Способ выделения дискретных составляющих в спектре сигнала и устройство для его осуществления

Предложенная группа изобретений относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована для выявления источников шума машин, механизмов и систем, а также элементов конструкций, расположенных на транспорте при его диагностическом обследовании. Задачей данных изобретений является расширение частотного диапазона, в котором производится выделение максимумов спектра. Способ выделения дискретных составляющих в спектре сигнала заключается в формировании порогового уровня спектра и выделении максимумов спектра сигнала, при этом перед выделением максимумов спектра сигнала предварительно выделяют сглаженную сплошную часть спектра, затем определяют опорный уровень спектра как сумму указанной сглаженной сплошной части спектра с пороговым уровнем спектра, а в качестве дискретных максимумов спектра сигнала выделяют те спектральные отсчеты с максимальным уровнем, которые входят в состав групп близко расположенных спектральных составляющих, превышающих указанный опорный уровень. Устройство для выделения дискретных составляющих в спектре сигнала включает в себя узкополосный анализатор спектра, блок выделения максимумов спектра, блок формирования порогового уровня, блок выделения сглаженной сплошной части спектра, сумматор, соответствующим образом соединенные между собой. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для выявления источников шума машин, механизмов и систем, а также элементов конструкций, расположенных, например, на автомобильном или железнодорожном транспорте, а также на судах различного назначения при их диагностическом обследовании.

Целью диагностического обследования сложных технических конструкций является, в частности, выделение дискретных составляющих спектра шума или вибрации, являющихся диагностическим признаком причин повышенной вибрации или шумоизлучения, т.е. автоматизированное обнаружение дискретных спектральных составляющих в спектре акустического сигнала, имеющем смешанный характер, и определения их уровней, частот и превышений над сплошной частью.

Известен способ определения средней частоты спектра, основанный на связи между значениями мгновенной частоты сигнала и частотами спектра (см. Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки... - М.: Связь, 1978, стр.96-103). Сущность способа состоит в том, что у исследуемого акустического сигнала формируется узкополосный сигнал путем фильтрации в полосе частот, включающей исследуемую дискретную спектральную составляющую. После фильтрации исследуемого сигнала формируется аналитический сигнал, который используется для оценки мгновенной фазы и далее - для оценки мгновенной частоты путем дифференцирования мгновенной фазы (см., например, Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003, стр.448-449). Среднее значение мгновенной частоты соответствует частоте дискретной спектральной составляющей, для которой определяется ее уровень. Недостатком рассматриваемого способа является его низкая помехоустойчивость из-за того, что в результате фильтрации в пределах фильтруемой полосы кроме полезного сигнала в окрестности частоты исследуемой дискретной составляющей также наблюдается сигнал помехи, обусловленный, например, работой посторонних механизмов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ, основанный на выделении максимумов «обобщенного импульса» - метод выбранных точек (см. Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. - М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов..., 1970, стр.135-137). Этот метод применим для импульсных функций с произвольным аргументом, т.е. функций, описывающих процессы во временной, частотной или пространственной областях. В рассматриваемом случае этот метод применяется для анализа процессов в частотной или в спектральной области, т.е. для выделения дискретных спектральных составляющих, и рассматривается как прототип. Сущность способа-прототипа сводится к следующим основным операциям:

- производят узкополосный спектральный анализ сигнала, обусловленного вибрацией или шумом исследуемого источника;

- задают пороговый уровень, который определяет диапазон значений аргумента (полоса частот), в пределах которого существует выделяемая дискретная спектральная составляющая;

- осуществляют поиск положения максимума в пределах определенной полосы частот - определяют значение частоты дискретной спектральной составляющей (для простоты изложения сущности способа-прототипа операции усиления, ограничения, дифференцирования и т.д., изложенные в первоисточнике, опускаем как операции второстепенные).

Недостаток способа-прототипа состоит в том, что область его применения ограничена узкой полосой частот. Это обусловлено тем, что для реализации способа требуется предварительно определить пороговый уровень, и, следовательно, задать узкую полосу частот, в которой сосредоточена дискретная спектральная составляющая. Однако спектр реальных акустических процессов имеет смешанный характер, т.е. представляет собой сумму дискретных спектральных составляющих (с различными частотами и уровнями) и сплошную часть спектра, уровень которой зависит от частоты. Следовательно, принципиально невозможно задать единый пороговый уровень для всех дискретных составляющих, содержащихся в спектре акустического сигнала. Таким образом, способ-прототип не обеспечивает выделение дискретных составляющих спектра акустических сигналов в широком диапазоне частот.

Известно устройство, позволяющее определить узкополосный спектр сигнала (PULSE™, Multi-analyzer System Type 3560, Sound & Vibration Cataloque, "Bruel & Kjaer", p.66-67, Naerum, Denmark, 1999), в котором поиск дискретных составляющих спектра осуществляется при помощи маркера, предназначенного для определения уровня дискретной составляющей и ее частоты. Недостаток устройства состоит в том, что определение этих параметров узкополосного спектра сигнала осуществляется оператором визуально, т.е. на основе субъективной оценки превышения дискретной составляющей над сплошной частью узкополосного спектра, и, следовательно, описанное устройство также не позволяет выделить дискретные составляющие спектра сигнала.

Задачей предлагаемого способа выделения дискретных оставляющих в спектре сигнала и устройства для его осуществления является расширение частотного диапазона, в котором производится выделение максимумов спектра.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения дискретных составляющих в спектре сигнала, включающем узкополосный спектральный анализ сигнала, формирование порогового уровня спектра и выделение максимумов спектра сигнала, перед выделением максимумов спектра сигнала предварительно выделяют сглаженную сплошную часть спектра, которую затем суммируют с пороговым уровнем спектра.

В результате суммирования формируется опорный уровень, который используется для поиска максимальных значений спектра значений спектра, превышающих найденный опорный уровень, т.е. для определения частот обнаруженных дискретных спектральных составляющих и определения их уровней.

В устройство для выделения дискретных составляющих в спектре сигнала, включающее узкополосный анализатор спектра, сигнальный выход которого подключен к входу блока выделения максимумов спектра, а выход управляющего сигнала анализатора спектра соединен с входом блока формирования порогового уровня, введены блок выделения сглаженной сплошной части спектра, вход которого подключен к сигнальному выходу анализатора спектра и входу блока выделения максимумов спектра, а также сумматор, имеющий не менее двух входов. Один из входов сумматора соединен с выходом блока формирования порогового уровня, а другой вход сумматора соединен с выходом блока выделения сглаженной сплошной части спектра, при этом выход сумматора подключен к управляющему входу блока выделения максимумов спектра.

Выделение сглаженной сплошной части спектра сигнала и суммирование ее с пороговым уровнем позволяет сформировать уровень сравнения, необходимый для определения параметров выделяемых дискретных составляющих.

Введение в устройство для выделения дискретных составляющих спектра сигнала последовательно соединенных блока выделения сглаженной сплошной части спектра и сумматора обеспечивает автоматизированный поиск уровней и частот узкополосного спектра, превышающих уровень сравнения, полученный в результате суммирования сглаженной сплошной части спектра и порогового уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена блок-схема устройства для выделения дискретных составляющих в спектре сигнала, реализующего предлагаемый способ;

на фиг.2 представлена спектрограмма сигнала, спектр которого имеет смешанный характер;

на фиг.3 представлена спектрограмма сигнала, поясняющая принцип выделения дискретных спектральных составляющих в узкополосном спектре сигнала;

на фиг.4 представлена спектрограмма вибрации механизма;

на фиг.5 представлена таблица с перечнем выделенных дискретных составляющих и указанием их параметров - частоты, уровня и превышения над сплошной частью спектра.

Устройство для выделения дискретных составляющих в спектре сигнала включает узкополосный анализатор спектра 1, сигнальный выход которого подключен к входу блока выделения максимумов спектра 2, а выход управляющего сигнала анализатора спектра 1 соединен с входом блока формирования порогового уровня 3. Вход блока выделения сглаженной сплошной части спектра 3 подключен к сигнальному выходу анализатора спектра 1 и входу блока выделения максимумов спектра 2.

Один из входов сумматора 5, имеющего не менее двух входов, соединен с выходом блока формирования порогового уровня 3, а другой вход сумматора 5 соединен с выходом блока выделения сглаженной сплошной части спектра 4. Выход сумматора 5 подключен к управляющему входу блока выделения максимумов спектра 2. Выход блока выделения максимумов спектра 2 является выходом устройства в целом.

В соответствии с описанным устройством предложенный способ реализуется следующим образом.

Входной сигнал, обусловленный, например, вибрацией механизма, поступает на вход узкополосного анализатора спектра 1 (см. фиг.1). В качестве источника входного сигнала может рассматриваться любой измерительный преобразователь - микрофон, гидрофон, датчик колебательного ускорения и т.д. Входной сигнал представляет собой сумму тональных (квазитональных) сигналов на частотах дискретных спектральных составляющих, обусловленных работой источников вибрации или шума, и сигнала помехи, обладающего сплошным спектром. Уширение спектра на частотах дискретных спектральных составляющих вследствие собственной нестабильности их источников предполагается незначительным. Пример спектра входного сигнала показан на фиг.2. При реализации предлагаемого способа в блоке формирования порогового уровня 3 вырабатывается постоянный сигнал, уровень которого определяется числом усреднений спектра, формируемого узкополосным анализатором спектра 1. Информация о выбранном числе усреднений спектра поступает на вход блока формирования порогового уровня 3 с выхода управляющего сигнала узкополосного анализатора спектра 1. При формировании порогового уровня эта информация определяет случайную ошибку измерения спектра , где N - число усреднений спектра и, следовательно, обуславливает надежность выделения дискретных спектральных составляющих на фоне сплошной части спектра. При этом снижается дисперсия сплошной части спектра.

Учет порогового уровня при выделении дискретных спектральных составляющих возможен только после определения уровней фрагментов спектра в окрестностях выделяемых дискретных спектральных составляющих. При этом из смешанного спектра исследуемого сигнала исключаются дискретные спектральные составляющие. Эта операция выполняется в блоке выделения сглаженной сплошной части спектра 4, на вход которого с выхода анализатора спектра 1 поступает сигнал, соответствующий спектру входного сигнала. Собственно выделение сплошной части спектра осуществляется путем фильтрации (сглаживания) сигнала, соответствующего спектру входного сигнала.

Сигнал, пропорциональный сплошной части спектра, снимаемый с выхода блока выделения сглаженной сплошной части спектра 4, и сигнал порогового уровня, вырабатываемый в блоке формирования порогового уровня 3, поступают на соответствующие входы сумматора 5, на выходе которого формируется опорный уровень. Опорный уровень, поступающий на управляющий вход блока выделения максимумов спектра 2, используется для сравнения с уровнями обнаруженных спектральных составляющих. При превышении спектральных уровней исследуемого сигнала опорного уровня из нескольких близко расположенных спектральных составляющих определяется спектральный отсчет с максимальным уровнем. Следует отметить, что при цифровом спектральном анализе каждая дискретная спектральная составляющая может быть представлена несколькими спектральными отсчетами, причем число спектральных отсчетов определяется использованной весовой функцией. В блоке выделения максимумов спектра 2 с учетом частоты дискретизации входного сигнала, поступающего на вход узкополосного анализатора спектра 1, также определяются частоты выделенных дискретных спектральных составляющих. На фиг.3 проиллюстрирован принцип выделения сплошной части спектра для суммы тональных сигналов, формирующих соответствующие дискретные составляющие различного уровня и окрашенного шума, уровень которого зависит от частоты. Здесь же показан характер формируемого опорного уровня, относительно которого производится выделение дискретных спектральных составляющих.

Пример конкретного выполнения.

Достоверность предлагаемого способа подтверждается результатами следующего модельного эксперимента.

Формировался сигнал, представляющий собой сумму 5 неравных по амплитуде сигналов тональных сигналов на частотах 19, 35, 192, 207 и 256 Гц. Этот сигнал суммировался с шумом, имеющим нормальное распределение. Предварительно шум подвергался случайному амплитудному взвешиванию, приводящему к зависимости уровня шума от частоты. Таким образом, моделировался сигнал, спектр которого содержал дискретные спектральные составляющие с известными априорно параметрами. При этом объем памяти узкополосного анализатора спектра составлял 2048, частота дискретизации - 600 Гц. Сравнение параметров выделенных дискретных спектральных с априорно заданными параметрами тональных сигналов показало уверенное выделение дискретных составляющих в спектре модельного сигнала при реализации предлагаемого способа.

Пример применения способа выделения дискретных спектральных составляющих в узкополосном спектре натурного сигнала показан на фиг.4 в виде спектрограммы сигнала вибрации, на которой цифрами обозначены дискретные составляющие, выделенные в узкополосном спектре. На фиг.5 показана таблица, в которой в соответствии с номерами выделенных дискретных составляющих спектра приведены их параметры - частоты, уровни и превышения над сплошной частью спектра.

При реализации предлагаемого способа в качестве исследуемого сигнала рассматривался сигнал вибрации исследуемого механизма в частотном диапазоне 5-1000 Гц. Спектральный анализ выполнялся с разрешающей способностью 0.5 Гц. Число усреднений спектра равнялось 11. Для повышения надежности выделения дискретных спектральных составляющих пороговый уровень для формирования сигнала сравнения выбирался равным 6 дБ.

Проведенные измерения и моделирование показали, что использование новых операций в соответствии с предлагаемым способом позволило обнаружить дискретные спектральные составляющие и определить их параметры во всем частотном диапазоне, в котором анализируется акустический сигнал. Отметим, что в способе-прототипе обнаружение дискретных составляющих практически осуществляется визуально по результатам узкополосного спектрального анализа, а определение их параметров - только в окрестности обнаруженных визуально дискретных спектральных составляющих.

По сравнению со способом-прототипом расширение рабочей полосы частот позволяет автоматизировать процесс выделения дискретных спектральных составляющих и определение их параметров. Автоматизация этого процесса уменьшает время обработки измерительных данных и, следовательно, сокращает трудозатраты при проведении натурных испытаний сложных объектов - цехов промышленных предприятий, транспортных средств и т.д.

1. Способ выделения дискретных составляющих в спектре сигнала, включающий узкополосный спектральный анализ сигнала, формирование порогового уровня спектра и выделение максимумов спектра сигнала, отличающийся тем, что перед выделением максимумов спектра сигнала предварительно выделяют сглаженную сплошную часть спектра, затем определяют опорный уровень спектра как сумму указанной сглаженной сплошной части спектра с пороговым уровнем спектра, а в качестве дискретных максимумов спектра сигнала выделяют те спектральные отсчеты с максимальным уровнем, которые входят в состав групп близко расположенных спектральных составляющих, превышающих указанный опорный уровень.

2. Устройство для выделения дискретных составляющих в спектре сигнала, включающее узкополосный анализатор спектра, сигнальный выход которого подключен к входу блока выделения максимумов спектра, а выход управляющего сигнала анализатора спектра соединен с входом блока формирования порогового уровня, отличающееся тем, что в него введены блок выделения сглаженной сплошной части спектра, вход которого подключен к сигнальному выходу анализатора спектра и входу блока выделения максимумов спектра, а также сумматор, имеющий не менее двух входов, один из которых соединен с выходом блока формирования порогового уровня, а другой вход сумматора соединен с выходом блока выделения сглаженной сплошной части спектра, при этом выход сумматора подключен к управляющему входу блока выделения максимумов спектра.