声压频选增强器、测试方法及采集系统

本发明属于声源定位的，具体涉及一种声压频选增强器、测试方法及采集系统。

背景技术：

1、低成本的状态监测和故障诊断技术对机械装备健康维护和事故性预防具有重要的现实意义。在众多的故障诊断方法中，基于声音的传感技术因声音信号采集蕴含的信息丰富、非接触式、安装灵活等优点而备受重视。然而，来自环境和自身不相干的噪声会干扰声音信号，并降低声学传感器的有效性。

2、近年来，声学超材料由于其独特的波操控性质受到了广泛关注。这些独特的性质为基于超材料声源定位技术的发展提供了广阔的前景。例如，具有各向异性声学响应的随机编码声学超材料和指向性声学超材料能够克服传感器数量的限制。再如，共振型声学超材料和高折射率型声学超材料可利用共振腔或高折射率区域捕获入射声波，实现待检声波的预放大。

3、现有技术中，如中国专利号为：cn202111631579.8，其公开了一种用于声源定位的亚波长声学超材料耦合结构，其利用梯度折射率结构和空间卷曲结构耦合而成的新型结构，能够在亚波长尺度下实现声源定位。但是，该结构声波频率的选择范围有限，能检测一些微弱信号，但无法对微弱信号进行声压增强，导致机械故障检测的准确性较低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种声压频选增强器、测试方法及采集系统，实现了对微弱信号的声压进行增强，适用于机械装备微弱信号的增强和故障检测。

2、其技术方案如下：

3、一种声压频选增强器，包括传导杆以及至少三个导体，三个所述导体均套接于所述传导杆外；

4、其中，三个所述导体沿所述传导杆的长度方向依次排列设置，且三个所述导体的横截面自所述传导杆的一端至另一端依次增大，所述导体的横截面与所述传导杆的长度方向相交。

5、在其中一实施例中，所述导体的数量具有多个，多个所述导体的横截面均呈圆形状，在坐标系x轴的方向上，多个所述导体的半径大小排列公式为：z(x)＝0.0007x2+(8～10)；

6、式中，x为导体离x轴坐标系原点的距离；z为导体的半径在坐标系z轴上的数值。

7、在其中一实施例中，所述导体的圆心具有供所述传导杆穿过的通孔，相邻两个导体之间具有间隙,且相邻的两个导体之间的距离相等。

8、在其中一实施例中，所述声压频选增强器的等效折射率用公式表达为：

9、

10、ω＝2πf；

11、式中，ntsam为声压频选增强器的等效折射率；f为入射声波的频率；ω为角频率；nair为空气对声音的折射率；βair为空气的体积模量；ρair为空气的质量密度；ρz为沿z轴方向上声压频选增强器的整体等效质量密度；β为声压频选增强器的整体等效体积模量；z为导体的半径在坐标系z轴上的数值。

12、在其中一实施例中，沿x轴方向上的声压与输入声音频率的关系中，所述声压频选增强器的增强声压的表达公式为：

13、

14、式中，ptsam为声压频选增强器的增强声压；f为入射声波的频率；ρair为空气的质量密度，ρz为沿z轴方向的声压频选增强器的整体等效质量密度。

15、在其中一实施例中，当声源位于所述传导杆的一侧，且所述声源与所述传导杆的长度方向的垂直距离不变时，所述传导杆上的间隙内任意位置的声压幅值相等，并大于间隙外的声压幅值。

16、在其中一实施例中，多个所述导体呈喇叭状结构；所述喇叭状结构具有弧形外边，所述弧形外边的内弧面朝向所述传导杆。

17、在其中一实施例中，所述导体的数量为20至30个；所述传导杆的长度为300至400mm；每一所述导体的厚度为2.5至3.5mm，相邻两个导体之间的间隙为10至15mm。

18、在其中一实施例中，所述导体的至少一部分采用含有铝金属的材料制成。

19、本发明还提出一种测试方法，将声压频选增强器应用于测试方法中，包括以下步骤：

20、步骤一：在相邻的两个导体的间隙中安装声学传感器，所述声学传感器与数据接收器电性连接；

21、步骤二：在声压频选增强器的前端设置测试件，测试件上具有检测点；

22、步骤三：启动测试件，所述测试件产生声波，所述数据接收器获取声波数据。

23、本发明还提出一种采集系统，包括声学传感器、数据接收器以及如上述所述的声压频选增强器，所述数据接收器与所述声学传感器电性连接，所述声学传感器安装于所述声压频选增强器上，并位于间隙中。

24、本发明所提供的技术方案具有以下的优点及效果：

25、1、采用三个导体均套接于传导杆外；三个所述导体沿传导杆的长度方向依次排列设置，且三个导体的横截面自传导杆的一端至另一端逐渐增大，导体的横截面与传导杆的长度方向相交；通过三个导体的横截面自传导杆的一端至另一端逐渐增，在空气中，相邻导体之间形成了折射率高于空气的等效介质，使声波的传播速度降低，并压缩声压频选增强器的声波，通过不断增大的导体，从而产生更高的声压幅值，使机械装备的微弱信号得到增强，提高机械故障检测的准确性。

26、2、多个导体的半径大小通过公式z(x)＝0.0007x2+9进行有序排列，多个导体的横截面沿传导杆逐渐增大，实现了提高声波频率的选择范围以及声压增强，适用于机械装备微弱信号的增强和故障检测。此声压频选增强器结构简单，制作成本低；具有快速优化且灵活的传感性能；在设备运行时，放大声信号的特定范围频率，进而提升声音信号的信噪比，其丰富了械故障诊断的监测手段，可用于大多数的旋转机械的故障检测，适应性强。

27、3、通过计算声压频选增强器的等效折射率，得出等效折射率的大小与声压增强之间的关系，从而依据导体的整体等效体积模量与声压增强的关系，利于实验人员选择出更加适用于作为声音传播的介质。

28、4、经过等效折射率的公式计算，以及参考各个金属的体积模量，金属的密度，从而选择出铝金属更加适用于作为声音传播的介质，进一步产生更高的声压幅值，使机械装备微弱信号的增强。

29、5、通过测试方法，在测试件上设定具有缺陷的检测点，测试件产生声波后，声波的所有频率分量均通过声压频选增强器传输值数据接收器中，对测试件旋转的四个谐波信噪比进行观测，在间隙内采集到的七个信号明显比结构外采集到的信号高25％，由此可知，此声压频选增强器显著提高了故障检测的效率，从而验证了声压频选增强器可用于声压增加的分析结果。

30、6、将声压频选增强器应用于采集系统中，采集系统可以产生更高的声压幅值，使采集到机械装备的微弱信号得到增强，提高机械故障检测的准确性。

技术特征：

1.声压频选增强器，其特征在于，包括传导杆以及至少三个导体，三个所述导体均套接于所述传导杆外；

2.如权利要求1所述的声压频选增强器，其特征在于，所述导体的数量具有多个，多个所述导体的横截面均呈圆形状，在坐标系x轴的方向上，多个所述导体的半径大小排列公式为：z(x)＝0.0007x2+(8～10)；

3.如权利要求2所述的声压频选增强器，其特征在于，所述导体的圆心具有供所述传导杆穿过的通孔，相邻两个导体之间具有间隙,且每一相邻的两个导体之间的距离相等。

4.如权利要求3所述的声压频选增强器，其特征在于，所述声压频选增强器的等效折射率用公式表达为：

5.如权利要求4所述的声压频选增强器，其特征在于，沿x轴方向上的声压与输入声音频率的关系中，所述声压频选增强器的增强声压的表达公式为：

6.如权利要求5所述的声压频选增强器，其特征在于，当声源位于所述传导杆的一侧，且所述声源与所述传导杆的长度方向的垂直距离不变时，所述传导杆上的间隙内任意位置的声压幅值相等，并大于间隙外的声压幅值。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的声压频选增强器，其特征在于，多个所述导体呈喇叭状结构；所述喇叭状结构具有弧形外边，所述弧形外边的内弧面朝向所述传导杆。

8.如权利要求1至6中任意一项所述的声压频选增强器，其特征在于，所述导体的至少一部分采用含有铝金属的材料制成。

9.测试方法，其特征在于，将声压频选增强器应用于测试方法中，包括以下步骤：

10.采集系统，其特征在于，包括声学传感器、数据接收器以及如权利要求1至9中任意一项所述的声压频选增强器，所述数据接收器与所述声学传感器电性连接，所述声学传感器安装于所述声压频选增强器上，并位于间隙中。

技术总结
本发明公开了一种声压频选增强器、测试方法及采集系统，属于声源定位的技术领域，其中，包括传导杆以及至少三个导体，三个导体均套接于传导杆外；其中，三个导体沿传导杆的长度方向依次排列设置，且三个导体的横截面自传导杆的一端至另一端依次增大，导体的横截面与传导杆的长度方向相交。通过三个导体的横截面自传导杆的一端至另一端逐渐增，在空气中，相邻导体之间形成了折射率高于空气的等效介质，使声波的传播速度降低，并压缩声压频选增强器的声波，通过不断增大的导体，从而产生更高的声压幅值，使机械装备的微弱信号得到增强，提高机械故障检测的准确性。

技术研发人员：黄石青,林煜彬,朱泓博,唐伟杰,谷丰收
受保护的技术使用者：北京理工大学珠海学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14