东南大学测试与控制技术项目设计报告

1、Mechanical MeasurementsSound acquisition and shaft vibration analysis学号 学生姓名 指导教师 课程：机械工程测试与控制技术 时间：2015 年 6 月 19日摘要：本项目设计围绕课程讲授的动态信号的采集、分析与处理的基本原理与方法进行,主要是信号仿真、采集与分析处理。 运用信号的分析与处理等测试技术相关知识， 借助 Matlab 软件，利用傅里叶变换等手段， 对采集信号进行数学处理并做时域和频域分析， 了解不同信号的特征：1）根据谱图辨别不同人的声音 2）分析零件的故障关键词：信号；频谱分析；声音；轴承故障Abstract：

2、 This project design around the course teaching of dynamic signal acquisition, analysis and processing, the basic principle and method of mainly signal simulation, acquisition and analysis. Testing technology such as the use of signal analysis and processing related knowledge, with the aid of Matlab

3、 software, utilizing the means such as Fourier transform, the collected signal mathematical processing and time domain and frequency domain analysis, understand the characteristics of the different signal: 1) according to different voice spectrum diagram to identify 2) analysis of parts failureKey w

4、ords： Signal; Spectrum Analysis; Voice; Bearing fault1. 引言测试是具有试验性质的测量，可以理解为测量与试验的综合。测试技术研究的主要内容为被测量的测量原理、测量方法、测量系统和数据处理四个方面。在测试中所获得的各种信号，包含着丰富的有用信息，但是由于测试系统内部和外部各种因素的影响，必然在输出信号中混有噪声。因此，必须对所得的信号进行必要的处理与分析，才能准确的提取它所包含的有用信息。【1】2. 基于计算机的声信号采集与分析2.1提出问题Computer can convert analog signals to digital sign

5、als by sampling the voice or the video. The sentence of mechanical engineering measurement and control technology must be read by more than 3 people and be recorded under the condition of different environmental noise using microphone and sound card in computer.First, the recorded voice is converted

6、 into a data file ASCII text with the help of professional software, then spectrum analysis is processed and the figure in time domain and frequency domain is drawn.Recording software, such as: 蓝光影音Mp3录音机Matlab program of reading MP3 files: mp3readwriteDiscussion：1) How to set the sampling frequency

7、（采样频率）? what is the appropriate sampling length（采样长度）?2) According to your analysis, how to distinguish speech sound of different people?3) What measures can be taken to make your speech sound identified difficultly by others?2.2分析问题 在不同环境下录制 3 个人讲同一句话“测试技术属于信息科学的范畴”。 并利用 Matlab软件进行时域频域分析。 (1)声音信息采集

8、与处理 Matlab 程序d1,sr1=wavread(1.wav);%读取音频文件1d2,sr2=wavread(2.wav);%读取音频文件2d3,sr3=wavread(3.wav);%读取音频文件3d1=d1(:,1);d2=d2(:,1);d3=d3(:,1);subplot(3,2,1),plot(d1);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(甲 );grid onfs=sr1;number1=100000;%取样点n=0:number1-1;y1=fft(d1,number1)/number1;mag1=abs(y1);F1=fs*n/number1;subpl

9、ot(3,2,2),plot(F1(1:number1/2),mag1(1:number1/2);axis(65,1100,0,0.01);%略去高频段xlabel(频率/Hz);ylabel(振幅);title(甲 );grid onsubplot(3,2,3),plot(d2);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(乙);grid onfs=sr2;number1=100000;n=0:number1-1;y2=fft(d2,number1)/number1;mag2=abs(y2);F2=fs*n/number1;subplot(3,2,4),plot(F2(1:num

10、ber1/2),mag2(1:number1/2);axis(65,1100,0,0.01);%略去高频段xlabel(频率/Hz);ylabel(振幅);title(乙);grid onsubplot(3,2,5),plot(d3);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(丙);grid onfs=sr3;number1=100000;n=0:number1-1;22y3=fft(d3,number1)/number1;mag3=abs(y3);F3=fs*n/number1;subplot(3,2,6),plot(F3(1:number1/2),mag3(1:number1

11、/2);axis(65,1100,0,0.01);%略去高频段xlabel(频率/Hz);ylabel(振幅);title(丙);grid on (2)对讲话人甲声音进行失真处理：d1,sr1=wavread(1.wav);%读取音频文件 1wavwrite(d1,sr1*1.1,4.wav);sound(d1,sr1);%原声音sound(d1,sr1*1.1);%失真后的声音(3) 录制3人声音的时域、频域分析图像2.3回答问题（1）该设置至少为多少的采样频率？采样长度多长为合适？答： 采样长度至少要与录音的频率相等。例如在录音软件中设置的采样频率为 44100Hz，则在 matlab 中

12、采样频率不能低于 44100Hz，否则会失真。（2） 不同人员讲话声音的时域、频域有什么区别？根据你的分析，该怎样区分不同人员的讲话声音？答： 不同的人讲话，时域波形的强度不同，在频域图表现出来的是特征谱线的不同，说话声音低沉的，整体的特征谱线偏低，说话音调较高的，整体的特征谱线偏高。辨别不同人的讲话，关键是对其声音进行频谱分析，找到对应的特征谱线，就可以辨认。（ 3） 要使他人不易识别你的讲话声音，该怎么处理？答： 加大采样频率，或者是减少采样频率，也可以改变自己的特征谱线，即使用假声。 比如，本实验中，我们对讲话人甲的声音进行失真处理，原采样频率为 44100Hz， 在播放时设置为4851

13、0Hz，产生轻微失真。3. 机械操作的数据分析和处理3.1提出问题 Attachment is vibration acceleration data for a bearing(轴承). Please do spectrum analysis, calculate features in time domain and frequency domain, analyze vibration reasons: inner-race fault, out-race fault, and give some fault diagnostic methods.3.2滚动轴承故障数据说明1.试验台实物

14、图加速度传感器径向载荷热电偶轴承1轴承2轴承3轴承4交流电机图1 滚动轴承系统实验台简图2. 实验参数参数设置实验参数设定如表1所示，滚动轴承几何参数如表2所示，滚动轴承各部件故障特征频率如表3所示。表1 实验参数设置参数数值转速2000r/min采样长度20480传感器振动加速度传感器单位采样频率20kHz表2 滚动轴承参数轴承型号轴承节径/mm滚动体直径/mm滚动体个数接触角/( )ZA211571.58.41615.17表3 轴承各部件故障特征频率型号内圈外圈保持架滚动体Rexnord ZA-2115296.93Hz236.40Hz14.77Hz139.93Hz3. 实验数据说明oute

15、r_fault_data.txt是轴承1外圈故障的实验数据，实验参数设置如表1、2和3（严重故障阶段）。inner_fault_data.txt是轴承3内圈故障的实验数据，实验参数设置如表1、2和3（严重故障阶段）。outer_fault_early_data.txt是轴承1外圈早期故障阶段的数据，故障特征微弱，实验参数设置如表1、2和3。3.3分析问题（1) Matlab 程序: fs=20000;a1=textread(outer_fault_data.txt,%f);b1=textread(inner_fault_data.txt,%f);c1=textread(outer_fault_

16、early_data.txt,%f);%轴承1外圈故障subplot(3,2,1),plot(out);axis(0,20500,-1,1);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(轴承1外圈故障);grid onnumber1=size(out,1);%取样点n=0:number1-1;y1=fft(a1,number1)/number1;mag1=abs(y1);F1=fs*n/number1;subplot(3,2,2),plot(F1,mag1);axis(0,20000,0,0.04);%略去高频段xlabel(频率);ylabel(振幅);title(轴承1外圈故障

17、);grid on%轴承3内圈故障subplot(3,2,3),plot(in);axis(0,20500,-5,5);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(轴承3内圈故障);grid onnumber1=size(in,1);%取样点n=0:number1-1;y3=fft(b1,number1)/number1;mag3=abs(y3);F3=fs*n/number1;subplot(3,2,4),plot(F3,mag3);axis(0,20000,0,0.2);%略去高频段xlabel(频率);ylabel(振幅);title(轴承3内圈故障);grid on%轴承1

18、外圈早期故障%figure(1)subplot(3,2,5),plot(out2);axis(0,20500,-0.5,0.5);xlabel(时间);ylabel(振幅);title(轴承1外圈早期故障);grid onnumber1=size(c1,1);%取样点n=0:number1-1;y2=fft(out2,number1)/number1;mag2=abs(y2);F2=fs*n/number1;subplot(3,2,6),plot(F2,mag2);axis(0,20000,0,0.02);%略去高频段xlabel(频率);ylabel(振幅);title(轴承1外圈早期故障)

19、;grid on(2) matlab图像（3） 分析 1、轴承 温度过高：在机构运转时，安装轴承的部位允许有一定的温度，当用手抚摸机构外壳时，应以不感觉烫手为正常，反之则表明轴承 温度过高。轴承温度过高的原因有：润滑油质量不符合要求或变质，润滑油粘度过高；机构装配过紧(间隙不足)；轴承装配过紧；轴承座圈在轴上或壳内转动；负荷过大；轴承保持架或滚动体碎裂等。 2、轴承噪音：滚动轴承在工作中允许有轻微的运转响声，如果响声过大或有不正常的噪音或撞击声，则表明轴承有故障。 滚动轴承产生噪音的原因：比较复杂，1）是轴承内、外圈配合表面磨损。由于这在种磨损，破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系，导致轴线偏离了正确的位置，在轴在高速运动时产生异响。当轴承疲劳时，其表面金属剥落，也会使轴承径向间隙增大产生异响。2）轴承润滑不足，形成干摩擦，以及轴承破碎等都会产生异常的声响。3）轴承磨损松旷后，保持架松动损坏，也会产生异响轴承的损伤。滚动轴承拆卸检查时，可根据轴承的损伤情况判断轴承的故障及损坏原因。 3、滚道表面金属剥落：轴承滚动体和内、外圈滚道面上均承受周期性脉动载荷的作用，从而产生周期变化的接触应力。当应力循环次数达到一定数值后，在滚动体或内、外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大，会使这种疲劳加剧。另外，轴承安装不正、轴弯曲，也会产生滚道剥落现