專利名稱：基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碰摩聲發(fā)射信號的降噪方法，特別涉及基于離散分數(shù)余弦變換的 碰摩聲發(fā)射信號降噪方法。
技術(shù)背景聲發(fā)射技術(shù)是旋轉(zhuǎn)機械碰摩故障檢測的一種途徑和方法。但是，聲發(fā)射技術(shù) 所面臨的噪聲干擾問題十分嚴重，尤其是在旋轉(zhuǎn)機械運行環(huán)境下帶來的多源性強 噪聲污染，使得聲發(fā)射信號淹沒于噪聲中而無法反映設(shè)備的真實狀態(tài)。從噪聲中 提取與識別有用的聲信號是聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的核心內(nèi)容，也是目前大多數(shù)不能有 效進行聲發(fā)射技術(shù)檢測的技術(shù)瓶頸。因此，降噪處理一直是聲發(fā)射信號研究的熱 點和難點。在本發(fā)明之前，常用的碰摩聲發(fā)射信號的降噪方法主要是利用小波變換來對 聲發(fā)射信號進行降噪處理，它是通過尋找小波變換的突變點來^t企測噪聲信號，其缺陷是當噪聲嚴重時突變信息可能被噪聲淹沒，從而造成誤差；也有根據(jù)聲發(fā)射 模態(tài)，通過有用的聲信號的波形傳遞模式，以及與噪聲的不同波形特征和頻帶分 布來剔除噪聲，但是，當有用的聲信號和噪聲頻帶互相混疊嚴重時，模態(tài)聲發(fā)射 方法難以奏效，另外在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，聲源信號在傳遞過程中畸變嚴重，難以 對碰摩聲信號的模式進行識別。在聲信號降噪處理系統(tǒng)中，對有用的聲信號增強 也是一種解決噪聲污染的有效方法，例如利用離散余弦變換(DCT)的信號增強方 法就是目前研究的熱點。DCT之所以具有良好的抗噪聲特性，是因為它只通過檢 測各個時刻窗內(nèi)信號整體幅值的變化來捕捉信號的變化情況，而不是去捕捉與噪 聲同一個數(shù)量級的信號突變，因此對噪聲不敏感，在語音增強上已取得了良好的 效果。然而，由于聲發(fā)射源的多樣性、瞬態(tài)性以及噪聲源的復(fù)雜性，利用DCT進行聲發(fā)射信號降噪處理仍然不能取得滿意的效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計、研制一種基于離散分 數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號的降噪方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法，其主要技術(shù)步驟為(1) 聲發(fā)射信號的提取與預(yù)處理(1-1)通過碰摩聲發(fā)射實驗臺接i5^擦點的第一聲發(fā)射傳感器或位于聯(lián)軸器另 一端的第二聲發(fā)射傳感器提取聲發(fā)射信號； (1-2)在連續(xù)碰摩聲發(fā)射信號上疊加噪聲；(1-3)對含有噪聲的信號進行采樣，量化，分幀，加窗，得到離散時間序列；(2) 對該離散時間序列作分數(shù)為a的離散分數(shù)傅里葉變換，得到尸"(W;<formula>formula see original document page 4</formula>
當w-0時，F(xiàn)"為時間序列A:本身；當"=1時，尸"為時間序列;t的離散余弦變換；當"=2時，F(xiàn)"為時間序列;t的離散逆余弦變換； (3)計算聲發(fā)射信號譜40t)和噪聲譜人("，并對F。("進行濾波 (3-1 )的估計式為4(*)=/^4(^:—l)+(l-&)max{F。0t)2—義 (*),0} 。 在寂聲段的估計式為義 (A:)-A^ (A:-1)+(1-& ，在聲發(fā)射信號>^的估計式為(3-2 )濾波器的輸出為&W=_J^_ir。ot);/^(A:)+;l"(Ar)(4 )對濾波后的信號進行分數(shù)為2-a的離散分數(shù)傅里葉變換，并進行幀的合 并，輸出降噪后的信號。在所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法中，通常對更接 近于真實聲源信號的第一聲發(fā)射傳感器提取的聲發(fā)射信號為佳。在所迷的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法中，所述的采樣 頻率為2MHz，量化時的A/D精度為12位，分幀時每幀的幀長為512個采樣點， 50%的幀重疊，加窗時選擇的是漢明窗。在所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法中，所述的噪聲 可以為白噪聲，車間噪聲，粉色噪聲，Volvo汽車噪聲等。在所迷的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法中，所述的分數(shù) ^ = 0.7~1.1或《 = 1.8~2.3。本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于1. 對多種非平穩(wěn)噪聲環(huán)境下的碰摩聲發(fā)射信號均能取得較好的降噪效果，從而 增強聲發(fā)射信號。并且對于聲發(fā)射源的多樣性，瞬態(tài)性以及復(fù)雜的噪聲源都 具有魯棒性。2. 該方法的計算復(fù)雜度與基于離散余弦變換的降噪算法處于同一數(shù)量級，在保 證降噪效果的前提下有效地解決了傳統(tǒng)方法計算量大的問題。3. 適用性廣泛，該降噪算法可以應(yīng)用于聲發(fā)射信號的增強和降噪，同時也可以 應(yīng)用于聲發(fā)射信號識別等其它領(lǐng)域。本發(fā)明的其他優(yōu)點和效果將在下面繼續(xù)描述。


圖1一一碰摩聲發(fā)射實驗臺示意圖。 圖2 ——連續(xù)碰摩聲發(fā)射波形圖。圖3——基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖4一一不同分數(shù)fl下碰摩聲發(fā)射信號降噪效果的性能曲線圖。圖5 — 一4種噪聲環(huán)境下碰摩聲發(fā)射信號降噪方法的性能比較結(jié)果示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明所迷的技術(shù)方案作進一步的闡述。一. 聲發(fā)射信號的提取與預(yù)處理1. 聲發(fā)射信號的提取本試驗采用3支承2跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，如圖1所示。三個軸承，即第一軸承2、第二 軸承6、第三軸承8都是流體動力潤滑滑動軸承，摩擦點4靠近電動機1，第一聲發(fā) 射傳感器3靠近摩擦點4。第二聲發(fā)射傳感器7位于聯(lián)軸器5的另一端。通過第一聲 發(fā)射傳感器3和第二聲發(fā)射傳感器7提取出的聲發(fā)射信號波形，可用于分析聲信號 傳播的衰減及經(jīng)過非連續(xù)介質(zhì)耦合后信號畸變情況。實驗中設(shè)定采樣頻率為 2MHz,連續(xù)碰摩聲發(fā)射信號波形如圖2所示。2. 聲發(fā)射信號的預(yù)處理在連續(xù)碰摩聲發(fā)射信號上疊加高斯白噪聲和非平穩(wěn)噪聲(噪聲源由英國TN0 感知學(xué)會所屬的荷蘭RSRE研究中心提供，包括粉色噪聲，Volvo汽車噪聲和車 間噪聲)。對含噪信號進行采樣，量化，分幀，加窗。其中采樣頻率為2MHz, 量化時的A/D精度為12位，分幀時每幀的幀長為512個采樣點，50%的幀重疊， 加窗時可以選擇漢明窗。二. 離散分數(shù)傅里葉變換(DFCT)由時間序列A:,可以求得其離散傅里葉變換DCT("和離散傅里葉反變換IDCT(/t)。在離散余弦變換的基礎(chǔ)上，引入分數(shù)變換的思想。分數(shù)變換的目的是尋找一種同時攜帶時域和頻域的信息，從而更好的描述待處理的信息。所以我們 構(gòu)造一個周期為3的離散分數(shù)余弦變換(DFCT):F。("=《;c +《F1+《F2 (Jt) (式1 )其中，F(xiàn)° (" = x，= DCTO),尸2= IDCT(;c) (式2 )由分數(shù)階算子的理論與特性，以及離散傅里葉變換的性質(zhì)，對上式進行化簡， 可以找出計算產(chǎn)Ot)的通用表達式— l人 2ji(a—")i 4;t(a—")i , L- 一 、"(^S"exp( \ 。+exp( \ ,)]F" (式3)當w-0時，F(xiàn)"為時間序列A:本身；當"=1時，F(xiàn)"為時間序列/fc的離散余弦變換；當w-2時，F(xiàn)"為時間序列;t的離散逆余弦變換。三. i普估計，濾波圖3為基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中， 4W=￡{|s。wi2},;i ot)=￡{|iv。("|2}分別為聲發(fā)射信號的譜和功率譜。；i,(;t)的估計式為<formula>formula see original document page 6</formula>;1 (*)在寂聲,炎的估計式為義<formula>formula see original document page 6</formula>A"(W在聲發(fā)射信號段的估計式為<formula>formula see original document page 6</formula>將經(jīng)過分數(shù)為fl的離散分數(shù)傅里葉變換后的信號F。("送入濾波器，濾波器 的輸出為四. 對濾波后的信號進行分數(shù)為2-fl的離散分數(shù)傅里葉變換，并進行幀的合并， 輸出降噪后的信號。五. 性能評價圖4給出了不同分數(shù)a下碰摩聲發(fā)射信號降噪效果的性能曲線，輸出信噪比 (SNR)越大，降噪效果越好?？梢园l(fā)現(xiàn)a-l時，輸出信噪比并非最大，當 "=0.7~1.1禾口《 = 1.8~2.3時，肯&獲4尋專交好的降-桑效果，當"=0.4或^/ = 2.6左右 時，系統(tǒng)性能最差。圖5給出了基于標準的離散余弦變換和基于分數(shù)離散余弦變換降噪算法的 性能比較?？梢钥闯?，DFCT法對于4種噪聲環(huán)境下的聲發(fā)射信號的降噪效果要 普遍好于基于標準DCT的降噪算法。在算法的復(fù)雜度方面，與DCT法相比，DFCT法增加了 3iV次乘法和2iV次加 法，其計算復(fù)雜度要略高于DCT法，但它們處于同一量級。通過以上的分析和性能評價，可以發(fā)現(xiàn)，基于離散分數(shù)傅里葉變換的方法對 于聲發(fā)射信號的降噪效果要優(yōu)于基于標準的離散余弦變換的降噪算法，并且DFCT 算法的計算復(fù)雜度與DCT算法處于同 一數(shù)量級，是對碰摩聲發(fā)射信號進行降噪處 理的有效途徑。本發(fā)明請求保護的范圍并不僅僅局限于本具體實施方式
的描迷。
權(quán)利要求
1.基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法，其步驟為(1)聲發(fā)射信號的提取與預(yù)處理(1-1)通過碰摩聲發(fā)射實驗臺接近摩擦點的第一聲發(fā)射傳感器或位于聯(lián)軸器另一端的第二聲發(fā)射傳感器提取聲發(fā)射信號；(1-2)在連續(xù)碰摩聲發(fā)射信號上疊加噪聲；(1-3)對含有噪聲的信號進行采樣，量化，分幀，加窗，得到離散時間序列；(2)對該離散時間序列作分數(shù)為a的離散分數(shù)傅里葉變換，得到Fa(k)；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法， 其特征為，步驟(1-1)中從第一聲發(fā)射傳感器提取的聲發(fā)射信號為佳。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法， 其特征為，所述的采樣頻率為2MHz,量化時的A/D精度為12位，分幀時每幀的 幀長為512個采樣點，50%的幀重疊，加窗時選擇的是漢明窗。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法， 其特征為，所述的噪聲可以為白噪聲，車間噪聲，粉色噪聲，Volvo汽車噪聲。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法， 其特征在于分數(shù)fl = 0.7 ~ 1.1或"=1.8 ~ 2.3 。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于離散分數(shù)余弦變換的碰摩聲發(fā)射信號降噪方法。本發(fā)明技術(shù)方案是從摩擦點的發(fā)射傳感器提取聲發(fā)射信號，并疊加噪聲，對含有噪聲的信號采樣、量化、分幀、加窗，得到離散時間序列；對該序列作分數(shù)為a的離散分數(shù)傅里葉變換，得到F^a(k)；再對濾波后的信號進行分數(shù)為2-a的離散分數(shù)傅里葉變換及幀的合并，輸出降噪后的信號。本發(fā)明解決了聲發(fā)射源的多樣性、瞬態(tài)性以及噪聲源的復(fù)雜性及無法取得滿意效果的缺陷。本發(fā)明對多種非平穩(wěn)噪聲環(huán)境下的碰摩聲發(fā)射信號均能取得較好的降噪效果，增強聲發(fā)射信號，并且對于聲發(fā)射源的多樣性，瞬態(tài)性以及復(fù)雜的噪聲源都具有魯棒性，有效地解決了傳統(tǒng)方法計算量大的問題，適用性廣泛。
文檔編號G01M99/00GK101251446SQ200810023809
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者傅行軍, 包永強, 力 趙, 鄧艾東, 昕 魏 申請人:鄧艾東