基于盲源分离技术的运行工况传递路径分析方法与流程

本发明涉及机械设备减振降噪领域，具体涉及一种基于盲源分离技术的运行工况传递路径分析方法。
背景技术：
：水下航行器的声隐身性能是衡量其安全性和作战能力的重要指标；轿车和高速列车的振动噪声是评价车辆性能的重要指标。因此，机械设备振动噪声的有效监测与控制对于提高装备性能具有重要工程意义。通过施加阻尼材料或者吸声材料控制振动或者噪声的传递路径是减振降噪中的一种十分有效的方法，其中振动或噪声传递路径的识别是问题的关键，目前常采用传递路径分析(TPA)或者运行工况传递路径分析(OTPA)的方法来识别振动或噪声传递路径，而传统的传递路径分析方法由于其复杂的频响函数测试以及载荷识别过程导致在工程实际中难以快速有效的识别传递路径，运行工况传递路径分析方法是近年来出现的一种传递路径快速分析方法，该方法利用试验工况数据识别传递利率函数矩阵，并将其用于实际工况数据，从而得到传递路径贡献量结果，该方法简单快捷，被广泛运用于工程实际中。然而在OTPA方法实施过程中，振动源之间的相互串扰使得测量得到的参考点响应信号为各个振动源信号相混合的结果，不能准确地反映振动源的特征，使得OTPA计算得到的路径贡献量存在较大的误差。技术实现要素：为了解决现有技术中的问题，本发明公开了一种基于盲源分离技术的运行工况传递路径分析方法，能够消除传统运行工况传递路径分析方法中振动源之间的相互串扰问题，提高了传递路径贡献量计算分析精度。为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：1)对待分析机械系统设置若干种试验工况，选取临近振源的位置作为参考点，待分析位置为目标点；2)开机使待分析机械系统在每一种试验工况下运行，并测量每一种试验工况下参考点和目标点的响应信号，得到所有试验工况下的参考点和目标点的响应信号；3)将每一种试验工况下的参考点响应信号作为输入信号，采用盲源分离工具箱对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到每一种试验工况下的分离信号；4)根据试验工况下的分离信号和目标点的响应信号建立OTPA线性系统方程并进行求解，得到传递率函数矩阵；5)使待分析机械系统在实际工况下运行，并测量在实际工况下参考点的响应信号；6)将实际工况下的参考点响应信号作为输入信号，采用盲源分离工具箱对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到实际工况下的分离信号；7)将步骤6)得到的实际工况下的分离信号与步骤4)的传递率函数矩阵进行相乘，得到不同传递路径贡献量，对不同传递路径贡献量进行排序后得到各个传递路径的贡献量占比，完成运行工况传递路径分析。所述步骤1)中试验工况的种类数量大于参考点数量。所述步骤2)和步骤5)中采用振动加速度传感器测量响应信号。所述的盲源分离处理具体过程如下：首先将每一种工况下的参考点响应信号写成参考点响应信号矩阵矩阵的每一行为一个参考点响应信号，将参考点响应信号矩阵输入到盲源分离工具箱中，进行计算得到每一种工况下的初始分离信号矩阵并进行快速傅里叶变换得到每一种工况下的参考点响应信号频谱矩阵和初始分离信号频谱矩阵然后根据先验知识将每一种工况下的每一个初始分离信号与每一个振动源相对应起来，从而将每一个初始分离信号频谱与每一个参考点响应信号频谱Xij对应起来，将和Xij相对照，取其中某一个未受到串扰影响的频率成分，对初始分离信号频谱进行幅值修正，初始分离信号频谱对应频率成分的幅值为对应参考点响应信号频谱对应频率成分的幅值为Xij(ω)，为比例因子，将初始分离信号频谱全频段幅值乘以比例因子得到分离信号所述步骤4)中根据试验工况下的分离信号和目标点的响应信号构建OTPA线性系统方程，OTPA线性系统方程为：式中T为待求传递率函数矩阵，S为试验工况下分离信号矩阵，Y为试验工况下目标点响应信号矩阵，m为参考点个数，n为目标点个数，r为试验工况种类数量，s为试验工况下分离信号，y为试验工况下目标点响应信号。所述OTPA线性系统方程的求解过程为：首先对试验工况下分离信号矩阵S进行奇异值分解，得到奇异值分解结果为：式中U为正交列向量，U＝[u1,u2,...um]∈Rm×m；V为正交行向量，V＝[v1,v2,...vn]∈Rn×n；Σ为对角矩阵，∑＝diag[σ1,σ2,...σn]∈Rm×n；σj为奇异值，σ1≥σ2≥,...σl≥σl+1＝,...,＝σn＝0，l为矩阵A∈Rm×n(m≥n)的秩；然后根据OTPA线性系统方程，变形得到公式：T＝S+Y，式中S+为试验工况下分离信号矩阵S的伪逆；将试验工况下分离信号矩阵S奇异值分解结果代入公式T＝S+Y中，得到传递率函数矩阵结果：式中为传递率函数矩阵，φj为过滤因子，ω为频率。所述过滤因子φj的计算公式为：λ为正则化参数。所述正则化参数λ采用L曲线法确定。与现有技术相比，本发明对待分析机械系统设计试验工况并测量试验工况数据，使用盲源分离工具箱，对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到每一种工况下的分离信号，根据试验工况下的分离信号和目标点的响应信号建立OTPA线性系统方程，运用阻尼奇异值分解算法求解病态方程，得到传递率函数矩阵，然后测量实际工况下待分析机械系统的参考点响应信号，使用盲源分离工具箱，对实际工况下的参考点响应信号进行盲源分离处理，得到实际工况下的分离信号，并将实际工况下的分离信号与识别出的传递率函数矩阵相乘，得到传递路径贡献量结果，对不同路径贡献量进行排序，得到各个传递路径的贡献量占比，完成运行工况传递路径分析，本发明方法克服了传统运行工况传递路径分析中振动源之间相互串扰带来的误差问题，提高了传递路径贡献量计算精度。附图说明图1为本发明实施例的试验台布置图；图2a为传统方法计算的振源A路径贡献量；图2b为本发明方法计算的振源A路径贡献量；图2c为振源A路径贡献量理论值；图2d为传统方法计算的振源B路径贡献量；图2e本发明方法计算的振源B路径贡献量；图2f为振源B路径贡献量理论值。具体实施方式下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。本发明具体包括以下步骤：1)对待分析机械系统设置若干种试验工况，选取临近振源的位置作为参考点，待分析位置为目标点，试验工况的种类数量大于参考点数量；2)开机使待分析机械系统在每一种试验工况下运行，并采用振动加速度传感器测量每一种试验工况下参考点和目标点的响应信号，得到所有试验工况下的参考点和目标点的响应信号；3)将每一种试验工况下的参考点响应信号作为盲源分离技术的输入信号，使用盲源分离工具箱，对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到每一种工况下的分离信号；盲源分离处理具体过程如下：首先将每一种工况下的参考点响应信号写成参考点响应信号矩阵矩阵的每一行为一个参考点响应信号，将该参考点响应信号矩阵输入到盲源分离工具箱中，进行计算得到每一种工况下的初始分离信号矩阵并进行快速傅里叶变换得到每一种工况下的参考点响应信号频谱矩阵和初始分离信号频谱矩阵然后根据先验知识将每一种工况下的每一个初始分离信号与每一个振动源相对应起来，从而将每一个初始分离信号频谱与每一个参考点响应信号频谱Xij对应起来，将和Xij相对照，取其中某一个未受到串扰影响的频率成分，对初始分离信号频谱进行幅值修正，例如取ωHz频率成分，初始分离信号频谱对应该频率成分的幅值为对应参考点响应信号频谱对应该频率成分的幅值为Xij(ω)，为比例因子，将初始分离信号频谱全频段幅值乘以该比例因子得到分离信号4)根据试验工况下的分离信号和目标点的响应信号建立OTPA线性系统方程并进行求解，得到传递率函数矩阵；OTPA线性系统方程为：式中T为待求传递率函数矩阵，S为试验工况下分离信号矩阵，Y为试验工况下目标点响应信号矩阵，m为参考点个数，n为目标点个数，r为试验工况种类数量，s为试验工况下分离信号，y为试验工况下目标点响应信号；OTPA线性系统方程的求解过程为：首先对试验工况下分离信号矩阵S进行奇异值分解，得到奇异值分解结果为：式中U为正交列向量，U＝[u1,u2,...um]∈Rm×m；V为正交行向量，V＝[v1,v2,...vn]∈Rn×n；Σ为对角矩阵，Σ＝diag[σ1,σ2,...σn]∈Rm×n；σj为奇异值，σ1≥σ2≥,...σl≥σl+1＝,...,＝σn＝0，l为矩阵A∈Rm×n(m≥n)的秩；然后根据OTPA线性系统方程，变形得到公式：T＝S+Y，式中S+为试验工况下分离信号矩阵S的伪逆；将试验工况下分离信号矩阵S奇异值分解结果代入公式T＝S+Y中，得到传递率函数矩阵结果：式中为传递率函数矩阵，ω为频率，φj为过滤因子，过滤因子φj的计算公式为：λ为正则化参数，正则化参数λ采用L曲线法确定；5)使待分析机械系统在实际工况下运行，并采用振动加速度传感器测量在实际工况下参考点的响应信号；6)将实际工况下的参考点响应信号作为盲源分离技术的输入信号，使用盲源分离工具箱，对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到实际工况下的分离信号。7)将步骤6)得到的实际工况下的分离信号与步骤4)的传递率函数矩阵进行相乘，得到不同传递路径贡献量，对不同传递路径贡献量进行排序后得到各个传递路径的贡献量占比，完成运行工况传递路径分析。参见图1，为试验台布置图，将两台安装有偏心块的电机作为振源，记为振源A和振源B，相应参考点分别为点a和点b，目标点记为点T，相应位置关系如图1所示，点A和点B分别位于板壳结构试验台的平板两对角位置，距离约为0.5m，点A和点a间距离0.05m，点B和点b间距离0.05m，振源与目标点T之间距离约为1m。实施例的具体步骤为：1)对待分析机械系统设计试验工况，通过改变电机转速得到5种相互独立的试验工况，如下表所示；振源A转速(转/分钟)振源B转速(转/分钟)工况1358468工况2678968工况3824648工况41174960工况5125610342)采用振动加速度传感器测量每一种试验工况下参考点和目标点的响应信号；3)将每一种试验工况下的参考点响应信号作为盲源分离技术的输入信号，使用盲源分离工具箱，对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到每一种工况下的分离信号；4)采用试验工况下的参考点响应信号和试验工况下的分离信号分别和目标点的响应信号建立OTPA线性系统方程并进行求解，得到两种方法的传递率函数矩阵；5)测量实际工况下待分析机械系统的参考点响应信号，实际工况下振源转速如下表所示；振源A转速(转/分钟)振源B转速(转/分钟)实际工况5407446)将实际工况下的参考点响应信号作为盲源分离技术的输入信号，使用盲源分离工具箱，对参考点响应信号进行盲源分离处理，得到实际工况下的分离信号；7)将实际工况下的参考点响应信号与步骤4)中采用试验工况下参考点响应信号识别出的传递率函数矩阵相乘得到传统方法的传递路径贡献量结果；将实际工况下的分离信号与步骤4)中采用试验工况下分离信号识别出的传递率函数矩阵相乘得到本发明方法的传递路径贡献量结果。对不同传递路径贡献量进行排序后得到各个传递路径的贡献量占比，完成运行工况传递路径分析。利用L曲线准则确定本发明中的正则化参数为0.001，得到如图2a～2f所示路径贡献量分析结果。其中，图2a，2b，2c中12.4Hz为振源A频率，取该频率处幅值作为A振源路径贡献量，图2a为采用传统方法得到的结果，图2b为采用本发明方法得到的结果，图2c为实验中在目标点处测量得到的路径贡献量理论值，图2d，2e，2f中9.0Hz为振源B频率，取该频率处幅值作为B振源路径贡献量同理，将采用传统方法得到的结果与理论值相减并除以理论值得到传统方法路径贡献量相对误差，将采用本发明方法得到的结果与理论值相减并除以理论值得到本发明方法路径贡献量相对误差，如下表所示：可见，基于盲源分离技术的运行工况传递路径分析方法与传统方法相比，能够大幅度的降低串扰影响，降低传递路径贡献量误差，在提高传递路径分析精度方面具有较好的效果。当前第1页1 2 3