基于小波和分形理论的齿轮故障特征提取及噪声的和谐化研究

论文摘要

噪声污染属于一种物理污染,和其他污染不同,它随着声源发声而开始出现,停止发声而消失,不存在累积现象。但是,由于声源和声源暴露人群的广泛存在,噪声污染一直是人们最严重的环境污染之一,因此控制各类噪声污染的任务十分繁重。随着现代工业的发展和人们物质文化生活水平的不断提高,机器设备、交通运输工具和家用电器的数量日益增多,噪声问题也越来越严重,噪声污染已成为当代世界性的问题。在机械工程中,机械设备的噪声不仅是工业噪声的主要组成部分,而且也是设备质量优劣的重要标志之一,并且直接影响其经济价值。振动与声是源与流的关系,二者紧密地联系在一起,声因振动而产生,有声必有振动,这种振动和噪声含有极为丰富的信息,它间接地反映了设备的运行状态,从而为诊断提供了有力的依据。由于故障特征信号淹没在高频振动和噪声中较难分辨,经典的功率谱方法难以检测出信噪比较低的故障特征信号,即对噪声无免疫力,并且对微弱的故障特征信号不敏感,影响了诊断的可靠性和精确性。另外,噪声的控制问题并不简单地等同于噪声降低。我们除了要降低噪声,同时还要考虑声音质量问题。传统的噪声控制主要是从减低人耳听力损伤方面考虑来进行噪声控制的——降低噪声声级。如今在许多方面降噪已相当困难,同时我们也注意到有些声音事件的声级并不高,它不一定损坏人的听力但可以产生一种令人不愉悦的、烦恼的、扰乱性的听觉感受,这时,我们就说声质量不好。所以噪声固然与声音的强弱有关,它的质量也很重要。在目前越来越强调生活质量的社会里,人们对声质量的要求也越来越高,某种情况下声音质量比声音的强弱更重要。这就要求我们要找到一种基于人耳听觉特性的反映声质量的所谓主观评价指标和体系,以便为最终的声质量控制提供更具体的评判依据。本课题由国家教育部重点研究项目:“噪声全息可视化测量分析系统的研究”,重庆市教委科技项目:“变速箱噪声和谐化测控新方法的研究”的支持。作者作了大量的理论研究和相应的实验研究工作。研究的对象是齿轮噪声。研究路线是:齿轮噪声产生机理及特性→故障诊断(识别主声源)→降噪→人耳听觉特性→声质量评价模型。本文的主要研究内容如下:(1)分析了齿轮噪声的产生机理和特点。(2)阐述了复解析小波用于包络提取的原理,建立了一种基于复解析小波变换的瞬时频率分析齿轮故障振动信号的方法,该方法将希尔伯特变换与小波变换相结合,具有自适应分析能力,克服了Hilbert变换的固有缺点,能够有效地提高信噪比,

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本论文研究的背景和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 广义降噪
• 1.1.3 课题的提出
• 1.2 故障诊断技术
• 1.3 齿轮箱故障诊断的特点
• 1.3.1 齿轮故障的意义和分类
• 1.3.2 齿轮常见故障的成因
• 1.3.3 齿轮箱状态检测与故障诊断的内容
• 1.4 齿轮传动故障诊断的现状
• 1.4.1 故障机理的研究方法
• 1.4.2 振动噪声信号分析
• 1.5 小波理论及小波分析应用于振动噪声信号的研究现状
• 1.5.1 小波分析的特点
• 1.5.2 将小波变换应用于振动信号的研究现状
• 1.6 分形理论在故障诊断中应用
• 1.6.1 分形故障诊断法
• 1.6.2 分形理论发展及应用概述
• 1.7 声学的发展及研究的物理范围
• 1.7.1 声学的发展
• 1.7.2 声学研究的物理范围
• 1.8 声学与生命科学及环境的关系
• 1.8.1 声学与生命科学
• 1.8.2 声学与环境
• 1.9 声音主观评价即声质量研究的现状
• 1.10 本文的主要工作
• 2 齿轮振动噪声产生机理、振动特征
• 2.1 齿轮箱的常见的振动、噪声形成因素分类
• 2.2 齿轮系统振动产生机理
• 2.2.1 齿轮振动产生机理
• 2.2.2 刚度激励
• 2.2.3 误差激励
• 2.2.4 啮合冲击激励
• 2.3 齿轮系统噪声产生机理
• 2.3.1 齿轮的振动特征
• 2.3.2 振动与噪声的关系
• 2.3.3 齿轮系统振动和噪声
• 2.3.4 齿轮噪声产生原因
• 3 小波分析理论及齿轮故障诊断的复解析小波方法
• 3.1 小波变换的基本原理
• 3.1.1 连续小波变换
• 3.1.2 二进小波变换
• 3.1.3 正交离散小波变换
• 3.1.4 多分辨率分析
• 3.2 MALLAT 算法
• 3.2.1 分解算法
• 3.2.2 重构算法
• 3.3 复解析小波变换的振动噪声信号包络提取方法
• 3.4 复解析小波变换对齿轮振动噪声信号的频率解调
• 3.5 小结
• 4 分形理论及齿轮故障诊断的分形方法
• 4.1 分形理论的产生与发展
• 4.2 分形、混沌与非线性的关系
• 4.3 动力学系统
• 4.4 分形概念
• 4.5 分形的几何特征
• 4.5.1 自相似性
• 4.5.2 自仿射性
• 4.5.3 分形与欧氏几何图形的区别
• 4.5.4 标度和无标度域
• 4.6 分形维数
• 4.7 网格维数的计算分析
• 4.7.1 网格维数计算基本方法
• 4.7.2 网格维数的几种计算方法
• 4.7.3 二进分形方法计算方法
• 4.7.4 网格维数仿真计算
• 4.8 分形滤波及仿真计算
• 4.8.1 短时分形维数的计算
• 4.8.2 振动信号的分形滤波
• 4.8.3 仿真分析
• 4.9 振动信号分形诊断原理
• 4.10 模拟信号分形诊断实例
• 4.11 小结
• 5 音乐的和谐化及分形与噪声的和谐化的探讨
• 5.1 音乐中的和谐机理
• 5.1.1 5 度律7 声音阶的物理频率及和谐规律
• 5.1.2 产生和谐音的频率法则和五度律十二声音阶的确定
• 5.1.3 十二平均律与纯律构成的七声音阶
• 5.2 音乐的和谐机理及对齿轮传动噪声和谐化的启示
• 5.3 分形理论、1/f 过程与和谐化实质探讨
• 5.3.1 分形理论、1/f 噪声与自然风景
• 5.3.2 分形理论、1/f 噪声与音乐
• 5.3.3 1/f 与人体α节律波
• 5.4 1/f 过程的小波合成
• 5.4.1 1/f 过程的频域表征及其非平稳性
• 5.4.2 1/f 过程的小波变换在相关结构上的特点
• 5.4.3 基于正交小波变换的1/f 过程的合成
• 5.4.4 小结
• 6 心理声学的基本特性及主观感觉的声质量客观评价
• 6.1 听觉生理系统
• 6.2 听觉感知的基本特性
• 6.2.1 激励与听觉感知范围
• 6.2.2 特征频带（临界频带）和Bark 尺度
• 6.2.3 掩蔽效应
• 6.2.4 双耳效应
• 6.3 听觉心理特性的客观描述
• 6.3.1 响度
• 6.3.2 起伏度（波动度）
• 6.3.3 粗糙度
• 6.3.4 尖税度
• 6.4 声音质量主观评价指标模型
• 6.4.1 临界频带
• 6.4.2 响度
• 6.4.3 尖锐度
• 6.4.4 波动度（起伏度）
• 6.4.5 粗糙度
• 6.4.6 尖锐度简明算法——能量重心计算法
• 6.5 小结
• 7 实验及结果分析
• 7.1 齿轮箱振动信号的采集
• 7.1.1 齿轮箱实验装置及实验模型
• 7.1.2 测点的布置及选择及所用的仪器
• 7.1.3 数据的同步平均处理
• 7.1.4 带通滤波的选择
• 7.1.5 背景噪声的去除
• 7.2 实验1：分形在齿轮箱故障诊断中的应用
• 7.3 实验2：复解析小波变换在齿轮故障诊断中的应用
• 7.4 实验3：1 f 噪声的小波和成的实验研究与结果分析
• 7.5 实验4：标准调制信号及谐波信号声音的尖锐度主观评价研究
• 7.6 实验5：齿轮噪声声质量主观评价及尖锐度模型的验证
• 7.7 实验6：“多级齿轮传动尽量平均分配传动比”和谐化观点及轴频敏感区的实验研究
• 8 总结与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读期博士学位期间发表的论文
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书