一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法及系统

技术领域

本发明涉及声纹监测技术领域，尤其涉及一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法及系统。

背景技术

机械振动信号的故障诊断对于保障机械设备的安全、稳定运行具有重要意义。基于机械振动信号分析的机械故障诊断方法具有可在线、实时、非损伤、诊断便捷准确等优点，已经取得了广泛的应用。目前，对旋转机械及其关键零部件进行远程运维或健康监测的研究已经有了一些技术方案，但是利用声纹特征进行远程运维的研究还不多见。所谓声纹，是指通过专用的电声转换仪器(声谱仪、语图仪等)将声波特征绘制成的波谱图形。

齿轮箱在运行过程中，会产生可以表征设备本身状态的特有的声音及振动，该声音可以通过电声学仪器所测量和分析。利用这一特性，将被检测设备的检测声纹信息与正常的声纹信息进行对比可以预判设备的工作状况，实现在设备发生故障前提前预知和排除。现有声纹异常检测技术中的特征提取过程通常使用梅尔频率倒谱系数(MFCC)进行声纹特征提取以模拟人耳的听觉特性，然而该方法在齿轮箱声纹检测任务中难以精确表示关键频率特性，导致算法精度不足。

公开号为CN112964304A的专利提出了一种旋转机械关键零部件远程运维方法，该发明的侧重点在于如何使用物联网技术将声纹监测模块和远程运维中心传数据，没有讲明声纹监测模块具体该怎么安装获得最好的信号输入。公开号为CN114184223A的专利提出了一种风力发电声纹监控系统，该发明是一套包含影像，温度，声音多个监测模块的监测系统，服务于风力发电机，并不牵涉到任意监测模块的优化设计。公开号为CN110617982A的专利提出了一种基于声纹信号的旋转机械设备故障识别方法，该方法中音频采集组件为均布设置，并不保证一定能够采集到声纹特征最佳的位置。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法及系统，基于计算机仿真技术，对声纹监测装置的布局进行优化。

为实现上述目的，本发明提供一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法，所述方法包括步骤：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列；

S2、以与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，得到齿轮箱壳体的振动值序列；

S3、根据所述齿轮箱壳体的振动值序列，构建齿轮箱壳体外部的一球形区域的压力声学模型，根据该压力声学模型计算得到齿轮箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系；

S4、在预设的多个麦克风备选安装位置，根据声压~频率关系获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系，根据齿轮箱中每一个齿轮的特征频率，计算每一个麦克风备选安装位置所对应的所有各个齿轮特征频率的总声压特征值和，选取总声压特征值和中最大者所对应的安装位置为麦克风的最优安装位置。

优选的，所述步骤S1包括：

根据所述齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建所述齿轮箱的三维结构模型，并以所述三维结构模型构建所述每一个齿轮对的传动模型；

根据所述几何形状和材质，获取所述每一个齿轮的质量和转动惯量。

优选的，所述步骤S1包括：

设置齿轮之间的初始弹性系数，以及齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，计算得到齿轮间弹性引起的转动力矩；

设置齿轮之间的间隙，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，计算齿轮之间间隙引起的转动力矩；

由所述齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间间隙引起的转动力矩构成所述齿轮所受外力引起的力矩。

优选的，所述步骤S1包括：

根据所述每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩，计算得到该齿轮所受的外力；

根据所述每一个齿轮的质量以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力，以及该齿轮所受的外力，根据齿轮平动方程计算得到该齿轮质心在自身坐标系下的位移；

根据所述齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值，以及齿轮之间间隙引起的转动角度变化的修正值，根据齿轮对之间的齿轮传动方程，计算得到每一个齿轮的转动角度在其自身转轴方向上的分量随时间变化的关系；

根据所述每一个齿轮的转动惯量，以及该齿轮在自身坐标系下所受的惯性力引起的力矩以及所受外力引起的力矩，根据齿轮转动方程计算得到该齿轮的转动角度；

计算齿轮传动过程中齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列为V(t)：

其中，V

优选的，所述步骤S2包括：

在振动值序列V(t)中，获取与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型；

对于齿轮箱壳体螺栓固定处，设置边界条件为轮箱壳体的结构力学模型的固定边界条件：

以获取的与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为轮箱壳体的结构力学模型的边界条件：

使用结构力学软件对轮箱壳体的结构力学模型进行计算，得到齿轮箱壳体的振动值序列U(x,y,z,t)。

优选的，所述步骤S3包括：

对齿轮箱壳体外部的球形区域，构建该球形区域的压力声学方程为：

其中，ρ是空气的密度，p

其中， f为声波的频率，Cc为声音在空气中的传播速度。

优选的，所述步骤S3包括：

对齿轮箱壳体的振动值序列U(x,y,z,t)进行傅里叶变换得到齿轮箱壳体的振动加速度频谱

其中，

通过公式（11）求解得到从齿轮箱箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系p

优选的，所述步骤S4包括：

根据齿轮箱中每一个齿轮的转速，获取每一个齿轮的特征频率f

优选的，所述步骤S4包括：

特征频率f

麦克风备选安装位置x

选取总声压特征值和P

为实现上述目的，本发明提供一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局系统，所述系统包括：

传动模型构建模块，用于基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列；

齿轮箱壳体模型模块，用于以与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，得到的振动值序列；

壳体外部区域模型模块，用于根据所述齿轮箱壳体的振动值序列，构建齿轮箱壳体外部的一球形区域的压力声学模型，根据该压力声学模型计算得到齿轮箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系；

安装位置选取模块，用于在预设的多个麦克风备选安装位置，根据声压~频率关系获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系，根据齿轮箱中每一个齿轮的特征频率，计算每一个麦克风备选安装位置所对应的所有各个齿轮特征频率的总声压特征值和，选取总声压特征值和中最大者所对应的安装位置为麦克风的最优安装位置。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法及系统，所带来的有益效果为：本发明基于计算机仿真技术求解得到在给定工况下齿轮箱周边所有位置处的声纹特征，通过和齿轮箱工作时的特征频率进行对比，从中可以分辨出哪些位置更容易捕捉到声纹特征，从而对声纹监测装置的安装位置进行布局，起到指导作用。本发明能够确保安装的声纹监测装置准确捕捉到齿轮箱的声纹信号特征，从而能够对齿轮箱进行更加准确的故障诊断。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法的流程示意图。

图2是根据本发明的一具体实施例的齿轮箱建模区域示意图。

图3是根据本发明的一具体实施例的不同安装位置的麦克风测量的声压频谱示意图。

图4是根据本发明的一实施例的基于多物理场仿真的声纹监测装置布局系统的系统示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局方法，所述方法包括步骤：

S1、基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列；

S2、以与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，得到齿轮箱壳体的振动值序列；

S3、根据所述齿轮箱壳体的振动值序列，构建齿轮箱壳体外部的一球形区域的压力声学模型，根据该压力声学模型计算得到齿轮箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系；

S4、在预设的多个麦克风备选安装位置，根据声压~频率关系获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系，根据齿轮箱中每一个齿轮的特征频率，计算每一个麦克风备选安装位置所对应的所有各个齿轮特征频率的总声压特征值和，选取总声压特征值和中最大者所对应的安装位置为麦克风的最优安装位置。

基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列。齿轮传动部分包括齿轮传动轴、轴承和齿轮。对于齿轮传动模型，将其视之为刚体，建立多体运动学模型，如图2所示的计算机仿真建模区域。齿轮箱的多体传动模型使用多体动力学软件进行求解。根据齿轮箱中每一个齿轮的几何形状和材质，构建齿轮箱的三维结构模型，并以该三维结构模型构建每一个齿轮对的传动模型；根据几何形状和材质，获取每一个齿轮的质量和转动惯量。

基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定齿轮箱的边界条件，构建每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，边界条件包括齿轮箱的输入端转速和输出端负载。具体地，设置齿轮箱中的每一个齿轮轴编号i，齿轮箱的每一个齿轮编号为j，设置j=1为第一个齿轮，并作为齿轮箱的输入端；若j=2i，则该齿轮为从动轮；若j=2i+1，则该齿轮为驱动轮。根据齿轮箱的输入端转速，计算第一个齿轮转动角度在转轴方向上的分量，并作为第一个齿轮转动方程的边界条件。所述边界条件用公式（1）表示：

其中，ω

将齿轮箱的输出端负载M

齿轮与齿轮之间相接触造成齿轮之间具有弹性，该弹性构成齿轮所受外力的一部分。设置齿轮之间的初始弹性系数k

其中，k

设置齿轮之间间隙b

其中，b

由齿轮间弹性引起的转动力矩和齿轮之间的间隙引起的转动力矩构成齿轮所受外力引起的力矩M

根据齿轮之间弹性引起的转动角度变化修正值θ

同轴的两个齿轮，其转动角度在其自身转轴方向上的分量时时相等。因此第2个到最后一个齿轮的传动方程均可封闭。

根据每一个齿轮的半径以及该齿轮所受外力引起的力矩M

其中，所述齿轮平动方程为式（6）：

其中，下标j代表第j个齿轮，m

根据所述每一个齿轮的转动惯量I

其中，所述齿轮转动方程为：

其中，下标j代表第j个齿轮，R为齿轮的转动矩阵，上标T表示矩阵的转置，I为齿轮的转动惯量，φ为齿轮的转动角度，具有x、y、z轴三个方向自由度，M

通过对齿轮传动方程的求解，获得各个齿轮质心位置随时间变化的轨迹，以及各个齿轮的转角、转速随时间的变化。由于齿轮弹性和齿轮间隙的影响，齿轮传动时会引入附加的周期性振荡，进而使齿轮轴产生周期性的应力。通过求解各个齿轮的运动状况，并通过齿轮对之间的弹性系数，计算出齿轮传动过程，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列为V(t)：

其中，V

以与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，得到齿轮箱壳体的振动值序列。对于齿轮箱壳体，将之视之为弹性材料。以齿轮箱壳体部分作为模型的求解区域，如图2所示的计算机仿真建模区域。在振动值序列V(t)中，获取与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值，并以此作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，使用结构力学软件，如Ansys等，对结构力学模型进行计算得到齿轮箱壳体的振动值序列U(x,y,z,t)。根据结构力学软件的求解结果，得到齿轮箱壳体任意位置任意时刻的振动信息，获取齿轮箱壳体的振动特征。

对于齿轮箱壳体螺栓固定处，设置其边界条件为轮箱壳体的结构力学模型的固定边界条件：

对于壳体和齿轮转轴接触处，即轴承处，设置其边界条件，即以获取的与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为轮箱壳体的结构力学模型的边界条件：

根据所述齿轮箱壳体的振动值序列，构建齿轮箱壳体外部的一球形区域的压力声学模型，根据该压力声学模型计算得到齿轮箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系。以齿轮箱壳体外部的球形区作为模型的求解区域，建立计算机仿真模型，如图2所示的计算机仿真建模区域。对齿轮箱壳体外部的球形区域，构建该球形区域的压力声学方程为：

其中，ρ是空气的密度，p

其中， f为声波的频率，Cc为声音在空气中的传播速度。

齿轮箱壳体的振动值序列U(x,y,z,t)进行傅里叶变换得到齿轮箱壳体的振动加速度频谱

其中，

通过公式（11）求解得到从齿轮箱箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系p

在预设的多个麦克风备选安装位置，根据声压~频率关系获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系，根据齿轮箱中每一个齿轮的特征频率，计算每一个麦克风备选安装位置所对应的所有各个齿轮特征频率的总声压特征值和，选取总声压特征值和中最大者所对应的安装位置为麦克风的最优安装位置。以麦克风作为声纹监测，在齿轮箱外壳以外的区域预先设置多个麦克风的备选安装位置。根据上述步骤获取的声压~频率关系，获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系。设置麦克风备选安装位置为x

根据齿轮箱工作时，将每一个齿轮的转速之除以2π，得到对应的频率中每一个齿轮的特征频率。由于齿轮箱中的齿轮不止1个，得到的特征频率也不止1个，在各个麦克风中，选择其解得的声压-频谱能够覆盖到齿轮箱特征频率的那个。获取齿轮箱中每一个齿轮的特征频率f

特征频率f

麦克风备选安装位置x

选取总声压特征值和P

如图4所示的本发明的一实施例，本发明提供一种基于多物理场仿真的声纹监测装置布局系统，所述系统包括：

传动模型构建模块40，用于基于齿轮箱中的每一个齿轮的齿数以及每一个齿轮对的弹性系数和间隙，并设定所述齿轮箱的边界条件，构建所述每一个齿轮对的传动模型，获取每一个齿轮随时间变化的平动轨迹和转动轨迹，获取齿轮箱中的每一个轴承的振动值序列；

齿轮箱壳体模型模块41，用于以与齿轮箱壳体连接处的各个轴承的振动值作为边界条件，基于结构力学方法构建齿轮箱壳体的结构力学模型，得到的振动值序列；

壳体外部区域模型模块42，用于根据所述齿轮箱壳体的振动值序列，构建齿轮箱壳体外部的一球形区域的压力声学模型，根据该压力声学模型计算得到齿轮箱壳体振动向外发出的声波在球形区域中任意位置的声压~频率关系；

安装位置选取模块43，用于在预设的多个麦克风备选安装位置，根据声压~频率关系获取每一个麦克风备选安装位置所对应的声压~频率关系，根据齿轮箱中每一个齿轮的特征频率，计算每一个麦克风备选安装位置所对应的所有各个齿轮特征频率的总声压特征值和，选取总声压特征值和中最大者所对应的安装位置为麦克风的最优安装位置。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。