[发明专利]一种基于声学信号的过程装备两步故障定位方法

权利要求书

1.一种基于声学信号的过程装备两步故障定位方法，其特征在于具体操作步骤为：

步骤一：将整体封闭区域以及所有设备抽象为点线组合，并对各节点进行编号，选取四个及以上节点位置布置麦克风传感器阵列，传感器阵列的数量保证足够监测封闭空间内所有设备；使用模态力锤，在每个设备上施加主动激励，选取各传感器阵列中其中一个传感器，并提取声学信号到达时间；

步骤二：根据提取的到达时间，计算两两传感器之间的时差，构建整体时差矩阵数据库；存在N台设备的封闭空间，布置M个传感器，每次主动激励，采集信号并提取时差后，产生组时差，构成一个的时差向量；最终，N台设备全部激励后，得到一个维的时差矩阵数据库，记为

步骤三：在封闭空间的整体区域定位测试中，施加模拟故障声源信号，获得声源信号到各传感器的到达时间，得到相应的时差向量，并将其与时差矩阵数据库中的N个向量进行对比，计算皮尔逊相关系数，筛选出数据库中与之最相似的向量，其对应节点编号即为目标节点；其中皮尔逊相关系数为：

其中，X为模拟故障声源信号到达时差，Y_i为时差矩阵库中的向量，μ为向量的数学期望，σ为向量的标准差；

步骤四：在确定故障设备后，使用MUSIC算法，利用距离其最近的麦克风阵列进行精确定位，确定故障设备的故障部件；其中MUSIC算法的具体步骤为：

在收到激励信号后，根据L个麦克风传感器接收到的信号矢量得到协方差矩阵,即

其中，L为麦克风阵列中的传感器数量，S(n)为信号的时域波形，n为信号的采样点数，S^H(n)为S(n)的共轭转置，H为共轭转置符号；

并对得到的协方差矩阵进行特征值分解R＝UΣU^H，其中U为特征向量，Σ为特征值构成的矩阵，H为共轭转置符号；将特征值按大小排序，把最大特征值对应的特征向量看作信号空间，把剩下的特征值对应的特征向量看作噪声空间，即其中U_S为信号空间特征向量，Σ_S为信号空间的特征值矩阵，U_N为噪声空间特征向量，Σ_N为噪声空间的特征值矩阵，H为共轭转置符号；

用球坐标系表示入射平面波的波达方向，坐标系原点O在阵列的中心，即圆心；声源的仰角θ是阵列原点到信源的连线与z轴之间的夹角，方位角φ是阵列原点到声源的连线在平面x-y的投影与x轴之间的夹角；

构造空间谱函数P_MUSIC(θ,φ)＝1/[a^H(θ,φ)U_NU_N^Ha(θ,φ)]；其中，a(θ,φ)为方向矢量，是声源波达方向为(θ,φ)的阵列响应，表示为

式中，γ_m表示第m个传感器与原点的连线与x轴正半轴的夹角，γ_m＝2πm/10，m＝0,1,L,9，j为虚数表达，λ为声源的波长；

由于对于不同形状的阵列，方向矩阵都只与信号的到达角(θ,φ)有关，故空间谱函数是到达角的函数；通过改变到达角(θ,φ)，扫描两个角度后，寻求谱函数的峰值，得到波达方向角的估计值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

提取声学信号到达时间具体步骤为：

②采集声源信号；

②利用希尔伯特变换计算出信号包络，并通过计算特征函数CF(n)＝|S(n)|其中，S为采集到的声源信号的时域表达；找到全局最大值t_MAX，将AIC计算范围设置在起始点t₀与t_MAX+t_AM之间，其中t_AM为设置的时间延迟，该值由实验测得，为所接受信号中波速最快模态的一个周期；

③进行第一次AIC计算，在重新定义的范围内寻找全局最小值点，该点决定了第一次到达时间估计；

④进行第二次AIC计算，在第一步确定的全局最小值点AIC^1st的领域进行AIC计算；领域范围为全局最小值点AIC^1st前t_AM/2时间延迟到后t_BM/2时间延迟，其中t_BM＝t_AM；重新计算AIC函数的全局最小值，即准确的声源信号到达时间；

(2)根据第一步得到的到达时间计算各个传感器对的到达时间差，得到时差矩阵数据库；

(3)在声源区域定位测试中，施加模拟声源；在该封闭空间内，随机选取某设备的某个部件施加激励作为故障声源，采集信号后提取到达时间，可得到模拟故障信号的一组时差向量X；将X与时差矩阵数据库中的向量进行对比，计算皮尔逊相关系数，即

其中，X为模拟故障声源信号到达时差，Y_i为时差矩阵库中的向量，μ为向量的数学期望，σ为向量的标准差；

根据皮尔逊相关系数得到数据库中与之最相似的向量，其对应节点编号即为目标节点；

(4)确定了故障设备后采用MUSIC算法进行精确定位；根据10个麦克风传感器接收到的信号矢量得到协方差矩阵,即

其中，L为麦克风阵列中的传感器数量，其中，S(n)为信号的时域波形，n为信号的采样点数，S^H(n)为S(n)的共轭转置，H为共轭转置符号；

并对得到的协方差矩阵进行特征值分解R＝UΣU^H；其中U为特征向量，Σ为特征值构成的矩阵，H为共轭转置符号；将特征值按大小排序，把最大特征值对应的特征向量看作信号空间，把剩下的特征值对应的特征向量看作噪声空间，即其中U_S为信号空间特征向量，Σ_S为信号空间的特征值矩阵，U_N为噪声空间特征向量，Σ_N为噪声空间的特征值矩阵，H为共轭转置符号；

构造空间谱函数P_MUSIC(θ,φ)＝1/[a^H(θ,φ)U_NU_N^Ha(θ,φ)]，其中，a(θ,φ)为方向矢量，是声源波达方向为(θ,φ)的阵列响应，通过改变到达角(θ,φ)，扫描两个角度后，寻求谱函数的峰值，得到波达方向角的估计值。