；然后设计制造传感器主板；再将声学传感器集成到传感器主板上，将传感器主板沿气孔方向与共振腔体结构串联形成填充气体的气密腔室；然后制造传感器外壳，使其与气密腔室组合成气柱共振声学采集装置；再将气柱共振声学采集装置固接于被测试物体表面得到共振信号；结合共振腔室中存在的共振频率构造滤波器对共振信号进行共振卷积特征强化，得到共振卷积特征强化信号，进行包络分析得到冲击脉冲包络信号；本发明专利技术通过气柱共振原理与声学感知技术，实现强背景噪声环境下的冲击脉冲捕获，降低造价。低造价。低造价。

【技术实现步骤摘要】
基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法


[0001]本专利技术涉及信号分析与处理
，特别涉及基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法。

技术介绍

[0002]冲击脉冲是一种典型信号，在声学检测、故障诊断和模式识别中有广泛应用。对于旋转机械，当机械发生异响或者零部件局部故障时通常伴随冲击脉冲行为，准确检测和识别冲击脉冲信号是机械故障诊断的关键步骤，然而考虑到信号传递路径和噪声影响，一般传感器测得信号中包含的冲击脉冲往往被其它信号掩盖，信噪比极低。因此，强化并捕获冲击脉冲信号对旋转机械故障诊断至关重要。为提升工业设备背景噪声下的冲击脉冲信息捕获能力，国内外主要采用共振解调技术进行信号处理。
[0003]传统的共振解调器是应用压电、应变等传感检测旋转机械中零部件碰撞产生的冲击信息，工作原理是利用电子谐振器共振响应将微弱冲击信号放大，形成共振波形，对其解调和包络谱处理，以判定旋转机械是否存在故障。该技术成熟但需要有源RC滤波电路造价较高、且其中电子元器件易受温度和工业现场电磁环境影响。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供了一种基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法，通过气柱共振原理与声学感知技术，实现强背景噪声环境下的冲击脉冲捕获，利用气柱共振物理结构代替传统的电子谐振器，省略电子谐振器元器件，消除温度和工业现场电磁环境对共振器影响，降低造价，可广泛用于声学检测、故障诊断和模式识别领域。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、根据预设计声学传感器、配套数据采集、通讯电路结构尺寸和冲击脉冲卷积固有频率需求，结合三维建模软件和有限元软件进行分析计算，设计一个共振腔室模型；
[0008]步骤2、根据步骤1中得到的共振腔室模型和冲击脉冲卷积固有频率需求，选择与共振腔室结构和频响需求匹配的声学传感器；
[0009]步骤3、根据共振腔室结构及电子元器件尺寸设计制造传感器主板；
[0010]步骤4、将声学传感器集成到传感器主板上，在传感器主板上开设朝向声音传感器信号接收端气孔，将传感器主板沿气孔方向与共振腔体结构串联形成填充气体的气密腔室；
[0011]步骤5、根据电路板装配、传感器安装需求设计制造传感器外壳，使其与气密腔室组合成一套完整的气柱共振声学采集装置；
[0012]步骤6、将气柱共振声学采集装置固接于被测试物体表面，通过气柱共振原理实现冲击脉冲与共振腔室共振频率卷积，得到共振信号x；
[0013]步骤7、结合共振腔室中存在的共振频率构造滤波器对共振信号进行共振卷积特征强化，得到共振卷积特征强化信号x
b
；
[0014]步骤8、对共振卷积特征强化信号x
b
进行包络分析得到冲击脉冲包络信号x
h
。
[0015]所述的步骤1具体为：
[0016]1.1)根据冲击脉冲卷积固有频率需求，预设共振腔室气柱共振频率不低于f
n
；
[0017]1.2)根据预设计声学传感器、配套数据采集、通讯的电路结构尺寸，利用三维绘图软件设计一个共振腔室模型；
[0018]1.3)把共振腔室模型导入有限元分析软件模态分析模块，设置共振腔室气体属性，对共振腔室划分网格，对共振腔室施加边界条件，求解共振腔室的气柱共振频率；
[0019]1.4)如步骤1.3)计算结果与步骤1.1要求不一致，则优化步骤1.2)中的共振腔室模型，迭代步骤1.2)～步骤1.3)，直到步骤1.3)计算结果与步骤1.1)要求一致，结束迭代，得到最优的共振腔室模型.
[0020]所述的共振腔室结构不限于圆柱形、圆锥形等规则腔体结构，或是不规则腔体结构；另外，共振腔室结构制造材料不限，是金属，塑料和复合材料，或是涂层材料。
[0021]所述的声学传感器为MEMS麦克风、驻极体咪头等。
[0022]所述的气密腔室种气体不限于空气、氧气等。
[0023]所述的共振腔室制造方式是机械加工、增材制造或浇铸模具。
[0024]与冲击脉冲卷积的共振频率不限于气柱共振频率，共振频率来源于声学传感器固有频率或传感器主板固有频率。
[0025]构造的滤波器是数字滤波器、模拟滤波器，或是利用机械结构设计的物理型滤波器。
[0026]本专利技术的有益效果为：本专利技术使用气柱共振腔体摆脱了共振器对电子元器件依赖，具有不易受温度、工业现场电磁环境影响和低造价等优势，可广泛用于声学检测、故障诊断和模式识别领域。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例异形共振腔室结构三视图。
[0028]图2为本专利技术实施例气柱共振声学采集装置结构示意图。
[0029]图3为本专利技术实施例脉冲响应时域波形和频谱图。
[0030]图4为本专利技术实施例共振卷积特征强化信号。
[0031]图5为本专利技术实施例冲击脉冲包络信号。
具体实施方式
[0032]下面结合实施例和附图对本专利技术进行详细描述。
[0033]一种基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法，包括以下步骤：
[0034]步骤1、根据预设计声学传感器、配套数据采集、通讯电路结构尺寸和冲击脉冲卷积固有频率需求，结合三维建模软件和有限元软件进行分析计算，设计一个共振腔室模型；具体为：
[0035]1.1)根据冲击脉冲卷积固有频率需求，预设共振腔室气柱一阶共振频率不低于
5000Hz；
[0036]1.2)根据预设计声学传感器、配套数据采集、通讯电路结构尺寸，利用三维绘图软件设计一个共振腔室模型，参照图1，图1为本实施例共振腔室三视图，图1中A1为共振腔室主视图，外轮廓左右对称，由半圆和直线构成，中间有一个直径为8mm的通孔；图1中B1为共振腔室左视图，是由主视图中心A
‑
A截面进行剖视所得到；图1中C1为共振腔室俯视图，是由主视图B
‑
B截面进行剖视所得到；
[0037]1.3)将共振腔室模型导入有限元分析软件的模态分析模块，添加共振腔室气体材料为空气，对共振腔室划分网格，入口端面压力设置为0Mpa，求解器类型选择完全阻尼，求解共振腔室气柱共振频率，见表1；
[0038]表1
[0039]阶次12345678910固有频率/Hz526453941002915105185992123022586249052583727389
[0040]1.4)步骤1.3)共振腔室气柱共振频率计算结果与步骤1.1)要求一致，得到最优共振腔室模型；
[0041]步骤2、根据步骤1中得到的共振腔室模型和冲击脉冲卷积固有频率需求，选择与共振腔室结构和频响需求匹配的MEMS麦克风；
[0042]步骤3、根据共振腔室本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气柱共振原理与声学感知技术的冲击脉冲捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据预设计声学传感器、配套数据采集、通讯电路结构尺寸和冲击脉冲卷积固有频率需求，结合三维建模软件和有限元软件进行分析计算，设计一个共振腔室模型；步骤2、根据步骤1中得到的共振腔室模型和冲击脉冲卷积固有频率需求，选择与共振腔室结构和频响需求匹配的声学传感器；步骤3、根据共振腔室结构及电子元器件尺寸设计制造传感器主板；步骤4、将声学传感器集成到传感器主板上，在传感器主板上开设朝向声音传感器信号接收端气孔，将传感器主板沿气孔方向与共振腔体结构串联形成填充气体的气密腔室；步骤5、根据电路板装配、传感器安装需求设计制造传感器外壳，使其与气密腔室组合成一套完整的气柱共振声学采集装置；步骤6、将气柱共振声学采集装置固接于被测试物体表面，通过气柱共振原理实现冲击脉冲与共振腔室共振频率卷积，得到共振信号x；步骤7、结合共振腔室中存在的共振频率构造滤波器对共振信号进行共振卷积特征强化，得到共振卷积特征强化信号x
b
；步骤8、对共振卷积特征强化信号x
b
进行包络分析得到冲击脉冲包络信号x
h
。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤1具体为：1.1)根据冲击脉冲卷积固有频率需求，预设共振腔室气柱共振...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琇峰，和丹，区瑞坚，
申请(专利权)人：苏州微著设备诊断技术有限公司，
类型：发明
国别省市：