Устройство анализа акустических сигналов механизмов

 

Изобретение относится к области спектрального анализа, а устройство может быть использовано для диагностики механизмов по акустическим сигналам их компонент. Техническим результатом является повышение разрешающей способности. Устройство содержит электроакустический преобразователь, селективный усилитель, блок управления, блок АЦП, блок оперативной памяти, блок спектрального преобразования, блок масштабирования, блок сравнения матриц, блок распознавания, блок хранения эталонов, блок хранения критериев сравнения, блок хранения значений классификационных признаков и индикатор состояния анализируемого объекта. 4 ил.

Изобретение относится к области спектрального анализа, а устройство может быть использовано для диагностики механизмов по акустическим сигналам их компонент. Изобретение может найти применение в медицине, физике, астрономии, неразрушающем контроле материалов и изделий, обработке и анализе речи, диагностике двигателей и приводов и т.д.

Известен спектральный анализатор, содержащий параллельный аналоговый фильтр, реализованный на полосно-пропускающих фильтрах или гетеродине, выделяющий спектральные составляющие, соответствующие анализируемым полосам частот. Путем амплитудного детектирования этих спектральных составляющих получают набор постоянных напряжений, каждое из которых характеризует частотные свойства сигналов в анализируемой полосе частот. Затем, с помощью коммутатора эти напряжения последовательно подаются на вход видеоиндикатора (электронно-лучевой трубки), (см. Макс Ж., Методы и техника обработки сигналов при физических изменениях, В 2-х томах. Пер. с франц. - М.: Мир, 1983. Т.2, с.79-80).

Недостаток данного анализатора заключается в том, что определяются только мгновенные спектры, то есть спектры на конечном интервале, что вызывает необходимость использования "окна" наблюдения и приводит к искажениям спектральной картины, ее недетерминированности и сложности создания программ распознавания состояний объекта по недетерминированному представлению сигнала.

Наиболее близким техническим решением системы анализа акустических сигналов является прибор для контроля сигналов акустической эмиссии АРКС, содержащий электроакустический преобразователь, селективный усилитель и четырехканальный анализатор уровня сигнала [см. Ботаки А.А. и др. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов/ А.А. Ботаки, В.Л. Ульянов, А.В. Шарко, М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.].

Недостатком данного устройства является невозможность с его помощью вести параллельный спектральный анализ, а также его низкая разрешающая способность по частоте, в связи с невозможностью управления временем интегрирования наблюдаемого процесса.

Технической задачей изобретения является повышение разрешающей способности для диагностики механизмов на основании акустических сигналов их компонент, а также получение детерминированного представления акустического сигнала.

Поставленная задача решается введением в устройство анализа акустических сигналов механизмов цифровой схемы спектрального преобразования, осуществляющей не одномерное, а двумерное спектральное преобразование исходного сигнала, модуля оперативной памяти, осуществляющего хранение коэффициентов эталонных двумерных спектральных плоскостей, значений критериев сравнения полученной и эталонных двумерных спектральных плоскостей и значений классификационных признаков, с помощью которых происходит определение состояний механической системы, блока масштабирования, обеспечивающего приведение текущих двумерных спектральных плоскостей к единому масштабу, блока сравнения, обеспечивающего сравнение матриц полученных и эталонных двумерных спектральных плоскостей по заданным критериям сравнения, блока распознавания, осуществляющего определение состояния механической системы по заданным наборам решающих правил.

В основу работы устройства анализа звука положено двумерное спектральное преобразование отсчетов акустического сигнала. Двумерное спектральное преобразование вычисляется как для 0<k<N-1 и 0<k<N-1, где W_N1•W_N2 - некоторый ортогональный базис, Массив исходных данных х (n₁, n₂), отсчетов акустического сигнала, сформирован по принципу переноса отсчетов текущего мгновенного окна наблюдения, адаптированного размера, в строки матрицы х. Таким образом, размеры матрицы х определяются, с одной стороны, (длина строк) адаптированным размером окна мгновенного наблюдения, а, с другой стороны, временем наблюдения исходного процесса, деленным на длительность адаптированного окна мгновенного наблюдения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дана структурная схема устройства анализа акустических сигналов механизмов, а на фиг.2 приведено геометрическое представление способа приведения частотных плоскостей к единому временному масштабу в блоке масштабирования, на фиг.3 показана функциональная схема реализации блока сравнения матриц, а фиг.4 иллюстрирует выбор точки наблюдения и ее окрестностей и процесс сравнения матриц.

Устройство анализа акустических сигналов механизмов, изображенное на фиг. 1, состоит из электроакустического преобразователя 1, селективного усилителя 2, блока управления 3, блока АЦП 4, блока оперативной памяти 5, блока спектрального преобразования 6, блока масштабирования 7, блока сравнения матриц 8, блока распознавания 9, блока хранения эталонов 10, блока хранения критериев сравнения 11, блока хранения значений классификационных признаков 12, индикатора состояния анализируемого объекта 13. Выход электроакустического преобразователя 1 подключен к первому входу селективного усилителя 2. Первый выход блока управления 3 подключен ко второму входу селективного усилителя 2. Выход селективного усилителя 2 подключен к первому входу блока АЦП 4. Второй выход блока управления 3 подключен ко второму входу блока АЦП 4.

Выход блока АЦП 4 подключен к первому входу блока оперативной памяти 5. Третий выход блока управления 3 подключен ко второму входу блока оперативной памяти 5. Первый выход блока оперативной памяти 5 подключен к первому входу блока масштабирования 7. Второй выход блока оперативной памяти 5 подключен к первому входу блока спектрального преобразования 6. Четвертый выход блока управления 3 подключен ко второму входу блока спектрального преобразования 6. Пятый выход блока управления 3 подключен ко второму входу блока масштабирования 7. Выход блока спектрального преобразования 6 подключен к третьему входу блока оперативной памяти 5. Выход блока масштабирования 7 подключен к первому входу блока сравнения матриц 8. Выход блока сравнения эталонов 10 подключен ко второму входу блока сравнения матриц 9. Выход блока хранения критериев сравнения 11 подключен к третьему входу блока сравнения матриц 8. Выход блока сравнения матриц 8 подключен к первому входу блока распознавания 9. Выход блока хранения значений классификационных признаков 12 подключен ко второму входу блока распознавания 9. Выход блока распознавания 9 подключен к входу индикатора состояния анализируемого объекта.

Устройство работает следующим образом: Электроакустический преобразователь 1 преобразует акустический сигнал в электрический. Селективный усилитель 2 нормирует электрический сигнал и выполняет предварительную обработку (фильтрацию, маскирование), затем блок АЦП 4 выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой код, блок управления 3 выполняет управление процессом дискретизации и записи отсчетов в блок памяти 5.

Следующий этап работы системы - преобразование матрицы исходного сигнала в матрицу двумерного спектрального преобразования выполняется в блоке спектрального преобразования 6 под управлением блока 3, причем вместо двух спектральных преобразователей преобразование выполняется в одном блоке последовательно, сначала спектральное преобразование выборок исходного сигнала, затем транспонирование матрицы спектральных коэффициентов, а затем спектральное преобразование транспонированной матрицы спектральных коэффициентов.

Для сравнения текущей двумерной спектральной плоскости и образцовой, необходимо привести плоскости к единому масштабу, по оси ординат. Для перехода к единому (индивидуальному) масштабу времени выполняется проецирование канонической плоскости на исходную (или наоборот). Причем угол проецирования α (фиг. 2) выбирается таким образом, чтобы частоты работы соответствующих узлов эталонного устройства Fk и анализируемого Fa при сравнении частотных плоскостей совпадали COSα=Fa/Fk, если Fа<Fk,=Fk/Fa, если Fk<Fа.

Блок сравнения матриц 8 имеет три входа и один выход. Его функциональное назначение - сравнение двух матриц, которые поступают на его два первых входа: первая от блока масштабирования 7, а вторая от блока хранения эталонов 10. Третий вход блока - управляющий. Формально имеет место сравнение двух многомерных сигналов одной физической природы и одинаковой размерности. Одинаковую размерность сравниваемых сигналов обеспечивает блок масштабирования 7. Один из возможных способов реализации блока сравнения 8 показан на фиг. 3. В качестве блока сравнения матриц используется устройство, принципы работы которого описаны в книге "Твердотельное телевидение: Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах" под ред. Л.И. Хромова и др. М., Радио и связь, 1986, с. 70-88 (раздел 2.1, рис. 2.2 и рис. 2.12).

Структурная схема одной из возможных реализаций блока сравнения матриц, реализованная на основе этих принципов, которую можно использовать в предлагаемом устройстве, показана на фиг.3. Блок сравнения матриц 8 состоит из микроконвертора 14 (в качестве микроконвертора может быть использован, например, микроконвертор AduC812 фирмы ANALOG DEVICES), нулевой порт которого соединен с выходом блока масштабирования 7, порт 1 - с выходом блока хранения эталонов 10, порт 2 - с выходом блока хранения критериев сравнения 11, последовательный порт - с первым входом блока распознавания 9, первой матрицы ПЗС 15, информационный вход которой соединен с первым аналоговым выходом микроконвертора 14, а вход управления - с портом 3 микроконвертора 14, второй матрицы ПЗС 16, информационный вход которой соединен со вторым аналоговым выходом микроконвертора 14, а вход управления подключен к третьему порту микроконвертора 14, усилителей 17 и 18, входы которых подключены, соответственно, к выходам матриц ПЗС 15 и 16, и дифференциального усилителя 19, входы которого подключены к выходам усилителей 17 и 18, а выход - к аналоговому входу микроконвертора 14.

Способ сравнения матриц определяет блок хранения критериев сравнения 11, который через порт 2 блока 14 управляет масштабными коэффициентами на аналоговых выходах блока 14.

Для оценки отклонений исходной плоскости от эталонной в блоке сравнения 8 применен метод сравнения окрестностей заранее определенной точки (точки наблюдения) или группы точек. Окрестность точки наблюдения представляет собой соседние точки на плоскости, удаленные не более чем на заданную величину. Координата точки наблюдения (Х,У) и величина удаления (размер зоны наблюдения) по столбцам и строкам, а также правила сравнения хранятся в блоке хранения критериев сравнения 11.

Процесс выбора точки наблюдения и окрестностей иллюстрирует фиг.4. Для простоты взята одна точка наблюдения и матрица размерностью 5х5. На фиг. 4, а показана матрица на выходе блока масштабирования 7. На фиг. 4, б - матрица на выходе блока хранения эталонов. Пусть необходимо выбрать точку наблюдения так, как показано на фиг.4, а и б. Данную топологию задает матрица, показанная на фиг.4, в, элементами которой являются весовые (масштабные) коэффициенты, которые определяют коэффициенты усиления на аналоговых выходах блока 14 (фиг.3). Результат сравнения, полученный на выходе блока сравнения матриц 8, показан на фиг.4,г.

Определение состояния механической системы производится в блоке распознавания 9 по заданным наборам решающих правил блока хранения классификационных признаков 12.

Новым является: 1 - исходный сигнал представляется в виде двумерной матрицы отсчетов в блоке 5 управляемым блоком 3; 2 - двумерное спектральное преобразование выполняется последовательно в блоке 6 под управлением блока 3, а промежуточные результаты и транспонирование выполняется в блоке 4;
3 - выполняется масштабирование двумерных спектральных плоскостей в блоке 7;
4 - сравнение выполняется по заранее определенному набору правил в блоке 8, на входы которого поступают текущая двумерная спектральная плоскость с выхода блока памяти 5, двумерная спектральная плоскость эталона, хранящаяся в блоке 10, а также набор правил, хранящийся в блоке 11.

Формула изобретения

Устройство анализа акустических сигналов механизмов, содержащее электроакустический преобразователь и селективный усилитель, отличающееся тем, что введены блок управления, блок АЦП, блок оперативной памяти, блок спектрального преобразования, блок масштабирования, блок сравнения матриц, блок распознавания, блок хранения эталонов, блок хранения критериев сравнения, блок хранения значений классификационных признаков, индикатор состояния анализируемого объекта, вход которого соединен с выходом блока распознавания, второй вход которого соединен с выходом блока хранения значений классификационных признаков, а первый - с выходом блока сравнения матриц, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока хранения эталонов и выходом блока хранения критериев сравнения, а первый вход соединен с выходом блока масштабирования, второй вход которого соединен с пятым выходом блока управления, а первый - с первым выходом блока оперативной памяти, второй выход которого соединен с первым входом блока спектрального преобразования, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, а выход - с третьим входом блока оперативной памяти, второй вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а первый вход соединен с выходом блока АЦП, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления, а первый - с выходом селективного усилителя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, а первый - с выходом электроакустического преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5