对α稳定分布噪声中振动信号滤波研究.pdf

第 3 0卷第 1 2期 2 0 0 9年 l 2月 煤 矿 机 械 Co a l Mi n e Ma c h i ne r y Vo 1 ． 3 O No ． 1 2 D e c ． 2 O0 9 对 稳定分布噪声中振动信号滤波研究 术 许勤 。查代 奉 f 九江学 院． 江西 九江 3 3 2 0 0 0 摘 要 在振动测量 中， 采用基于高斯模型的信号处理方法进行噪声处理， 但对于强冲击噪声 则 出现性能退化 研 究0 [ 稳 定分布信号的特性 ． 提 出采用中值滤波结合工程算法的方法进行滤波 处理。仿真结果表明， 在不同冲击性 o t 稳定分布噪声环境下 ， 采用高斯模型分析结果出现退化 ， 而 采用中值 滤波变换结合工程算法 ． 对幅值大的尖脉 冲噪声具有较 强的韧性 。 变换得到频域信号结 果能够表征频率特性 ． 具有更广泛的意义。 关键 词 稳 定分 布 振 动测 量 ；中值 滤波 中图分 类号 T B 5 3 3文 献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 0 9 1 20 0 4 20 4 Re s e a r c h o n S i g na l Pr o c e s s i ng o f M e d i a n Fi l t e r M e t ho d i n Vi br a t i o n M e a s u r e f o r Al p h a S t a b l e Di s t r i b u t i o n No i s e XU Qi n ， Z HA Da i f e n g J i u j i a n g U n i v e r s i t y ， J i u j i a n g 3 3 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e e n g i n e e r o f v i b r a t i o n me a s u r e ，f o r s t u d y i n g t h e s i g n a l c h a r a c t e ris t i c o f f r e q u e n c y r a n g e ，t he c l a s s i c s i g n a l p r o c e s s i ng me t h o d wa s u s e d t o a na l y z e t h e g a u s s no i s e a c c ur a t e l y ，b u t t h e s t a - b i l i t y o f p e rfo r ma n c e w a s d e g r a d a t i o n i n t h e Al p h a s t a b l e d i s t r i b u t i o n n o i s e ． S o t h e n e w s i g n a l p r o c e s s i n g me t h o d b a s e d o n t h e fi l t e r a n d a l g o r i t h m w a s e x p l o r e d ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e n e w me t h o d h a d b e t t e r a p p l i c a b i l i t y t h a n t h e c l a s s i c s i g n a l p r o c e s s i n g me t h o d a n d h a d t h e g o o d p e r f o r ma n c e a n d r e l i a b i l i t y o f t h e d i f f e r e n t 0 c s t a b l e di s t r i b u t i o n n o i s e ． Ke y wo r d s a l p h a s t a b l e d i s t ri b u t i o n；v i b r a t i o n me a s u r e ；me d i a n f i l t e r O引言 技术 ， 在机械状态检测 、 故 障诊 断等领域 中有着广 振动测量是机 电工程科学研究 中不可或缺 的 泛 的应用。为 了研究信号特性 。 通常利用傅里叶变 国家自 然科学基金项目 N S F C 6 0 7 7 2 0 3 7 换将时域信号转换成频域信号 ， 进行频谱分析 ， 分 ◆一◆-- ●-．_4- -◆- ．_．- ．-◆-．_．- ．一◆- ◆_ ．-- ◆-◆-．- - - ● - ◆-◆一◆一◆-◆-．-◆-◆- ◆-- ●-‘◆-◆_◆_．_◆-◆-◆． ．- _◆-◆◆。 ◆’ 表 1 不同测点速度值 3 结语 将各测点数据代入式 5 可求得 o - 0 ． 5 7 。因为 0 ． 5 7 0 ． 2 5 ， 所 以该脉冲袋式除尘器内部流场分布 极不均匀。导致这种现象的主要原因 脉冲袋式除 尘器 的 进风 管断 面 与灰 斗断 面 面积 差 别较 大 ， 当气 流由进风管进入灰斗时 ， 动一 静压转化剧烈 ． 致使该 处气流的紊乱程度变大 。为了改善脉冲袋式除尘器 内部流场的均匀性 ． 从 而提高其分离性能和滤袋 的 使用寿命 ，应考虑从降低进 口断面与灰斗断面动一 静压转化强度入手 。 可在灰斗靠近进 口处设置一些 气流均布装置 ， 比如导流板或气流分布板等 。 由以上 的模拟 分析 可知 1 可借助 C F D技术对脉冲袋式除尘的内部流 场进行分析研究 。与传统方法相比时效性更强 、 准 确度更高。 2 脉冲袋式除尘器内部存在 明显的射流和回 流现象 ， 且主要集 中在灰斗 内 。 整个流场分 布不均 匀 ， 故滤袋易磨损。 3 欲提高普通脉冲袋式 除尘器的分 离性 能 ， 应从提高其 内部流场分布的均匀性人手 ， 如增设导 流板 、 分布板等 。 参考文献 [ 1 ] 李少 平． 脉冲袋式除 尘器应用 中存在 的 问题 及解决方法 【 j ] ． 水 泥 ， 2 0 0 2 1 0 4 3 4 4 ． [ 2 ] 毛君 ， 张利蓉 ， 丁飞 ， 等． 基于 F L U E N T的叶轮机械 内部流场模拟 研究 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 6， 2 7 8 4 8 5 0 ． [ 3 ] 王福军． 计算流体动力学分析--C F D软件原理与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 刘后启 ， 林宏． 电收尘器 [ M] ． 北京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 7 ． 作者简介高广德 1 9 6 2 一 ，河南信阳人， 副教授 ， 硕士生导师 ， 研 究 方 向 为 工 程 机 械 及 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 ， 电 子 信 箱 g a o g u a n g d e c t g u ． e d u ． C B． 收 稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 4 ■ 一 加醯 卯 ∞ 如 一1 l 1 1 ， }i l l № 一 ∞ 钙甜 勰 ∞ ～ 如 卯 ％ “ m 一 1 O 2 1 3 O O O O O O O ～ 如 ” ．、 _ 一 加凹 ∞ 弛 驺 一 1 2 3 3 4 O O O O O 0 O 1 一 H ”博 加 规 ■ 一 ∞ 叭 叭 鹋 一 1 1 3 2 4 O O O O O 0 O● 一 2 3 4 5 6 7 8 9 m 第3 O 卷第1 2 期 对仅稳定分布噪声中振动信号滤波研究许 勤， 等 v o 1 ．3 0 N o ． 1 2 析信号 的频率成分和结构 ， 得到相关参量 ， 从而实 时域变换过程 中会在很宽 的频率 范围内施加较大 现对被测对象的振动监测和故障诊断。 影响， 造成处理方法性能退化失效 。 随着计算机技术和数字信号处理技术 的发展 ， 3 分布模型信号描述与分析 数字信号处理技术 已被广泛采用 。本文提出一种新 1 O ／ 稳定分布模型 的信号模 型来描述 强冲击特性的非高斯分布噪声 引入 稳定分 布来描 述上述具有显 著尖峰脉 环境 ， 采用滤波技术滤去干扰噪声后再进行时频变 冲和厚重拖尾的随机信号。 O t 稳定分布是 由 v v于 换提取振动信号 ， 从而实现信号处理 。 1 9 2 5年首先提出的， 是一类适用范 围很宽的随机信 1 信号采集系统 号模型。信号时间抽样幅值的概率密度 函数的衰减 振动信号经传感器采集 ， 经过调理后再经信号 过程 比高斯分布慢 ， 从而造成比较厚重的拖尾 。研 采集器进行转换 ，由接 口输入 电脑进行数据分析。 究表明 稳 定分布有 良好的特性可 以用来描述这 信号采集系统如图 1 所示 。采用压 电式传感器具有 些非高斯信号 ， 它比高斯分布有更广泛的适用性 。 良好的频率特性和较宽的动态范围 ， 对强弱振动都 稳定分布没有统一的概率密度函数 ， 但是它 的的特 能精确地测量 。 而且其 重量轻 、 体 积小 、 结构坚 固、 征函数可以表示为 抗干扰性好 ， 加速度信号能够通过积分电路很容易 咖 e x p { ／ z t - y l W [ 1 j ／ 3 s g n ￡ t ,O r ] } 地转换成 速度或位移信 号 ， 因此 ， 结合现场实地考 其 中 f f 一 、 t a n o t r r ／ 2 f ≠1 、 ， f ， 2 ／x - 7 - - ／ x ---- ／ 察 ， 选取有代表性 的位置安装压电式传感器来测量 l 。 g t 。 0 馨 2 【 x1 1 5O l o0 5 O 0 0 如1 0 0 1 50 2 00 ．2 j O 3 0 0 3 5 0 4 o o 4 5 0 5 0 0 频率 f ／ H z a Ⅱ1 ． 8 1 50 撤 1 0 0 j 蓝 兽 5 0 0 1 l 蝤 馨 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 频率 fl I -I z b n 1 ． 6 2 oo 1 50 l 00 5O O 频翠 flH z f ca 1 ． 4 图 2 a稳定分布噪声环境下的时域信号与高斯模型 变 换 频 谱 结 果 2 基于中值滤波的时频变换 针对 上 述 问题 ， 采用 滤 波 变换 结合 工 程 算法 的 方 法对 数据 进行 处 理 。 既可 滤 除高 斯 噪声 又 可抑 制 脉 冲噪 声 ， 从 而实 现 O ／ 稳 定 分布 噪 声环 境 下信 号处 理 。 ①均值滤波 均值滤波的基本思想是用几个 元素的平均值来代替一个元素值 ， 其过程是设定一 个 窗 口在 函数 区域 内 滑动 ， 窗 中心 位 置 的值 用 窗 内 各点值的平均值来代替。对时域信号序列进行滤波 处理 。 调整大脉 冲出现时的相关参数 ， 削弱大脉冲 信号的影响 ， 而保 留有用信号部分。均值滤波方法 有很好 的噪声平滑能力 ， 对脉冲具备较好的抑制能 力 。 均值滤波就是将数字序列 中一点 的值用该点 的一个邻域中的各点值的均值代替 1 g 凡 2 f k lI L 式 中g n 考察点的取值 ； m 邻域范围； f k 邻域范围内各点的取值 。 均值滤波结合经典算法进行运用求解 ， 得到新 的频谱信号， 可 以改变算法性能退化问题。 ② 中值滤波 中值滤波 是一种常见的非线性 滤波技术 ， 是一种基 于邻域的运算方法 ， 其基本原 理是把数字序列中一点的值用该点 的一个邻域 中 所有点值的中值来替代 。 设定数字序列 X， n个数按 照值的大小排列后 ． 所求 中值 y Me d { x l ， ⋯ ， 1 “ 9 n为奇数 n为偶 数 中值滤波相 比均值滤波具备更好 的噪声平 滑 能力 ， 同时能保持原有信号的特性 ， 特别是对 脉冲 噪声的抑制能力更体现优势。采用 中值滤波与工程 算法 相 结 合 的方 法 ， 对 时 域信 号 进 行 处 理 ， 调 整大 脉冲出现时的相关参数 ， 削弱大脉冲信号的影响而 保留有用部分 ， 能够有效地实现滤波。 4结 果与 分析 振 动测 量 实验 中 ， 在 现场 噪声 环境 下 有一 稳 定 的机械设备 作振动信号 ， 采用 中值滤波结合工程 算法进行时频变换 ．对其分析获得信号 的频域特 点。图 3是对于不同冲击性 O t 稳定分布 取值不 同1 噪 声背 景 ， 采 用新 方 法变 换得 到 频域 结 果 。 图 3 中各分 图上部分是对应不 同 O ／ 取值所表征 的冲击 噪声环境下时域信号 的描述 ． 其 中存在幅值明显的 尖锐脉 冲； 下部分是 时频变换结果 ， 频域信号 中均 清晰反映了稳定 的振动信号 ， 而其他频率成分信号 的幅值很小。由于 稳定分布冲击噪声信号经过中 值滤波 ．影响变换的幅值大的尖脉冲被滤掉 了， 对 结果的影响降低了。因此采用中值滤波变换结合工 程算法进行信号处理的方法能够实现时频变换。实 验中还发现此方法对于幅值大的尖脉冲较有效 ， 但 是对 宽 脉 冲不 适 用 对小 幅值 的尖 脉 冲处 理效 果 不 理想 ， 这是 因为未滤除的小脉冲对整个频域施加了 影 响 一 4 4 一 t●■ ．2 蔫一 蛆 u 啊 k 噩 ■n ● ■ ■_一 h H■■Ⅱ nu L ■ _一 ， O O O O O