最優(yōu)小波包變換在齒輪箱振動(dòng)信號(hào)去噪中的應(yīng)用研究

許亞男+王旭升

摘 要：通過(guò)對(duì)小波變換和小波包分析研究，尋找最優(yōu)小波包基，結(jié)合不同閾值去噪方法，對(duì)加噪信號(hào)以及齒輪箱振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理。實(shí)驗(yàn)表明最優(yōu)小波包基的懲罰閾值去噪結(jié)果比小波變換常用的stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值去噪結(jié)果和小波包默認(rèn)閾值去噪結(jié)果要好很多。該方法不僅可以有效去除噪聲，還可以很好地保留信號(hào)中的細(xì)節(jié)信息。

關(guān)鍵詞：小波變換；最優(yōu)小波包基；閾值函數(shù)；去噪方法

DOIDOI：10.11907/rjdk.162120

中圖分類號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2016）012-0153-03

0 引言

齒輪箱作為一種常用的機(jī)械設(shè)備，其內(nèi)部齒輪及軸承運(yùn)行狀態(tài)好壞直接影響生產(chǎn)線的工作效率。一般通過(guò)分析齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)對(duì)部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，判斷有沒(méi)有故障[1-2]。通常選擇齒輪箱的加速度信號(hào)作為振動(dòng)信號(hào)來(lái)反映其運(yùn)行狀態(tài)。在測(cè)量這個(gè)加速度信號(hào)時(shí)往往會(huì)摻雜一定噪聲，其它機(jī)器設(shè)備運(yùn)行也會(huì)帶來(lái)附加噪聲。所以，振動(dòng)信號(hào)含有許多復(fù)雜的噪聲信號(hào)，若要利用振動(dòng)信號(hào)分析齒輪箱工作狀態(tài)，首先要做的就是對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，這也是后續(xù)對(duì)機(jī)器故障進(jìn)行診斷的關(guān)鍵[3-4]。

以前使用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理有一定效果，但對(duì)復(fù)雜信號(hào)的噪聲去除效果不好。之后人們將信號(hào)由時(shí)間域變換到頻域來(lái)處理，比如傅里葉變換，這種方法比時(shí)域方法好，但是會(huì)丟失時(shí)間信息。上世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了小波變換這種比較好的信號(hào)處理方法，它具有很好的局部分析能力，對(duì)于一些復(fù)雜信號(hào)分析效果很好。小波變換將信號(hào)分為高頻和低頻兩部分，這樣可以幫助去除噪聲，提高信噪比。隨著小波理論的快速發(fā)展，小波變換在信號(hào)處理方面的應(yīng)用越來(lái)越廣，尤其在分析振動(dòng)信號(hào)這類非平穩(wěn)信號(hào)方面，小波變換有著重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

本文研究了小波與小波包變換基本理論，對(duì)閾值去噪方法作了詳細(xì)介紹，將各種閾值方法與小波分析以及小波包相結(jié)合，用于振動(dòng)信號(hào)去噪，取得了較滿意的效果。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基于Shannon 熵準(zhǔn)則的最優(yōu)小波包懲罰閾值[6] 去噪效果更好。

利用加速度傳感器獲得齒輪箱的一組加速度數(shù)據(jù)作為振動(dòng)信號(hào)，對(duì)這組振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行去噪處理結(jié)果如圖2所示。

選用“db2”小波進(jìn)行3層小波分解。小波包分解選用的是“db4”小波基，也進(jìn)行3層小波包分解，均選用軟閾值去噪函數(shù)。圖2（a）為振動(dòng)信號(hào)，圖2（b）為小波stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值去噪結(jié)果，圖2（c）為小波包默認(rèn)閾值去噪結(jié)果，圖2（d）為小波包最優(yōu)基懲罰閾值去噪結(jié)果。由圖2可以看出，圖2（d）的去噪效果最好，不但可以去除噪聲，細(xì)節(jié)信息也得到很好保留。由于獲得的振動(dòng)信號(hào)本身含有復(fù)雜噪聲，對(duì)其不含噪聲的信號(hào)無(wú)法獲得，所以就沒(méi)有辦法計(jì)算信噪比和均方誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

小波包可對(duì)小波變換沒(méi)有分解的高頻系數(shù)進(jìn)一步分解，提高了時(shí)頻分辨率。實(shí)驗(yàn)表明，小波包對(duì)去除普通噪聲信號(hào)以及實(shí)際齒輪振動(dòng)信號(hào)的噪聲均具有一定的效果。特別是當(dāng)選用最優(yōu)小波包基對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行懲罰閾值去噪時(shí)，可以得到比小波stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值去噪以及小波包默認(rèn)閾值去噪更好的效果。由此可以看出，小波基的選擇以及閾值的選取等是研究的重點(diǎn)，今后需要在這方面研究新的方法。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）