一种基于声信号的列车部件质检方法及系统与流程

1.本发明涉及列车安全性检测技术领域，尤其是涉及一种基于声信号的列车部件质检方法及系统。


背景技术：

2.近年来，轨道交通事业迅猛发展，随着铁路线网规模不断增大，客流量逐年攀升，乘客对轨道交通出行服务的要求也在不断提高，然而随着列车运营服役时间的累加，列车上装载的设备逐年老化、列车故障率不断提升，为了能够让乘客对出行服务满意，保障乘客出行安全，列车关键部位部件安全性检测成为重中之重。
3.目前，各车辆段对列车关键部位部件的日常维修和定期检修，主要采用的是常规无损检测方法，如电磁探伤和超声波探伤等。但常规无损检测方法存在检修不及时、不准确的情况，并且这些常规检测方法，无法探测到安全性风险的早期萌生情况，也无法判断安全性风险的位置及扩展过程。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于声信号的列车部件质检方法及系统，以解决现有技术中列车质量检测效率低的技术问题。
5.本发明提供一种基于声信号的列车部件质检方法，包括如下步骤：s100、采用局部坐标系法，设置目标列车待检部件检测点的局部坐标，并在检测点上布置声发射传感器；s200、在列车不同牵引速度、制动速度的检测情况下，利用声发射传感器对列车待检部件进行n次检测，n＞1，获取目标列车待检部件检测点的n组声数据；s300、对所有声数据进行处理，获得波形数据；s400、对所有的波形数据进行筛选，将存在突发脉冲信号的波形数据确定为疑似风险信号波形数据，并根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及检测点的局部坐标，计算每个疑似风险信号波形数据对应的声发射源坐标以及每个声发射源坐标对应的风险等级，获得目标列车待检部件的风险位置和风险等级。
6.进一步地，还包括如下步骤：s500、在下一个列车运行检验周期中，声发射传感器布置位置不变，重复s200-s400，并将测量得到的声发射源坐标与上一个列车运行检验周期测量得到的声发射源坐标进行比对，确定声发射源坐标变化情况，根据声发射源坐标变化情况，确定部件故障的拓展动态规律。
7.进一步地，在s100中，目标列车待检部件包括车轮、转向架、支撑梁、牵引梁、轴承。
8.进一步地，在s200中，获取目标列车待检部件的声数据具体包括：将采集的目标列车待检部件的声信号转换为模拟电压信号，将模拟电压信号确定为所述目标列车待检部件的声数据。
9.进一步地，在s200之前，还包括进行试验前信号衰减观察，所述试验前信号衰减观察具体包括：对声发射传感器进行自动信号测试，得到信号衰减幅度矩阵，若信号衰减幅度在目标列车待检部件的预设衰减幅度范围内，则确定声发射传感器安装无误，否则调整检测点的局部坐标，直至信号衰减幅度在预设衰减幅度范围内。
10.进一步地，在s300中，对声数据进行处理包括：s301、将声发射传感器获取的声数据进行放大处理；s302、对放大处理后的声数据中低于第一设定临界值的低频信号以及高于第二设定临界值的高频信号进行阻隔；s303、对阻隔后的声数据进行阻抗匹配后，将声数据由模拟电压信号转换为数字信号并进行传输；s304、对传输的声数据进行特征提取和波形采集，得到声数据的声音特征、波形显示、数据记录；s305、采用频谱分析法、快速傅里叶变换法对声数据的声音特征、波形显示、数据记录进行处理，获得声信号的波形图和参数表。
11.进一步地，在s302之前还包括，基于检测到的背景噪声确定检测门槛、滤波方式，并基于所述检测门槛和所述滤波方式，确定第一设定临界值和第二设定临界值。
12.进一步地，在s400中，获得目标列车待检部件的风险位置和风险等级具体包括：将存在突发脉冲信号的波形数据，确定为疑似风险信号波形数据；计算疑似风险信号波形数据的峰值ai，并计算疑似风险信号波形数据中任意两个波形之间的延时dti,j；其中，i为通道编号，每个声发射传感器对应一个通道编号i，j为声发射源坐标编号；根据ai、dti,j、各个声发射传感器的坐标（xi,yi,zi），计算声发射源坐标δj，并经过n次重复试验，计算得到声发射源坐标集δj,n；通过对声发射源坐标集δj,n的统计，确定每个δj出现的次数，并基于δj出现的次数与试验次数n的比值，确定每个声发射源的风险等级。
13.本发明还提供了一种基于声信号的列车部件质检系统，包括：声发射传感器，布置在目标列车的待检部件的检测点上，所述声发射传感器用于获取目标列车待检部件的声数据；数据处理模块，与所述声发射传感器连接，所述数据处理模块接收来自所述声发射传感器测量的声数据，并对声数据进行处理以获得波形数据；数据筛选模块，与所述数据处理模块连接，所述数据筛选模块接收来自所述数据处理模块传输的波形数据，对波形数据进行筛选并将存在突发脉冲信号的波形数据确定为疑似风险信号波形数据；风险计算模块，与所述数据筛选模块连接，所述风险计算模块接收自所述数据筛选模块筛选的疑似风险信号波形数据，根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及检测点的局部坐标，计算疑似风险信号波形数据对应的声发射源坐标以及声发射坐标对应的风险等级，获得目标列车待检部件的风险位置和风险等级。
14.进一步地，所述数据处理模块包括：前置放大器，与所述声发射传感器连接，所述前置放大器用于对声数据进行放大处理；高通模拟滤波器，与所述前置放大器连接，所述高通模拟滤波器用于阻隔处于同一通道的前置放大器发送的声数据中低于第一设定临界值的低频信号；低通模拟滤波器，与所述高通模拟滤波器连接，所述低通模拟滤波器用于阻隔处于同一通道的高通模拟滤波器发送的声数据中高于第二设定临界值的高频信号；缓冲放大器，与所述低通模拟滤波器连接，所述缓冲放大器用于对处于同一通道的低通模拟滤波器发送的声数据进行阻抗匹配；a/d转换器，一端与所述缓冲放大器连接，另一端与所述fpga模块连接，所述a/d转换器用于将处于同一通道的缓冲放大器发送的声数据由模拟电压信号转换为数字信号；fpga模块，接收来自a/d转换器传输的声数据，并对声数据进行特征提取、波形采集，得到声数据的声音特征、波形、数据处理记录；pci控制器，内部设有具有特定指令集的微控制器，所述pci控制器能够更新fpga模块发送的声数据的传输协议，以使得声数据满足pci传输协议；pci总线，用于基于pci协议并行高速传输pci控制器发送的声数据；处理器，通过pci总线与pci控制器连接，处理器接收自pci总线传输的声数据，并对声数据的声音特征、波形显示、数据记录进行处理，以获得声信号的波形图和参数表。
15.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：（1）本发明实施例能够基于目标列车待检部件的声数据，精准定位待检部件出现风险的位置坐标，以及该坐标的风险等级，实现对列车的质量检测，提高了列车质检的效率，保证了列车质检的时效性，降低了人力、物力与时间成本；（2）本发明实施例在列车运行一个检验周期后，通过布置在相同位置的声发射传感器测量声发射源确定部件故障的拓展动态规律，从而能够确定列车检测周期，预估风险出现位置，提前做好预防措施。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的基于声信号的列车部件质检系统的示意图；图2为本发明实施例提供的基于声信号的列车部件质检方法的流程图。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
20.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.下面结合图1所示，本发明实施例提供了一种基于声信号的列车部件质检方法，该质检方法的前提建立在：列车发生故障（裂纹、断裂等）时，物体内部会发出声音 (即声发射源)。声发射信号比较微弱，利用声发射传感器可以捕捉到该声信号，然后转换成电信号，再进行分析处理，具体包括：s100、采用局部坐标系法，即将目标列车待检部件的中心设为坐标原点，根据检测点与坐标原点的相对位置，来设置检测点的局部坐标，设置目标列车待检部件的检测点的局部坐标，并在检测点上布置声发射传感器，其中，目标列车待检部件可以是车轮、转向架、支撑梁、牵引梁、轴承等列车关键受力部件；s200、对声发射传感器进行自动信号测试，得到信号衰减幅度矩阵，若信号衰减幅度在目标列车待检部件的预设衰减幅度范围内，则确定声发射传感器安装无误，否则调整检测点的局部坐标，直至信号衰减幅度在预设衰减幅度范围内；在列车不同牵引速度、制动速度的检测情况下，利用声发射传感器对列车待检部件进行n次检测，n＞1，获取目标列车待检部件检测点的n组声数据；s300、对所有声数据进行处理，获得波形数据；s400、对所有的波形数据进行筛选，将存在突发脉冲信号的波形数据确定为疑似风险信号波形数据，并根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及检测点的局部坐标，计算每个疑似风险信号波形数据对应的声发射源坐标以及每个声发射源坐标对应的风险等级，获得目标列车待检部件的风险位置和风险等级。
24.s500、在下一个列车运行检验周期中，声发射传感器布置位置不变，重复s200-s400，并将测量得到的声发射源坐标与上一个列车运行检验周期测量得到的声发射源坐标进行比对，确定声发射源坐标变化情况，根据声发射源坐标变化情况，确定部件故障的拓展动态规律。
25.具体地，声发射传感器通过如下方式获取目标列车待检部件的声数据：将采集的目标列车待检部件的声信号转换为模拟电压信号，将模拟电压信号确定为目标列车待检部件的声数据。
26.在s300中，对声数据进行处理包括：
首先，由于声发射传感器获取的声数据通常较为微弱，因此需要将声发射传感器获取的声数据进行放大处理；然后，对放大处理后的声数据中低于第一设定临界值的低频信号以及高于第二设定临界值的高频信号进行阻隔；再对阻隔后的声数据进行阻抗匹配后，将声数据由模拟电压信号转换为数字信号并进行传输；对传输的声数据进行特征提取和波形采集，得到声数据的声音特征、波形显示、数据记录，这里的数据记录指的是上述步骤中记录的所有数据，包括传感器采集到的数据，以及实验中记录的时间、长度等。
27.最后，采用频谱分析法、快速傅里叶变换法对声数据的声音特征、波形、数据处理记录进行处理，获得声信号的波形图和参数表。
28.其中，声数据的阻隔一般通过高通模拟滤波器和低通模拟滤波器实现，基于检测到的背景噪声确定检测门槛、滤波方式，并基于检测门槛和滤波方式，确定高通模拟滤波器的第一设定临界值和低通模拟滤波器的第二设定临界值，得到去除背景噪声的波形图以消除噪声干扰、保留有效频段的信号；在s400中，计算每个声发射源的坐标和风险等级具体包括：（1）在列车不同牵引速度、制动速度的检测情况下，将存在突发脉冲信号的波形数据，确定为疑似风险信号波形数据。
29.在列车不同牵引速度、制动速度的检测情况下，对列车部件进行多次检测。在预设的牵引速度和制动速度下，对声发射传感器测量得到的数据进行处理得到波形数据，并对波形数据进行筛选，将存在突发脉冲信号的波形数据，确定为疑似风险信号波形数据。
30.（2）计算疑似风险信号波形数据的峰值ai，其中，i为通道编号，每个声发射传感器对应一个通道编号i，并计算疑似风险信号波形数据中任意两个波形之间的延时dt
i,j
，其中，j为声发射源坐标编号。
31.本技术实施例中对应有多个通道，每个通道上都有一个声发射传感器，通道的个数等于声发射传感器的个数，计算每个疑似风险信号波形数据的峰值ai。疑似风险信号波形数据是一组波形，计算这一组波形中任意两个波形之间的延时dt
i,j，
j为声发射源坐标编号，声发射源为疑似出现故障的部位。
32.（3）根据ai、dt
i,j
、各个声发射传感器的坐标（xi,yi,zi），计算声发射源坐标δj，经过n次重复试验，计算得到声发射源坐标集δ
j,n
。
33.声发射传感器的安装位置是已知的，因此，声发射传感器的坐标（xi,yi,zi）是已知的，根据ai、dt
i,j
、（xi,yi,zi），计算声发射源坐标δj，对以上处理步骤重复n次，得到n组声发射源坐标δj，相应的，得到声发射源坐标集δ
j,n
。
34.（4）通过对声发射源坐标集δ
j,n
的统计，确定每个δj出现的次数，并基于δj出现的次数与试验次数n的比值，确定每个声发射源的风险等级。
35.声发射源为疑似出现故障的部位，根据每个声发射源坐标δj出现的次数与n的比值的大小，确定声发射源的风险等级，比如，n=10，若第一声发射源坐标δ1出现10次，则第一声发射源的风险等级极高，若第二声发射源坐标δ2出现1次，则第二声发射源的风险等级较低。
36.在s500中，在第一质检时间点，按照（1）-（4）的处理步骤，得到声发射源坐标δ
j,n
，以及每个声发射源的风险等级，在经过一个列车运行检验周期后，在第二质检时间点，按照（1）-（4）的处理步骤，再次确定声发射源坐标δ
j,n
，以及每个声发射源的风险等级。第一质检时间点和第二质检时间点使用的声发射传感器的安装位置以及通道数量均相同，并将在第二质检时间点测量得到的声发射源坐标与在第一质检时间点测量得到的声发射源坐标进行比对，根据新增的声发射源坐标，确定部件故障的拓展动态规律。比如，第一质检时间点测量得到的声发射源坐标包括δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6，第二质检时间点测量得到的声发射源坐标包括δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6，δ7，δ8，其中，δ7，δ8为新增的声发射源坐标，根据δ7，δ8，以及δ
1-δ6，确定故障部位的变化情况，即故障拓展动态规律。
37.需要说明的是，在进行正式检测时，在列车运行的加、减速度不同时，列车待检部件的受力情况也会随之发生改变，因此，在对列车待检部件进行质检时，需要在列车受到不同牵引速度及制动速度的多种情况下，分别检测列车待检部件的质量。
38.在进行数据分析时，首先，结合检测中观察到的现象及声发射技术方法进行多种有效的滤波以排除噪声干扰；其次，根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及测试点的局部坐标，判断损伤、断裂、老化等安全性风险的出现位置；最后根据波形分析方法，提取反映安全性风险特征状态的声发射参数，对安全性风险的萌生情况、拓展动态规律等进行确定。
39.综上所述，故障拓展规律的获得具体包括：首先根据δ7，δ8，以及δ
1-δ6，结合采集到的声发射数据，分析得到故障的拓展坐标，进而得到故障的拓展路径；再根据故障的拓展坐标和时间的关系，得到故障拓展速率，其中，故障的拓展路径以及故障的拓展速率即故障拓展动态规律。
40.基于上述质检方法，本发明实施例还提供了一种基于声信号的列车部件质检系统，包括：声发射传感器，布置在目标列车的待检部件的检测点上，所述声发射传感器用于获取目标列车待检部件的声数据；数据处理模块，与所述声发射传感器连接，所述数据处理模块接收来自所述声发射传感器测量的声数据，并对声数据进行处理以获得波形数据；数据筛选模块，与所述数据处理模块连接，所述数据筛选模块接收来自所述数据处理模块传输的波形数据，对波形数据进行筛选并将存在突发脉冲信号的波形数据确定为疑似风险信号波形数据；风险计算模块，与所述数据筛选模块连接，所述风险计算模块接收自所述数据筛选模块筛选的疑似风险信号波形数据，根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及检测点的局部坐标，计算疑似风险信号波形数据对应的声发射源坐标以及声发射坐标对应的风险等级，获得目标列车待检部件的风险位置和风险等级。
41.在一个具体实施例中，数据处理模块包括如下结构：与声发射传感器顺次连接的前置放大器、高通模拟滤波器、低通模拟滤波器和a/d转换器，用于对处于同一通道的声发射传感器获取的声数据进行预处理以排除噪声干扰并输出；fpga模块，接收自所有a/d转换器转换的声数据，并对各通道的经过预处理的声数
据进行特征提取、波形采集，得到声数据的声音特征、波形、数据处理记录；pci控制器，内部设有具有特定指令集的微控制器，pci控制器能够更新fpga模块发送的声数据的传输协议，以使得声数据满足pci传输协议；pci总线，用于基于pci协议并行高速传输pci控制器发送的声数据；处理器，通过pci总线与pci控制器连接，处理器接收自pci总线传输的声数据，并对声数据的声音特征、波形显示、数据记录进行处理，以确定目标列车待检部件的质检结果。
42.即声发射传感器布置在目标列车待检部件的检测点上，前置放大器的一端与处于同一通道的声发射传感器相连接，高通模拟滤波器的一端与处于同一通道的前置放大器的另一端相连接，低通模拟滤波器的一端与处于同一通道的高通模拟滤波器的另一端相连接，缓冲放大器的一端与处于同一通道的低通模拟滤波器的另一端相连接，a/d转换器的一端与处于同一通道的缓冲放大器的另一端相连接，fpga模块的一端与各通道的a/d转换器的另一端相连接，pci总线用于连接pci控制器的另一端与处理器。
43.其中，前置放大器，用于对处于同一通道的声发射传感器获取的声数据进行放大处理。
44.需要说明的是，声发射传感器获取的声数据通常较为微弱，使用前置放大器能够放大微弱的声数据，改善与传输线缆噪声的信噪比，同时为高阻抗传感器与低阻抗传输线缆间提供阻抗匹配。
45.高通模拟滤波器用于阻隔处于同一通道的前置放大器发送的声数据中低于第一设定临界值的低频信号。
46.低通模拟滤波器用于阻隔处于同一通道的高通模拟滤波器发送的声数据中高于第二设定临界值的高频信号。
47.需要说明的是，高通模拟滤波器和低通模拟滤波器能够消除噪声干扰、保留有效频段的信号。其中，高通模拟滤波器的作用为：高频信号可正常通过，而低于第一设定临界值的低频信号则被阻隔、减弱，从而抑制无用的低频信号；低通模拟滤波器的作用为：低频信号可正常通过，而高于第二设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱，从而抑制无用的高频信号，通过高通模拟滤波器和低通模拟滤波器的使用，保留声数据中第二设定临界值至第一设定临界值范围内的信号。
48.进一步的，缓冲放大器，用于对处于同一通道的低通模拟滤波器发送的声数据进行阻抗匹配。
49.需要说明的是，本技术实施例使用的缓冲放大器是1：1的放大器，不会放大信号，而是起到阻抗匹配的作用。
50.进一步的，a/d转换器为16位高分辨率a/d转换器，用于将处于同一通道的缓冲放大器发送的声数据，从模拟电压信号转换为数字信号。
51.处理器通过如下方式对声数据的声音特征、波形显示、数据记录进行处理：对通过pci总线传输的声数据的声音特征、波形显示、数据记录，采用频谱分析法、快速傅里叶变换法进行处理，得到声信号的波形图、参数表；同时，处理器还能够根据声发射波到达声发射传感器的时间和波速以及检测点的局部坐标，采用波形分析法，确定目标列车待检部件的风险位置、风险等级、拓展动态规律；
将声信号的波形图、参数表，目标列车待检部件的风险位置、风险等级、拓展动态规律确定为目标列车待检部件的质检结果。
52.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。