基于峭度分析的聲發(fā)射故障檢測

沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院 何鵬舉 于 洋

0 引言

峭度是描述波形尖峰度的一個導出函數(shù)，反映出隨機變量分布特性的數(shù)值統(tǒng)計量，是歸一化的四階中心距，其定義為[1]：

其中，X 為信號的幅值；P( X )為信號的概率密度函數(shù)。

離散信號的峭度定義為：

在聲發(fā)射的特征參數(shù)總有一個參數(shù)RMS（信號有效值），其定

義為：

因此峭度值K(或峭度系數(shù))可以表示為：

峭度處理會使聲發(fā)射信號的能量得到放大，削弱較低噪聲信號的能量，這樣就會很好的凸顯聲發(fā)射信號。

根據(jù)相關(guān)材料可知，當沒有聲發(fā)射信號只有噪聲信號時（材料完好的時候），噪聲振動基本服從正太分布，即峭度值K ≈ 3，此時波形服從正太分布；當檢測材料出現(xiàn)損傷進而產(chǎn)生聲發(fā)射信號的時候，峭度值K將會變大[2]。

降噪處理后的信號，經(jīng)過峭度處理會突出高幅值信號，同時抑制低幅值的信號，聲發(fā)射信號會得到有效的凸顯，且殘留的干擾信號也會被進一步抑制。有利于聲發(fā)射信號的識別和分析[3]。

1 峭度值計算

如圖1.1所示，當數(shù)列N較小時，數(shù)據(jù)處理的差別。

圖1.1 少量數(shù)據(jù)的峭度值計算對比圖

由圖1.1的四張圖可以看出，在圖a時，信號的特征不是很明顯，基本屬于雜亂無章的，看得出噪音干擾信號很多。圖b中信號有了初步的抑制和突出的差別，可以明顯的看出突出信號。在圖c中，波形中期的突變值被進一步抑制，初期的波形得到的突出。在圖d中可以清楚看出最開始的一個信號得到了不斷的加強，而其他信號都得到了相當大的抑制[5-7]。

在軸承無故障運轉(zhuǎn)時，由于各種不確定因素的影響，振動信號的幅值分布接近正態(tài)分布，峭度指標值K≈3；隨著故障的出現(xiàn)和發(fā)展，振動信號中大幅值的概率密度增加，信號幅值的分布偏離正態(tài)分布，正態(tài)曲線出現(xiàn)偏斜或分散，峭度值也隨之增大。峭度指標的絕對值越大，說明軸承偏離其正常狀態(tài)，故障越嚴重，如當其K>8時，則很可能出現(xiàn)了較大的故障。

理論中當K>3.3的時候認為有聲發(fā)射信號發(fā)生，由圖3.12所示在K>3.3的信號呈現(xiàn)出一定的周期性，可以認定為是成周期變化的故障信號

其實隨著N值的不斷增加，即代表峭度計算包含的數(shù)據(jù)越來越多，可能會包含聲發(fā)射信號同時也包含噪聲信號，如果數(shù)據(jù)的額定時間跨度過大就很可能掩蓋掉一些重要信息，這樣就失去了峭度值計算的意義；但是如果時間差過于小，就會使信息量變得很小，無法達到對聲發(fā)射信號的突出，以及對噪聲信號的抑制效果。所以對于N值的選取應適當且謹慎[8]。

2 等時差峭度值計算

上文應用的峭度值分析方法是對固定個數(shù)的原始信號數(shù)據(jù)進行計算，但是在實際應用中很可能會出現(xiàn)兩個原始信號之間的時間間隔比較長，則有可能導致峭度計算的數(shù)據(jù)時間跨度太大，掩蓋了很多重要的信息。所以本文對傳統(tǒng)的峭度分析進行了改進，設(shè)計了等時差峭度值分析方法。

等時差峭度值指在固定時間間隔T內(nèi)對數(shù)據(jù)進行峭度計算，數(shù)據(jù)的個數(shù)不確定，這樣很容易凸現(xiàn)信號的周期特性。波形圖像如圖2.1所示。

圖2.1 等時差峭度值對比圖

在等時差的峭度值計算中，效果相對還是比較明顯的，與傳統(tǒng)的峭度值計算的效果相比，K>3.3的信號峰值更加明顯，所以在聲發(fā)射檢測中峭度的計算應用防范且效果明顯。

峭度值分析能夠有效的檢測到實驗條件下由于缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征，為在噪聲環(huán)境中檢測聲發(fā)射信號提出了有效的方法。

3 結(jié)論

從聲發(fā)射信號的特征參數(shù)的特點出發(fā)，通過對特征參數(shù)的分析達到對聲發(fā)射源的識別。由于聲發(fā)射信號在采集過程中避免不了會有噪音信號的干擾，所以利用峭度分析，對聲發(fā)射數(shù)據(jù)中的特征參數(shù)進行分析，突變現(xiàn)貨偶可以得到進一步凸顯，而噪聲信號會被不斷的抑制。通過這種方法，對數(shù)據(jù)中的特征數(shù)據(jù)進行區(qū)別采集，這些數(shù)據(jù)中基本包含著損傷的聲發(fā)射信號，根據(jù)實際的應用創(chuàng)建了等差峭度和等時峭度兩種峭度分析，并以圖像的方式進行顯示，進而可以通過這些數(shù)據(jù)對被檢測材料的損傷進行定量和定性的分析。

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