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声振检测
第一章绪论
1.1声振检测的研究意义及应用价值
随着汽车工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，使它成为了汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽车的整体性能。
它的工作是否正常涉及到整个机组的工作性能。
变速箱的结构和工作形式都很复杂，这又使得它容易发生故障，因此变速箱的检测在机械工程中占有重要地位。
获得诊断信息的常用方法有直接观察法、振动噪声检测法、磨损残留物检测法和运行性能检测法[1]。
对于变速箱而言，噪声和振动信号是故障诊断的重要信息。
当故障出现时,其振动强度增大，噪声水平超标。
所以利用声振诊断的方法，就能对变速箱的运行状态和出现故障的原因、部位有一个比较清楚的了解，从而诊断出故障。
这可为设备的正常运行和维修提供比较充分的依据，在生产和维修中获得显著的经济效益。
主要包括：
降低维修费用、提高机器的有效使用率、提高安全性、降低噪声辐射。
1.2声振检测在故障诊断中的研究现状及发展趋势
作为故障诊断一个分支的声振诊断方法，包括声振的测量和检测，它是伴随着设备故障诊断一同成长起来的，由最初的简易诊断发展为现在的精密诊断、预知维修；减振降噪也由无源控制向有源控制方向发展[2]。
要求机械设备不出现故障是不可能的，绝对安全可靠的机械设备也是不存在的。
我们只能从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现设备的故障和异常，掌握设备的运行状态，对已经形成的或正在形成的故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，做到防患于未然。
因此,变速箱在出厂前就应该做好这方面的检测工作,这样才能尽可能的减小损失。
所谓出厂检测，顾名思义，就是要在变速箱制造完后，在出厂前，对它的性能作一个全面的检测，变速箱的结构和制造过程都非常复杂，为了能够延长使用寿命，更应该做好出厂前的检测工作，这样能大大的降低生产成本。
设备状态监测与故障诊断技术就是为了适应检测类似变速箱等各种机械设备这一需要而发展起来的一门新兴学科，它的发展是从20世纪60年代中期以后开始的。
在这方面,美日等发达国家是走在世界前列的,例如美国NI公司开发的LabView软件,它是一种虚拟的图形化的编程语言,大大减少了测试的硬件设备、软件开发的周期。
这种图形化语言已经广泛地应用在测量测试、数据采集、仪器控制及数据处理分析等领域中。
基于LabView声源识别可视化系统对多通道进行同步采集和大容量数据进行高速处理，在平行测量面的面上，利用声全息技术重建声压、法向粒子速度和声强等声学参数，以图形的方式直观地判别声源的位置、大小以及噪声的传播路径[3]。
检测技术在我国的研究和应用相对来说起步较晚。
20世纪70年代末期才开始着手组建故障诊断的研究机构.但由于国家政府部门的重视,发展较快。
所应用的领域比较集中的是大型旋转机械设备诊断系统，已经开发了20种以上的机组故障诊断系统和10余种可用来做现场简易诊断的便携式数据采集仪。
国内一些重点大学，如上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学和北京科技大学等成立了故障诊断研究所，并已培养出这方面的高级专业人才。
我国机械设备故障诊断的发展经历了从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度越来越快。
同国外发达国家相比，我国虽然在理论上跟踪较紧，但是总体而言，在机械设备诊断的可靠性、安全性方面仍有一定的差距。
此外，虚拟仪器是当前检测领域的热点，所谓虚拟仪器，这个概念最先是由美国NI公司提出的。
众所周知，传统仪器主要包括四个部分：
执行、控制、信息变换、显示。
虚拟仪器就是利用计算机强大的图形环境暖和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。
这种以通用输入输出平台为硬件基础，通用计算机为软件环境基础，主要以软件方式实现仪器控制、信息变换和结果显示的计算机化仪器，称为虚拟仪器。
上述NI公司开发的LabView软件，就是典型的虚拟仪器，它代表了未来仪器技术发展的方向。
1.3论文的主要研究工作
完成试验装置的选择和设计，以及数据多通道参数（噪声、振动）的并行采集，应用LabView软件,在计算机上构建一套完整的“变速箱出厂声振检测系统”，进行噪声超限报警，并对噪声超标的原因进行故障分析，找出发生故障的部位。
第二章声振在状态监测中的理论基础
2.1机械振动的基本概念及分类
各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成,这些都可认为是一个弹性系统。
某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的往复运动,这种每隔一定时间做往复性机械运动,称为机械振动[4]。
研究振动问题时,通常把研究对象称为系统；把外界对系统的作用或机器自身产生的力,称为激励或输入;把机器或结构在激励作用下产生的动态行为,称为响应或输出.振动分析就是研究三者之间的关系。
按照机械振动时物体变形的形态可将机械振动分为横向振动、纵向振动和扭转振动。
按照振动系统能量输入的方式，可将机械振动分为：
仅在运动开始时对振动系统给以能量输入的自由振动；在外界周期性干扰力的作用下，不断地或反复地给振动系统补充能量的强迫振动。
此外还有一种振动称为自激振动，维持这种振动的能量是由振动系统本身从固定能源中获得并加以调节的。
2.2测振系统及其传感器
振动的测量系统根据工作原理分主要有三种类型：
机械测振系统、电测振系统和光学测振系统。
基于本选题，这里主要介绍电测系统[5]。
电测系统是将被测的振动量通过传感器转化成电参量，经系统放大、处理、信号变换等，将振动量显示或记录下来。
或通过分析、计算、实时处理等，把衡量振级参数的时间历程、频率谱等，以数字或图形记录绘制出来，使人一目了然[6]。
这种测振系统灵敏度高，频率范围或动态线性范围宽，便于分析和遥控，是目前应用最广泛的测振系统，但该系统易收电磁场的干扰。
在这种测振系统中，常采用的传感器有：
磁电式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器等。
磁电式传感器：
图2-1为它的结构简图，它由磁铁1、装有线圈的框架2、平弹簧3、支柱4和在被测表面安装的底座5组成。
这种传感器灵敏度高，测量精度高，受温度、湿度影响较小，低阻抗输出引起的干扰噪声小。
缺点是结构尺寸和质量大，受磁场影响大，永磁铁的衰减会引起灵敏度的降低。
可用于测量频率范围为10~500Hz的线速度或角速度，0.001~1mm的位移，0.01g~10g的加速度（g为重力加速度）的振动。
图2-1磁电式传感器简图
1—磁铁；2—框架；3—平弹簧；4—支柱；5—底座
电感式传感器：
对于电感式传感器，当振动时由于由弹簧支撑的惯性质量和与壳体相连的电磁体间的气隙发生变化，导致线圈周围的磁通量发生变化而产生感应电动势。
它一般适用于测量20~1000Hz范围内的信号。
电容式传感器：
多采用惯性式电容传感器作为电容传感器，适用于测量10~500Hz范围内的线位移或角位移（0.001~1mm）。
它具有灵敏度高、结构简单、尺寸小等优点，但受温度、湿度以及电容介质的影响大，且与其匹配的仪器要求高。
压电式传感器：
压电式传感器是利用压电元件，在振动时利用惯性质量动对其施加交变压力，则会产生输出交变电荷的来测量振动，其输出量与振加速度成正比。
它的适用测频范围：
若与前置放大器配套时为2~104Hz,与电荷放大器配套时为0.3~104Hz,可测加速度值为10-4~104g,特别适用于冲击测量[7]。
由于测量目的不同，所选择的方法，包括所测振的参数、测振所用的传感器，测点位置等，也随之不同，大致分为以下几种：
当研究结构强度、分析振型时，通常应测量振动位移，且需进行多点测量；
当研究振动物体的阻尼室，通常应以测量振动速度为主；
当研究振动对零部件的载荷与力的关系，以及振动时力的传递时，应测量加速度。
2.3噪声的基本概念及相关参数
与对声音的度量一样，为了客观上表示噪声的强弱，常用声压、声强和声功率等参量作为噪声的物理量度。
声压定义为有声波时压力超过静压的部分。
一般正常人耳刚能听到的频率为1000Hz的声压为20μPa,称为听阈声压，此值常用来做基准声压；而使人耳刚刚产生痛觉的声压，则称为痛阈声压，其值为20Pa[8]。
声强定义为一个与指定方向垂直的单位面积上,平均每单位时间内传过的声能。
其数学表达式为：
（2-1）
式中T为比周期大得多的时间间隔；
为声波传播方向上某点处的瞬时声压；
为声波传播方向上某点处的瞬时质点速度。
声功率定义为声源在一段时间内，平均每单位时间内发射出的声能。
常记为W，单位为W（瓦），并通常取W作为基准声功率。
其数学表达式为:
（2-2）
其中，
是声强为
的测量表面上的面积；
是测量表面上面积为
处的声强；
为测量表面上测点的序号[9]。
2.4级及其单位分贝
由于从听阈到痛阈，声压之比为1:
106，即相差为100万倍，而相应声强之比则为1:
1012，即相差达万亿倍之多。
因此直接用声压值或声强值来表示声音的强弱都是很不方便的；另外，也由于人耳对声音强弱的感官作用接近于对数方式，故人们就用一个成倍比关系的对数量－—“级”来表示声音的强弱，即声压级、声强级和声功率级，级的单位为dB（分贝）。
声压级常记为
，其数学表达式为：
（2-3）
式中，
为声压有效值；
为基准声压，在空气中取
。
正常双耳从听阈到痛阈相应的声压值为0-120dB。
声强级常记为
，其数学表达式为：
（2-4）
式中，
为声强；
为基准声强，在空气中取
。
正常人双耳从听阈到痛阈相应的声强值为0-120dB。
声功率级常记为
，其数学表达式为：
（2-5）
式中，
为声功率；
为基准声功率，在空气中取
。
2.5噪声的主观评价方法
噪声一般含有多个频率成分，并占据相当宽的频带，即所谓的宽带噪声，对它的主观评价就比对纯音的主观评价复杂得多，常用的主观评价有A声基、等效连续A声级、噪声评价数NR和响度、响度级等。
由于本文所用到的声级计测量的是噪声的等效连续A声级，因此主要对等效连续A声级做一个介绍。
A声级仅实用于对稳态连续噪声的评价，而对于噪声级随时间变化的非稳态连续噪声，或者虽稳态但不连续的噪声，则应该采用“等效连续A声级”评价。
所谓等效连续A声级就是在声场中的某一定点位置上，对一段时间内出现的几个不同A声级，采用能量平均的方法，以一个在相同时间内能量于之相等的稳定连续的A声级，来表示该段时间内噪声的大小，这个A声级就是等效连续A声级，常以符号
表示单位为dB,其数学表达式为：
（2-6）
式中,
为总的测量时间;
为A计权瞬时声压；
为基准声压，
；
为噪声的瞬时A声级。
实际应用中，对有限个A声级测定值，式（2-7）可简化为：
（2-7）
式中，
、
分别为
、
等时间内发生的A声级；
、
分别为
、
等对应的时间段；
为
个A声级中第
个测定值[10]。
第三章系统总体方案设计
3.1变速箱噪声产生原因
变速箱的结构很复杂，常见的变速箱有输入轴、中间轴和输出轴三个轴，当输入轴受发动机驱动而旋转时，通过常啮合齿轮带动中间轴上的齿轮旋转，从而带动输出轴上齿轮旋转。
至于是哪对齿轮啮合旋转，就要看所选择的档位，由此改变了输入时的转速和扭矩。
基于变速箱的工作原理和运行状况，并根据厂家的生产经验，齿轮、轴承和轴的故障占变速箱故障的90%。
它们产生的噪声是变速箱中的主要噪声源，产生的原因主要有：
齿轮在啮合过程中，因齿与齿之间的连续冲击而使齿轮产生频率为啮合频率的受迫振动并带来冲击声。
这主要与齿轮误差大小及周期性有关。
因齿轮受到外界激振力的作用而产生的频率为齿轮固有频率的瞬态自由振动并带来噪声。
因齿轮、轴承及装配轴的偏心引起的旋转不平衡惯性力，所产生的与转速相一致的低频振动和共鸣声。
随着轴的旋转，每转发出一共鸣声。
因齿与齿之间的摩擦导致齿轮产生的自激振动并带来摩擦声。
在齿轮精度较高的情况下，所听到的是周期性齿面跑合声，它主要与齿面加工状态及润滑条件有关。
如果齿轮凹凸不平，会引起快速周期性的冲击声。
所以齿轮噪声具有连续宽广的频率分布[11]。
3.2特征频率计算
轴频、齿轮的啮合频率等特征频率的频谱图是对故障判断的依据。
在定轴系统中，齿轮的啮合频率由下式计算[12]：
（3-1）
式中，
为齿轮的齿数；
为齿轮的转速（转/分）。
由式（3-1）可以知道，啮合齿轮中，两个齿轮的啮合频率是相同的。
在试验过程中，精确测定齿轮的转速对计算啮合频率是十分重要的。
当齿轮的转速变化时，啮合频率也随之而变化。
而且随着转速的升高，齿轮噪声增大。
这是判断齿轮啮合频率的两个基本原则。
此外，齿轮的啮合频率还往往呈二次、三次等高次谐波出现在频谱中。
图3-1是长春一汽集团变速箱厂生产的某一型号的变速箱，它具有7个档位，多对齿轮同时啮合，结构紧凑，因而声振信号十分复杂。
表3-1为该变速箱传动装置中的齿轮的特征频率，表3-2为轴承的特征频率。
图3-1齿轮变速箱结构简图
表3-1齿轮的特征频率
Hz
Z22
Z43
Z38
Z26
Z33
Z32
Z26
Z38
Z19
Z47
Z11
Z43
基频
50
25.5
25.5
37.4
25.5
26
25.5
17.5
25.5
10
25.5
6.5
啮频
1100
1100
972
972
844
844
665
665
486
486
281
281
表3-2轴承的特征频率
轴承号
滚动体
保持架
内环
外环
192310k
43.4Hz
7.5Hz
153.5Hz
100.4Hz
42309k
63.7Hz
10.3Hz
167.8Hz
113.5Hz
192308k
41.0Hz
5.5Hz
132.6Hz
89.6Hz
3.3各传感器的布置
3.3.1噪声测量
由于在现场测量，外界的干扰对测量的精确度影响很大，为保证准确的测量到来自变速箱本身产生的噪声，应把被测变速箱放入完全封闭的消声室，利用专门的测声仪器——声级计来测量。
声级计也叫噪声计，是用于测量声压级或声级的仪器，是声学测量中最基本的最常用的仪器[13]。
按其用途可分为：
一般声级计、积分声级计、车辆声级计、脉冲声级计、统计声级计等；按声级计测量的精密程度来分，分为一般型声级计和精密型声级计。
在本文中，介于题目的要求和精确性的考虑,选用精密型声级计，测量位置应选在距变速箱的中心0.5m处，并且垂直与地面放置。
测量结果用等效连续A声级表示，单位为分贝（dB）。
此外，还应在以LabView软件为虚拟平台的计算机程序中设置报警装置，当噪声的大小超过95dB,就应报警，关于软件部分将在第四章中做详细介绍。
3.3.2振动测量
因为变速箱的振动信号可以用振动位移、速度、加速度对时间的历程来描述，而且三者之间存在着简单的微分和积分关系，因此只要测得其中一个，就可通过积分和微分获得另外两个参数。
根据检测参数的不同，测振传感器分为：
位移传感器、速度传感器和加速度传感器[13]。
所选择的传感器的精度、量程和频率范围、甚至传感器的质量等，应符合设计要求，如果希望传感器的频率范围要足够宽，以保证被测参数的频率在其线性范围内，如果被测对象质量比较轻，就应该选择轻型传感器或非接触式传感器，以避免传感器的质量对测振精度的影响；如果是在现场测量，还应对环境影响予以充分考虑。
如湿度、温度以及周围的电磁场，特别是电磁场会引起“本底噪声”，因而传感器应采取密封、防潮、防干扰等措施[14]。
在本设计中，选择加速度传感器测量变速箱的振动，它的位置应放在距离变速箱轴承最近的位置，因为轴承是整个传动系统的支架，离它的距离近，就能较准确地测得信号。
然后再对该电信号进行数字处理（信号的数字处理在下一节有详细介绍），从而对信号进行频谱分析，进而找出变速箱的故障所在。
3.4信号的模数转换
由于数字电子技术的迅速发展，尤其是微型计算机在检测技术中的广泛使用，用数字电路处理模拟信号的情况变得非常普遍。
模数转换是将模拟量转化为一定码制的数字量。
进行模数转换的器件或装置称为A/D转换器。
到目前为止，A/D转换器有较多的品种和规格，从基本转换原理上来看，主要可以分为直接比较型和间接比较型。
直接比较型是将输入的模拟信号直接同作为标准的参考电压相比较而得出数字量；间接比较型是将输入模拟电压和参考电压都变成中间物理量，再进行比较，最后进行编码输出。
A/D转换的过程主要包括采样、量化和编码三个过程[15]。
采样这一过程是把输入的连续时间变化的模拟量离散化，即变成时间域上断续的模拟量，如图3-2所示；量化过程就是把采样取得的在时域上断续，但是在幅值上连续的模拟量进行量化，即用相对于最小数字量的信号值的某个整数倍去表示该采样值；编码是把已经量化的数字量用一定的代码输出。
通常采用二进制码，如图3-3所示。
在这里，还要对一些重要参数进行说明。
图3-3量化和编码
图3-2模拟量采样
3.4.1采样频率
奈奎斯特理论（NyquistTheory）指出，进行无损的数字化转换，采样频率至少是所采信号所含最高频率的2倍[15]。
例如，收音机语音信号的最高频率跃为3.6Hz,根据奈奎斯特理论采样频率就应大于7.2Hz,所以选择一个标准采样频率8kHz。
显然，采样频率越高，就能在相同的时间内获得更多的原始信号，如果原始信号的变化速度比采集卡的数字化速度快，或者是采样得太慢，就会产生波形失真。
因此，为了不失真的再现原始信号，应该有足够高的采样频率。
3.4.2多通道信号采集方法
对信号进行采集通常都是多同通道的，本选题就是同时对一个噪声信号和一个振动信号进行分析处理。
要从几个通道得到数据，通常采用采用连续扫描方法，具体来说就是使用多路开关把每个信号端连接到A/D转换器。
采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和A/D转换器要经济得多，但是这只适用于在采样点之间对实时性要求不太高的情况下，如果采样点之间对实时性发要求很高的话，则必须同时采集信号[16]。
3.4.3分辨率[17]
A/D转换器的分辨率越高，说明它的位数越多，可以区分的电压值就越小。
例如，位数为8位的A/D转换器把模拟电压的范围分成了28（256位）段，每一段分别用0——256的二进制代码000000000——100000000表示，这个范围有可能太小了，一部分原始信息就会被漏掉了，而不能反映出来。
如果把A/D转换器的位数增加到12，代码数就从256增加到了4096，这样就能较精确的反映原始信号了。
3.5采集卡的选择
采集卡，顾名思义就是用来采集信号的一种板卡，它有很多型号，应该根据具体的情况选择适当的采集卡。
首先，要确定通道数，所要测量的是一个噪声信号和一个振动信号，所以应选择至少有二个通道的采集卡；然后，根据所算的各对齿轮之间的啮合频率，也就是分析频率，来选择采样频率，根据采样定理，采样频率至少是所采信号最高频率的两倍，在这里选择2.56倍，因为信号是要求并行输入的，这样才能更准确更快速的采集到信号，所以所要求的采集卡的总的采样频率应该等于：
齿轮啮合频率（最高频率）
2.56
通道数（3）。
根据所算的结果，选择PCI-6023E采集卡，PCI-6023E为多功能数据采集卡（DAQ），16路单端/8路差分模拟输入，12位精度，可以以200K进行数据采集与磁盘写入。
3.6检测装置及系统总体方案设计
系统的检测装置布置如图3-1所示，电动机输入转速，带动变速箱运行，中间连接扭矩传感器，测量变速箱的扭矩和转速，减速器起到的是控制变速箱转速的作用，规定变速箱的转速为3000r/min左右,当通过扭矩传感器所测得的变速箱转速偏离规定值时，减速器就根据情况调节转速。
第四章软件设计及变速箱故障分析
4.1LabView概述
越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。
从模拟技术向数字技术过渡、从单台仪器向多种功能仪器过渡、从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡、从简单的功能组合向以个人计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡，是电子测试仪器的发展方向。
LabView就是基于这一发展方向而开发出来的，它本身是一个功能完整的软件开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言。
由于LabView采用基于流程图的图形化编程语言，因此也被称为G语言（graphicallanguage）。
与其他编程语言相同，G语言既定义了数据类型、结构类型、语法规则等编程语言基本要素，也提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的程序调制工具，在功能完整性和灵活性上丝毫不逊于任何高级语言[18]。
它最大的优势表现在两方面：
一方面是编程简单，易于理解，尤其是对熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像设计电路图一样，上手快，效率高；另一方面LabView针对数据采集、仪器控制、信号分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用就可以了。
虚拟仪器VI（virtualinstruments）是LabView首先提出的创新概念，LabView编写的程序都冠以.vi后缀，就是表示虚拟仪器的意思。
一个VI可以由前面板、数据流框图和图标连接端口组成，前面板相当于真实物理仪器的操作面板，而数据流框图就相当于仪器的电路结构，前面板和数据流框图有各自的设计窗口，而图标连接端口则负责前面板窗口和框图窗口之间的数据传输与交换[19]。
4.2傅立叶变换在LabView中的应用
4.2.1傅立叶变换的概念
根据采量序列的特点，我们采用快速傅立叶变换（FastFourierTransformation,FFT）的方法来对信号进行分析处理。
FFT是一种重要的变换，是分析有限长序列的有用工具，在信号处理的理论上有重要意义，在运算方法上起核心作谱分析、卷积、相关都可以通过FFT在计算机上实现。
在对信号进行频谱分析处理中，傅立叶变换是一种很重要的数学工具，离散傅立叶变换（DiscreteFourierTransformation,DFT）是利用计算机对信号作频谱分析的理论依据，但直接利用计算机由于计算量很大，将花费很长时间。
20世纪初就有人提出了几种算法来解决这个问题，但直到1965年美国人库力和图基才提出后人皆知的快速傅立叶变换法[22]。
FFT以较少量的计算实现DFT快速算法，它使理论变成现实，是数字信号分析与处理的强有力的工具，已被广泛应用于各个科学技术领域。
它的原理如下：
设N点有限长序列X（n）的DFT为
（4-1）
其中，
。
而FFT之所以快速是因为它把原始的N点序列依次分解成一系列短序列。
充分利用DFT计算式中的指数因子
，所具有的对称性质和周期性质，进而求出这些短序列相应的DFT，并进行适当组合，最终达到删除重复运算，减少乘法运算，提高速度的目的。
设f（x,y）为输入方阵，F（u,v）为f（x,y）的离散傅立叶变换，则二维离散傅立叶变换对由下式给出：
正变换：
（4-2）
反变换：
（4-3）
其中：
（4-4）
分别为
方向的采样序列长度[20]。
4.2.2傅立叶变换的误差形式
由于离散傅立叶变换需要采样和截断，所以在用DFT逼近函数时将引起误差，误差形式主要有三种：
栅栏效应：
非周期信号具
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