[发明专利]通过声源定位实现球磨机设备工作状态检测的方法

权利要求书

1.一种通过声源定位实现球磨机设备工作状态检测的方法，其特征在于，包括：

利用麦克风阵列采集信号的能量信息，挑选出疑似介质球撞击衬板的信号段；

采用非相干信号子空间方法对所述疑似介质球撞击衬板的信号段进行声源定位，获得相应的撞击角度信息；

根据撞击角度信息与物料线的关系，检测球磨机设备的工作状态；

其中，所述采用非相干信号子空间方法对所述疑似介质球撞击衬板的信号段进行声源定位，获得相应的撞击角度信息包括：

球磨机设备的滚筒是圆柱形的，所获得的疑似介质球撞击衬板的信号段均来自于与弧形的麦克风阵列在同一平面的横截面上；弧形的麦克风阵列摆放位置与滚筒横截面形成同心圆，则以麦克风阵列中最上端的麦克风作为参考点，以参考点与圆心的连线作为y轴，以在同一平面并与y轴垂直的线作为x轴；

第i个麦克风的位置为：

loc_i＝[r×cos((i-1)×d/r),r×sin((i-1)×d/r)]；

式中，r为弧形的麦克风阵列的半径，d为相邻麦克风的弧长；

从第i个麦克风挑选出疑似撞击的信号中包含了多个数据帧，假设一个数据帧中只有一个声源，以y轴与滚筒表面交点处的声源位置为零度，向下方向为角度增加的方向，如果某一数据帧中的声源角度为θ，滚筒的半径为R，声源对应的坐标为：

obj＝[R×cos((π/180)×θ),R×sin((π/180)×θ)]；

声源与第i个麦克风之间的距离为：

假设声音在当前条件下传播的速度为c，则声源到达第i个麦克风的时间为：

t_i＝dis_i/c；

从而得到声源到达第i个麦克风与到达参考麦克风之间的时延为：

τ_i＝t_i-t₁；

式中，t₁为当前声源到达参考麦克风的时间；

因为声信号为带宽为B的宽带信号，将疑似介质球撞击衬板的信号段分成N_t个帧长为Fr的子信号段，每一子信号段即为一帧，对每个子信号段进行Fr点的离散傅里叶变换，得到如下的宽带信号模型：

X_s(f_l)＝a(f_l,θ)S_s(f_l)+N_s(f_l),l＝1,2,...,F_r；s＝1,2,...,N_t；

其中，X_s(f_l)和N_s(f_l)是M×1维矢量，其元素分别是由第s帧中麦克风阵列接收信号x_s(t)和噪声n_s(t)在频率f_l处的离散傅里叶系数构成，而S_s(f_l)的元素是由无噪声的信号s_s(t)的离散傅里叶系数构成；

当声源角度为θ时，麦克风阵列在f_l频率点处的导向矢量为：

利用非相干信号子空间方法估计声源方向，首先估计f_l频率点数据X_s(f_l)的协方差矩阵：

R_s(f_l)＝E[X_s(f_l)X_s(f_l)^H]；

其中，E[·]表示求期望的操作；

接着对其进行特征分解，得到正交的信号子空间U_S(f_l)和噪声子空间U_N(f_l)；最后，综合利用所有频率点的噪声子空间，采用MUSIC算法估计声源方向：

根据球磨机设备实际的运作状态，球磨机设备内介质球只可能在某个角度范围内与衬板撞击，在对空间谱搜索的过程中，设定搜索的角度间隔以及角度范围，找出空间谱的峰值对应的角度，即得到最终的撞击角度信息；

所述根据撞击角度信息与物料线的关系，检测球磨机设备的工作状态包括：

在保持球磨机设备内物料和介质球体积一定的情况下，物料线的位置是球磨机滚筒转速的函数，将这个函数假设为线性函数，在每一个滚筒转速条件下，都有一个相应的物料线位置；根据实际生产过程中积累的先验知识，在固定的一段时间内正常转速下介质球撞击衬板的次数在(v1,v2)范围内；

根据撞击角度信息，统计在固定时间内在物料线上方的撞击次数，如果大于v2，则表明当前球磨机设备处于高速状态，需要降低球磨机转速；如果统计的撞击次数小于v1，则表明当前球磨机设备处于低速状态，需要提高球磨机转速；如果统计的撞击个数在(v1,v2)范围内，则表明当前球磨机设备处于正常转速状态，维持当前转速即可。

2.根据权利要求1所述的一种通过声源定位实现球磨机设备工作状态检测的方法，其特征在于，所述利用麦克风阵列采集信号的能量信息，挑选出疑似介质球撞击衬板的信号段的步骤包括：

麦克风阵列接收的信号如下：

x_i(t)＝s(t-τ_i)+n_i(t),i＝1,2,...,M；

其中，x_i(t)为t时刻第i个麦克风通道接收到的时域信号，s(t)表示介质球撞击衬板的信号，当没有介质球撞击衬板时s(t)＝0，τ_i表示撞击信号到达第i个麦克风通道相对于到达参考麦克风通道的时延，n_i(t)表示第i个麦克风通道接收的所有噪声，M表示麦克风个数；

对于第i个麦克风通道，在球磨机设备开机后并进入稳定工作状态后，获得时间长度为T分钟的采样数据，计算采样数据的能量，作为初始能量：

其中，norm是矢量2范数，为第i个麦克风通道接收到的长度为T分钟的离散数据，x_i(k)为第i个麦克风通道接收到的第k个点的离散数据；

对于第i个麦克风通道，在球磨机设备工作后，实时获取声音数据，当累计到T分钟的数据时，作为一个数据段；计算该数据段的能量TP_i，并按下式计算其能量与初始能量P_i的比值：

RP_i＝TP_i/P_i；

对第i个麦克风通道的该数据段以帧长为Fr进行分帧，并且相邻帧之间没有重叠，得到N帧数据，接着计算第s帧数据的能量

然后，计算第i个麦克风通道所有帧的平均能量值，作为比较的参考：

AE_i＝TP_i/N；

从而初步挑选出第i个麦克风通道中符合条件的疑似介质球撞击衬板的信号帧以及其索引：

统计每一个帧索引在所有麦克风通道初步挑选的信号帧中出现的次数，如果有一半以上麦克风通道包含当前信号帧索引，则认为当前信号帧数据包含有撞击信号，并保存当前信号帧的数据；

将每个通道最终挑选出信号帧的数据各自拼接在一起，构成疑似介质球撞击衬板的信号段，该信号段是一个M行，N_t×Fr列矩阵，其中N_t是挑选后的帧数。