2.2.2. Особенности использования акустических сигналов

Выбор вида диагностического сигнала - один из важнейших вопросов созда­ния систем технического диагностирования. Основное требование к диагностиче­скому сигналу - наличие необходимого объема диагностической информации и, по возмож­ности, простота ее выделения. Как правило, контролируемые характери­стики рабо­чих процессов в механизмах и оборудовании, такие как мощ­ность, рас­ход топлива, частота вращения, электрическое напряжение, не изме­няются в на­чальных стадиях развития дефектов и не могут быть использованы в тех задачах диагностирования, в которых необходимо обеспечить хотя бы ориен­тировочный краткосрочный прогноз технического состояния объекта. Для обнару­жения зарож­дающихся дефектов обычно используются либо прямые измерения пара­метров со­стояния объекта, например, ве­личин зазоров между трущимися поверх­ностями, химического состава смазки т т.д., либо результат анализа вторичных процессов, не определяющих правильность функ­ционирования объекта в данном режиме, на­пример, тепловых, электромагнитных и виброакустических полей.

Вторичные поля, возникающие при работе механизмов и оборудования, в ди­аг­ностическом аспекте оказываются, как правило, наиболее информативными. Это обусловлено тем, что источниками поля являются узлы и элементы, в которых чаще всего и возникают дефекты. Кроме того, вторичные поля обычно имеют большое число независимых параметров, определяющих их в пространстве, вре­мени и по множеству однотипных объектов. Среди этих параметров, как правило, находятся та­кие, которые оказываются чувствительными к условиям работы объ­екта и другим дефектам.

На выбор вторичных полей в качестве диагностического сигнала в значитель­ной степени влияют такие свойства, как скорость распространения поля, потери при его распространении, простота измерений. Пространственные характеристики поля ис­пользуются при диагностике элементов СЭУ, прежде всего для локализа­ции места появления дефекта. Следует отметить, что простейший способ локализа­ции дефек­тов, заключается в сравнении результатов измерения энергетических ха­рактеристик поля в разных точках, эффективен при определен­ных ограничениях на потери при распространении волн.

2.2.3. Особенности анализа сложных сигналов

Простейшие задачи виброакустической диагностики, такие как контроль, за вы­полнением требований и выявление основных источников повышенного шума и виб­рации в точках контроля, как уже указывалось, не требует сложных видов ана­лиза сигналов. В то же время структура реальных сигналов нередко оказыва­ется весьма сложной, и даже установившийся сигнал содержит большое число пе­рио­дических и случайных, стационарных и модулированных составляющих различ­ной формы, до­шедших до точки измерения от разных узлов и механизмов.

Под сложными сигналами, используемыми в задачах вибродиаг­ностики, сле­дует понимать периодические сигналы вибрации сложной формы, модулированные и им­пульсные сигналы. Так, сложную форму имеет вибрация, создаваемая в меха­низмах периодическими удар­ными импульсами или электромагнитным полем в за­зо­рах маг­нито­проводов при насыщении отдельных его участков. Амплитудная или частотная модуляции вибрации возникают практически во всех виб­роактивных уз­лах судовых механизмов и оборудования, особенно при наличии в них разного рода дефектов. Импульсные непериодические сигналы шума и вибрации также встречаются до­вольно часто, но редко используются в задачах виброакустиче­ской диагностики из-за сложности их регистрации и анализа.

Основной признак амплитудной или частотной модуляции периодических сиг­налов, появление в спектре сигнала, кроме основных составляющих частот, со­ответ­ственно ее боковых составляющих. Для оценки глубины модуляции доста­точно оп­ределить отношение амплитуд боковых и основных составляющих частот спектра сигнала. Однако для установления вида модуляции необходимо, либо найти фазо­вые соотношения (начальные фазы у основной и боковых составляю­щих), либо ис­пользовать специальные демодуляторы сигнала, например, ампли­тудный или фазо­вый детектор. Наибольшую сложность при этом составляет вы­деление одной из основных составляющих сигнала и соответствующих боковых частот без фазовых искажений, так как использование фильтров, как правило, при­водит к значительным искажениям.

В большинстве практических задач виброакустической диагностики с исполь­зо­ванием параметров модуляции в качестве диагностических, производится только уз­кополосный анализ спектра сигнала и определяется глубина модуля­ции.

На рис. 2.1 приведен спектр огибающей случайного амплитудно-модулирован­ного сигнала с модуляцией mi = 10% и Δf_эd=0,5%, равной одной октаве со средне­геометрической частотой 10 кГц и Δf_э=0,5Гц.

Рис. 2.1. Спектр огибающей амплитудно-модулированного сигнала

Следует отметить, что полосу фильтра Δf_эd нельзя выбирать слишком большой, чтобы в нее не попадали интенсивные гармонические составляющие или на резуль­таты измерения не оказывали сильное влияние резонансы на пути рас­пространения вибрации и шума. Оптимальные значения Δf_эd лежат в области от одной третьоктавы до одной октавы.

Алгоритмы анализа виброакустических сигналов, создаваемых периодиче­скими ударными импульсами, зависят от способа их выделения на фоне виброакустиче­ских сигналов другого происхождения. Вклад ударных импульсов, опре­деляю­щий пороговые методы выделения сигналов, алгоритмы их анализа заключаются в определении амплитуды виброакустического ударного сиг­нала, час­тоты следования, длительности и формы, а основным прибором для ана­лиза служит осциллограф.

Существует еще один вид анализа сигналов, предназначенный для обнаруже­ния одной или одновременно нескольких групп гармо­ник, частоты которых отли­чаются на одну и ту же величину. Этот вид анализа может применяться при ис­сле­довании сигналов вибрации и шума, содержащих составляющие ударного вида, или ампли­тудно-модулированных сигналов, в которых модулируемая или модули­рующая пе­риодические функции имеет сложную форму. Он основан на выявлении периодично повторяющихся по частоте составляющих в спектре сигнала и вклю­чает в себя две последовательные операции спектрального анализа (свертки) сиг­нала. На первом этапе определя­ется обычный спектр установившегося сигнала вибрации или шума. Спектры таких сигналов приведены на рис.2.2а, б. Визу­ально невоз­можно количест­венно оценить вклад периодически повторяющихся по час­тоте составляющих в спектре таких сигналов, поэтому на вто­ром этапе ось частот заменяется на ось вре­мени, т.е. формируется но­вый сигнал, амплитуда которого за­висит от времени так же, как на рис.2.2а, б амплитуда зависит от частоты. После формирования та­кого сигнала исследуется его спектр. На рис. 2.2в, г приведены спек­тры сформированных сигналов, из которых видно, что во втором сиг­нале большое число периодических составляющих, т.е. заметный вклад в его происхож­дение вносят ударные импульсы или сложная амплитудная модуля­ция. Частота гармонических составляющих на рис.2.2в, г имеет необычную раз­мерность (с), по­этому спектр сформи­рованного сиг­нала носит название кепстр (перестановка букв в слове спектр), частота носит назва­ние сачтота, ампли­туда - маплитуда. Для упрощения описания данного вида анализа сигнала была опущена одна его особенность, заключающаяся в том, что математиче­ски стро­гое описание кепстрального преобразования включает в себя опера­цию ло­гарифмиро­вания амплитуд состав­ляющих спектра после пер­вого этапа преобразова­ния перед заменой оси частот на ось времени.

Выражение свертки сигнала имеет вид

Где X (t) - сигнал вибрации в точке измерения; X ( ) - сигнал вибрации в точке возбуждения; g(t- ) - импульсный отклик системы.

Pиc.2.2. Спектры и кепстры сложных сигналов

Для разделения таких сложных сигналов и выделения из них составляющей, создаваемой непосредственно источником вибрации, применяется кепстральное преобразование.

Кепстр есть квадрат преобразования Фурье от логарифмиче­ского спектра мощ­ности сигнала.

Ранее были рассмотрены различные виды анализа сложных сигналов, в кото­рых параметры, характеризующие поведение сигналов во времени, имели за время изме­рения и анализа постоянные значения. Физическая природа вибрации и шума такова, что эти параметры могут изменяться при изменении широкого класса внешних усло­вий, например, режима работы СЭУ, температуры охлаждаю­щей среды, темпера­туры окружающего воздуха и многих других, т.е. параметры сигна­лов вибрации и шума - случайные величины при многократных измерениях за большой промежуток времени. Возникает задача статистического анализа па­ра­метров сигналов по множе­ству измерений. Этот вид анализа можно рассматри­вать как метод обработки резуль­татов измерений, не требующий специальной аппара­туры и выполняемый либо вручную, либо с применением вычислительной техники обычного назначения.