东南大学测试与控制技术项目设计报告.docx

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1、Mechanical MeasurementsSound acquisition and shaft vibrationanalysis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: This projec

2、t 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 software, u

3、tilizing 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 words: Signal

4、; Spectrum Analysis; V）ice; 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 signals by s

5、ampling 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 into a

6、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 （米样频率）

7、？ what is the appropriate sampling length （米样长度）？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)声音信息采集与处理Matlab程序

8、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;subplot(3,2,2)

9、,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:number1/2),

10、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:number1/2);ax

11、is(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中采样频率不

12、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48510Hz，产生轻

13、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. 试验台实物图图1滚动轴承

14、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m / s 2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outer_fault_data.txt是轴承1外圈故障的实验数据，实验参数设

15、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_early_data.txt,%f);%轴承1外圈故障subpl

16、ot(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);grid on%轴承3内圈故障subplot(3

17、,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外圈早期故障%figure(1)subp

18、lot(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);grid on(2)matlab

19、图像轴承3内圈故障0.2建口 1蜷u-1000.511.52频率 X104轴承1外圈早期故障0.02 01000.511.52频率 x104（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，

20、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

21、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象。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，使机构发生振 动和噪声。4、轴承烧伤：烧伤的轴承其滚道、滚动体上有回火色。烧伤的原因一般是润滑不足、 润滑油质量不符合要求或变质，以及轴承装配过紧等。5、塑性变形：轴承的滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，说明轴承产生塑性变形。 其原因是轴承在很大的静载荷或冲击载荷作用下，工作表面的局部应力超过材料的屈服极 限，这种情况一般发生在低速旋转的轴承上。6、轴承座圈裂纹：轴承座圈产生裂纹的原因可能是轴承配合过紧，轴承外国或内圈松 动，轴承的包容件变形，安装轴承的表面加工不良等。7、保持架

22、碎裂：其原因是润滑不足，滚动体破碎，座圈歪斜等。8、保持架的金属粘附在滚动体上，可能的原因是滚动体被卡在保持架内或润滑不足。9、座圈滚道严重磨损：可能是座圈内落入异物，润滑油不足或润滑油牌号不合适。致谢在本项目设计的过程中，要特别感谢机械学院老师悉心指导与教诲，感谢老师在信号 分析与处理方面提供的专业知识，老师为此投入了大量的精力与时间，老师治学严谨、学 识渊博、严于律己、宽于待人，使我不仅学到了基本的思考方式和研究方法，而且还明白了 许多待人接物，为人处事的道理。值此论文完成之际，谨向老师致以崇高的敬意和衷心的感 谢。参考文献1 贾民平，张洪亭.测试技术.北京：高等教育出版社,2010.10-11,57-652 张德丰.MATLAB数字信号处理与应用.北京：清华大学出版社,2010.120-1293 周品,李晓东.MATLAB数字图像处理.北京：清华大学出版社.2012.224-225