基于小波尺度谱的转子系统碰摩声发射特性

    0 前言

    声发射技术是利用物质内部微粒(包括原子、分子及粒子群)由于相对运动而以弹性波的形式释放应变能的现象来识别和了解物质或结构内部状态的一种技术。转子系统中动静件发生碰摩时会引起碰摩处动静件弹性应变而产生声发射，该声发射蕴涵了丰富的碰摩信息，因此可利用该声发射来辨识和诊断碰摩故障。与振动方法不同的是，声发射信号幅值的大小与转子振动状态无关，而主要与碰摩时发生的能量直接相关，且声发射信号的频率范围一般在 20 kHz 以上，与机械振动信号的频率范围完全不在一个量级上，转子系统的碰摩声发射信号不会受难以去除的不平衡、不对中等干扰因素和其他振动源的影响，因此基于声发射信号辨识和诊断碰摩故障有其独特的优越性。

    传统声发射技术假设声发射是阻尼正弦波，且以某一固定速度传播。基于这一假设，传统声发射技术采用窄带滤波的谐振式传感器获取声发射信号，并以振铃数、能量、事件率和持续时间等参数来分析声发射特征，发展起了成熟的声发射参数分析法[1]。导波理论研究表明，声发射不是单一模式的正弦波，而是包含不同频率特征的多模式波。模态声发射正是依据导波理论发展起来的声发射新技术，其采用宽带传感器真实获取声发射全波形，并利用波形分析来研究声发射波形的物理本质及与声发射源的联系机制[2]。声发射信号的时频分析是声发射波形分析的主要内容和手段。由于声发射是具有频散特性的多模式、频率成分复杂的信号，且受传播途径、材料属性、耦合剂特性以及传感器特性等多因素的影响，因而表现出明显的非线性和非平稳特性，传统的信号分析方法难以对其进行有效分析。

    小波变换是近十几年来发展起来的一种多分辨率信号分析方法，它通过伸缩和平移运算对函数或信号进行多尺度细化分析，因而能够有效地从信号中提取时频信息。与 FFT 变换的功率谱对应，小波变换的尺度谱可用于信号的时频分析。由于可很好地解决信号时间和频率分辨率的矛盾，特别适合非线性、非平稳信号的分析，因此在故障诊断领域得到了广泛的应用[3-5]。基于小波尺度谱这一优越性，利用其对转子系统碰摩声发射进行波形分析，研究碰摩声发射的时频特性、传播特性以及频散特性等，发展基于声发射技术的转子系统碰摩辨识和诊断方法。

    1 连续小波变换及小波尺度谱

    设 x (t  )为一有限能量函数，即2x (t  ) ∈ L ( R)，则该函数的小波变换定义为以函数族,( )a bψ t为积分核的积分变换[6]，如式(1)所示