[发明专利]一种基于双麦克风的列车轴承轨边声学信号主动降噪方法

说明书

本发明公开了一种基于双麦克风的列车轴承轨边声学信号主动降噪方法，在铁轨旁放置两个麦克风，主麦克风正对轮对轴承，参考麦克风正对轮轨接触处，且两麦克风在同一垂线上，双麦克风同步采集轮对轴承发出的声音、轮轨接触噪声和背景噪声。然后对参考麦克风采集到的信号进行反调制与再调制处理，使得两麦克风采集到的噪声信号的多普勒畸变规律一致。最后运用最小均方算法完成列车轴承轨边声学信号的主动降噪。本发明采用双麦克风实现列车轴承轨边声学信号的去噪，具有使用麦克风数量较少、可消除带内噪声、自适应主动降噪的优点，能够有效提高列车轴承轨边声学信号的信噪比。本发明可用于列车轴承轨边声学故障诊断。

技术领域

本发明属于高速列车轴承故障诊断领域，尤其涉及一种基于双麦克风的列车轴承轨边声学信号主动降噪方法。

背景技术

列车作为世界范围内的一种重要交通运输工具，其安全运行直接关系到财产安全和乘客生命安全，而轮对轴承作为列车的关键部件，其健康状态的实时监测诊断尤为重要。轨边声学诊断技术利用放置在铁轨两侧的麦克风采集列车通过时轴承发出的声音信号，通过信号处理获取轴承健康状况信息。但由于轴承在故障早期发出的声音信号较为微弱，常被噪声淹没，给精确诊断带来了困难。在轨边声学诊断系统中，一般麦克风正对列车轴承放置，轮轨接触噪声距离麦克风较近，其信号能量也较大，因此消除轮轨接触噪声是提高轴承轨边信号信噪比的有效途径。在信号处理领域，传统的数字滤波技术难以消除带内噪声，并且容易造成目标声源信息失真的现象，去噪效果有待进一步提高。另一方面，现有的阵列方案使用的麦克风数量较多，阵列信号处理算法复杂，使用的指向性滤波器存在旁瓣，去噪效果有待提升。

发明内容

针对以上技术存在的不足，本发明提出一种基于双麦克风的列车轴承轨边声学信号主动降噪方法，方法中使用两个放置在铁轨旁的麦克风采集声信号，其中主麦克风正对轮对轴承，参考麦克风正对轮轨接触处，且两麦克风在同一垂直面上，列车通过时双麦克风同步采集轮对轴承发出的声音、轮轨接触噪声和背景噪声。然后对参考麦克风采集到的信号进行反调制与再调制处理，使得两麦克风采集到的噪声信号的多普勒畸变规律一致。最后运用最小均方算法将主麦克风中的噪声成分主动剔除，实现信号的去噪。本方法与现有的麦克风阵列技术相比，使用麦克风数量较少。同时具有可消除带内噪声、简单有效的优点，由于采用了主动降噪策略，方法具有自适应性，能够有效提高列车轴承轨边声学信号的信噪比。本发明可用于列车轴承轨边声学故障诊断。

本发明采用的技术方案为：基于双麦克风的列车轴承轨边声学信号主动降噪方法，实现步骤如下：

步骤(1-1)、在列车轨道旁边放置两个麦克风，其中主麦克风正对轮对轴承，参考麦克风正对列车与轮轨接触处，且两个麦克风在同一垂直面上。当列车高速通过时，两个麦克风同步采集轮对轴承发出的声音信号、轮轨接触噪声和背景噪声，主麦克风采集到的信号为pre(t)，参考麦克风采集到的信号为ref(t)。

步骤(1-2)、对参考麦克风采集到的信号ref(t)在时域和频域上进行反调制信号处理得到信号ref_correct(t)，然后对信号ref_correct(t)进行再调制处理得到信号ref_modulate(t)，使参考麦克风与主麦克风采集到的声信号多普勒畸变规律一致。

步骤(1-3)、采用最小均方算法进行主动降噪。

所述步骤(1-2)中，参考麦克风采集到的信号ref(t)进行反调制信号处理环节的步骤如下：

步骤(2-1)、根据声源发声时间序列t_e＝{0，1/f_s，2/f_s，…(N-1)/f_s}计算参考麦克风采集信号的时间序列其中，N为参考麦克风采集到的信号长度，f_s为参考麦克风采集到的声音信号的采样频率，s为信号起始时刻声源距离参考麦克风的水平距离，v为列车运动速度，r_2b为列车运动过程中轮轨接触处与参考麦克风之间的最短距离，c为声音在空气中的传播速度。