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1、现代信号处理技术及应用现代信号处理技术及应用第六章 连续小波变换及其工程应用西安交通大学机械工程学院研究生学位课程西安交通大学机械工程学院研究生学位课程12/21/2022机械工程及自动化研究所第六章第六章 连续小波变换及其工程应用连续小波变换及其工程应用6.1 6.1 谐波小波变换及其工程应用谐波小波变换及其工程应用6.2 6.2 LaplaceLaplace小波特征波形相关滤波小波特征波形相关滤波 6.3 6.3 HermitianHermitian连续小波变换与信号奇异性识别连续小波变换与信号奇异性识别引言引言小波分析中被广泛使用的小波分析中被广泛使用的Daubechies类小波与样条类
2、小波与样条小波都是实小波，它们没有明确的解析表达式，对小波都是实小波，它们没有明确的解析表达式，对信号的小波分解是通过构造相应的正交滤波器系数信号的小波分解是通过构造相应的正交滤波器系数hk和和gk运用运用Mallat快速算法实现的。快速算法实现的。除了这两类小波，其它类型的小波基函数也被陆续除了这两类小波，其它类型的小波基函数也被陆续构造出来并且得到了深入研究和工程运用。构造出来并且得到了深入研究和工程运用。本章介绍三种在工程实际应用中取得了理想效果的本章介绍三种在工程实际应用中取得了理想效果的连续小波基函数，它们都具有明确的解析表达式。连续小波基函数，它们都具有明确的解析表达式。这三种连续
3、小波分别是这三种连续小波分别是谐波小波、谐波小波、Laplace小波和小波和Hermitian小波。小波。6.1 6.1 谐波小波变换及其工程应用谐波小波变换及其工程应用6.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性6.1.2 Newland快速算法快速算法6.1.3 谐波小波时频图谐波小波时频图6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波6.1.5 谐波小波应用谐波小波应用n小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算n 谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述6.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性谐
4、波小波谐波小波(harmonic wavelet)是由剑桥大学是由剑桥大学D.E.Newland教授在教授在1993年提出的。年提出的。谐波小波是一种复小波，在频域紧支，有明确的函谐波小波是一种复小波，在频域紧支，有明确的函数表达式，其伸缩与平移构成了数表达式，其伸缩与平移构成了L2(R)空间的规范空间的规范正交基。正交基。谐波小波小波具有完全谐波小波小波具有完全“盒形盒形”的频谱。的频谱。谐波小波分解算法是通过信号的快速傅里叶变换谐波小波分解算法是通过信号的快速傅里叶变换（FFT）及其逆变换（）及其逆变换（IFFT）实现的，算法速度快，）实现的，算法速度快，精度高，因而具有很好的工程应用价值
5、。精度高，因而具有很好的工程应用价值。6.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性实偶函数实偶函数we(t)和实奇函数和实奇函数wo(t),它们的傅里叶变换分别为它们的傅里叶变换分别为 6.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性W()所对应的函数所对应的函数w(t)=we(t)+iwo(t)由由W()的傅里叶的傅里叶逆变换得逆变换得 w(t)函数为谐波小波，它是复小波，在频域紧支，且具有完函数为谐波小波，它是复小波，在频域紧支，且具有完全全“盒形盒形”的频谱。的频谱。6.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性根据小波理论对谐波小波进行伸缩、平移就生成谐波小波根
6、据小波理论对谐波小波进行伸缩、平移就生成谐波小波函数族（函数族（j,k Z）：）：设设w(t)伸缩平移得到函数族为伸缩平移得到函数族为v(t)，即，即 v(t)=w(2jt-k)其频谱为其频谱为随着小波层（即随着小波层（即j）的变）的变大，谐波小波的频谱宽大，谐波小波的频谱宽度倍增而幅值降低度倍增而幅值降低分析频宽从高频到低频是以分析频宽从高频到低频是以1/21/2关系逐渐减小的，对信号的低频关系逐渐减小的，对信号的低频部分划分比较细，而高频部分划分比较粗，这说明谐波小波分部分划分比较细，而高频部分划分比较粗，这说明谐波小波分解是一种小波分解解是一种小波分解 04163281/2,j=021/
7、8,j=21/16,j=31/4,j=16.1.1谐波小波的定义及正交性谐波小波的定义及正交性当当j 0，W()与与V()在频域中总处于不同的频段，因而总有在频域中总处于不同的频段，因而总有说明处于不同层的谐波小波总是正交的说明处于不同层的谐波小波总是正交的 对于处于同层的谐波小波对于处于同层的谐波小波w(t)，w(t k),其中其中(k 0,k Z)，说明处于第零层的谐波小波也是正交的。对其它层，以上说明处于第零层的谐波小波也是正交的。对其它层，以上结论可以类似得到结论可以类似得到。因此，因此，w w(t t)及其伸缩平移函数族构成信号的正交基。以谐波小及其伸缩平移函数族构成信号的正交基。以
8、谐波小波作为基函数系就可以将信号既不交迭，又无遗漏地分解到相波作为基函数系就可以将信号既不交迭，又无遗漏地分解到相互独立的空间，实现将信号成分分解到不同频段互独立的空间，实现将信号成分分解到不同频段 。=6.1.2 Newland快速算法快速算法谐波小波构成了谐波小波构成了L2(R)空间的规范正交基，则任何信号空间的规范正交基，则任何信号x(t)L2(R)都可以表示为谐波小波的线性和，即都可以表示为谐波小波的线性和，即aj,k为函数为函数x(t)的小波展开系数的小波展开系数 用求内积的方法计算小波展开系数运算量太大，是很不实用的。用求内积的方法计算小波展开系数运算量太大，是很不实用的。因此谐波
9、小波的提出者因此谐波小波的提出者NewlandNewland给出了一种快速算法，可以快给出了一种快速算法，可以快速而精确地求得谐波小波分解，对谐波小波运用于工程实践有速而精确地求得谐波小波分解，对谐波小波运用于工程实践有很大好处。很大好处。6.1.2 Newland快速算法快速算法Newland快速算法是通过信号的快速傅里叶变换快速算法是通过信号的快速傅里叶变换FFT和快速傅和快速傅里叶逆变换里叶逆变换IFFT实现。设有离散信号实现。设有离散信号x(r)，r=0,N 1,其中其中N=2n，其谐波小波分解为，其谐波小波分解为as,s=0,N 1。令。令as由由Fs经分段、对每一段作经分段、对每一
10、段作IFFT得到，下两式为其表达式：得到，下两式为其表达式：6.1.2 Newland快速算法快速算法下图表示一数据长度为下图表示一数据长度为16的实序列的谐波小波分解示意图的实序列的谐波小波分解示意图6.1.3 谐波小波时频图谐波小波时频图谐波小波分解结果一般用谐波小波分解结果一般用小波时频图（小波时频图（Wavelet Time-Frequency Map）直观表示。）直观表示。在各网格以在各网格以as模的平方为高模的平方为高作柱体就构成了谐波小波作柱体就构成了谐波小波时频图。小波时频图是随时频图。小波时频图是随|as|2起伏的面。这里高度取起伏的面。这里高度取lg|as|2。由由Pars
11、eval公式得到公式得到，谐波小波分解结果表明不同频率和谐波小波分解结果表明不同频率和时间的谐波小波能量对整个信号能量贡献的大小时间的谐波小波能量对整个信号能量贡献的大小 6.1.3 谐波小波时频图谐波小波时频图下图为信号下图为信号x(r)=sin(2 15tr)，(r=0,511；tr=r/320)的波形及谐波小波分解时频图。该信号是单一频率的，的波形及谐波小波分解时频图。该信号是单一频率的，所以谐波小波分解只有一个层有值，在小波时频图上表现为所以谐波小波分解只有一个层有值，在小波时频图上表现为对应的层有峰值。对应的层有峰值。谐波小波分解系数，低频频带内的数据点数少，高频频带内谐波小波分解系
12、数，低频频带内的数据点数少，高频频带内的数据点数多。的数据点数多。6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波旋转机械状态监测与故障诊断利用机组同一截面两路相互垂旋转机械状态监测与故障诊断利用机组同一截面两路相互垂直振动信号的合成轴心轨迹来监测其运行状态和识别故障类直振动信号的合成轴心轨迹来监测其运行状态和识别故障类型。当设备出现故障时，信号表现出非平稳特性，而小波变型。当设备出现故障时，信号表现出非平稳特性，而小波变换对处理非平稳信号是非常有效的，我们可以用相互垂直的换对处理非平稳信号是非常有效的，我们可以用相互垂直的X方向与方向与Y方向的小波分解结果来合成轴心轨迹。方向的小波分解结果来合成轴心轨迹
13、。Mallat算法分解时要隔二抽一，从而使得小波分解各层的数算法分解时要隔二抽一，从而使得小波分解各层的数据点数和采样频率随分解层次增加而逐渐减小。这样，直接据点数和采样频率随分解层次增加而逐渐减小。这样，直接对运行转子垂直、水平方向振动信号进行小波分解，采用同对运行转子垂直、水平方向振动信号进行小波分解，采用同一尺度同一频段的分解数据合成轴心轨迹，将使轴心轨迹不一尺度同一频段的分解数据合成轴心轨迹，将使轴心轨迹不但不具有可比性，而且由于数据点数减少、采样频率降低会但不具有可比性，而且由于数据点数减少、采样频率降低会使合成的轴心轨迹失真，这种直接合成轴心轨迹的方法是不使合成的轴心轨迹失真，这种
14、直接合成轴心轨迹的方法是不合适的。合适的。谐波小波滤波能够在低频频带和高频频带内都具有足够的数谐波小波滤波能够在低频频带和高频频带内都具有足够的数据点数。据点数。6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波谐波小波实际上是一个完全理想的带通滤波器谐波小波实际上是一个完全理想的带通滤波器，可以用下，可以用下面的方法定义谐波小波面的方法定义谐波小波 其中其中m,n决定了谐波小波变换的尺度（决定了谐波小波变换的尺度（j），且），且n=2m，当当m=0时，时，n=1。谐波小波的光滑性，谐波小波的光滑性，“盒形盒形”谱特性，零相移特性以及明谱特性，零相移特性以及明显的数学表达式，使得我们可构造出不同尺度下各频段
15、序显的数学表达式，使得我们可构造出不同尺度下各频段序列数据点数不变、采样频率不变的算法，最终成功应用于列数据点数不变、采样频率不变的算法，最终成功应用于转子轴心轨迹分析转子轴心轨迹分析 6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波为了对信号的某一特定频段的成分进行研究，在对信号的谐为了对信号的某一特定频段的成分进行研究，在对信号的谐波小波分解进行重构时可将其它频段的谐波小波系数置为波小波分解进行重构时可将其它频段的谐波小波系数置为“0”，只保留该段的小波系数，由于谐波小波的正交性，只保留该段的小波系数，由于谐波小波的正交性，如此重
16、构的结果只包含信号该频段的成分，其它成分都被剔如此重构的结果只包含信号该频段的成分，其它成分都被剔除了。除了。这个算法与本节开始所给出的算法是一致的，实际是这个算法与本节开始所给出的算法是一致的，实际是谐波小波重构算法的延伸，是对信号进行了滤波，我们称这谐波小波重构算法的延伸，是对信号进行了滤波，我们称这一过程为谐波小波滤波。一过程为谐波小波滤波。谐波小波滤波计算过程并未采用基于隔二抽取的谐波小波滤波计算过程并未采用基于隔二抽取的Mallat算法，算法，因此保证了信号各频段成分点数不变，采样频率不变，这样因此保证了信号各频段成分点数不变，采样频率不变，这样就可以实现机组同一截面互相垂直两个方向
17、振动信号的轴心就可以实现机组同一截面互相垂直两个方向振动信号的轴心轨迹合成。轨迹合成。6.1.4 谐波小波滤波谐波小波滤波谐波小波包变换谐波小波包变换6.1.5 谐波小波应用谐波小波应用小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述 小波变换只是把信号从时间域变换到时间小波变换只是把信号从时间域变换到时间-尺度尺度域或时间域或时间-频率域，如何从小波变换后的信号中提取频率域，如何从小波变换后的信号中提取机械动态信息和故障特征才是工程应用领域最关心的机械动态信息和故障特征才是工程应用
18、领域最关心的问题。因此，为了使小波分析技术达到工程实用化，问题。因此，为了使小波分析技术达到工程实用化，必须研究开发小波变换信号再处理技术必须研究开发小波变换信号再处理技术小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算分形的自相似仿射算子分形的自相似仿射算子r与小波变换的伸缩因子与小波变换的伸缩因子a是作用相同，是作用相同，小波变换从低分辨到高分辨的过渡原则与分形过程的从总体小波变换从低分辨到高分辨的过渡原则与分形过程的从总体向局部、从宏观向微观深化分析原则是一致的，小波和分形向局部、从宏观向微观深化分析原则是一致的，小波和分形都具有自相似性，两者结合是可行的。都
19、具有自相似性，两者结合是可行的。小波分形技术原理是应用小波包变换将机械振动信号分解到小波分形技术原理是应用小波包变换将机械振动信号分解到正交的、独立的频带内，然后分别计算出每个频带信号的盒正交的、独立的频带内，然后分别计算出每个频带信号的盒维数，维数，用盒维数衡量小波包分解每个频带信号的复杂程度用盒维数衡量小波包分解每个频带信号的复杂程度由于一维离散信号的盒维数是介于由于一维离散信号的盒维数是介于1和和2之间的一个实数，之间的一个实数，信号越复杂维数越大信号越复杂维数越大 分形分形小波小波Mandelbrot集合小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算设离散
20、信号设离散信号 是是n维欧氏空间维欧氏空间Rn上的闭集。将上的闭集。将Rn划分成尽可能细的划分成尽可能细的网格，若网格，若N是网格宽度为是网格宽度为的离散的离散空间上集合空间上集合X的网格计数。盒维数定义为的网格计数。盒维数定义为:由于离散信号的最高分辩率为采样间隔由于离散信号的最高分辩率为采样间隔t，所以上式的极限，所以上式的极限是无法按其定义是无法按其定义0 0求出。实际计算时一般采用近似方法，求出。实际计算时一般采用近似方法，即将即将网格视为最小网格，然后逐步放大为网格视为最小网格，然后逐步放大为k网格，网格，kZ+，令，令则网格宽度为则网格宽度为k的信号的信号x(j)的网格计数为的网格
21、计数为 小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算小波分形技术原理与离散信号盒维数的计算在在lg k lg Nk图中确定线性好的一段为信号无标度区图中确定线性好的一段为信号无标度区，如果无标度区的起点和终点分别为如果无标度区的起点和终点分别为k1，k2，则在此区域内，则在此区域内，应该满足线性回归模型应该满足线性回归模型 这样，用最小二乘法可求得信号这样，用最小二乘法可求得信号x(j)的盒维数为的盒维数为即盒维数是最小二乘法拟合直线斜率的估计值即盒维数是最小二乘法拟合直线斜率的估计值小波分解小波分解l次后第次后第i频带信号频带信号 的盒维数分别记为的盒维数分别记为 ，可以作为无量纲指标来描述振动信
22、号在不同尺度下和不同，可以作为无量纲指标来描述振动信号在不同尺度下和不同频带内的复杂性和不规则性，从而提取出故障出现时信号的频带内的复杂性和不规则性，从而提取出故障出现时信号的非平稳特征。非平稳特征。谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述 某大型化肥厂某大型化肥厂CO2压缩机发生喘振时，压缩机发生喘振时，高压缸水平方向（高压缸水平方向（X方向）和垂直方向（方向）和垂直方向（Y方向）由涡流式位移传感器拾取的振方向）由涡流式位移传感器拾取的振动信号，转子转速动信号，转子转速6530r/min，采样频率，采样频率2000Hz，数据长度，数据长度1024点
23、。点。轴心轨迹较为复杂且不规则，加之较轴心轨迹较为复杂且不规则，加之较小的高倍工频分量影响使得轴心轨迹小的高倍工频分量影响使得轴心轨迹有一些局部能量突变点，且其分形盒有一些局部能量突变点，且其分形盒维数为维数为1.384,1.384,数值比较大。数值比较大。谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述X方向、方向、Y方向信号的第方向信号的第2层谐波小波包分解层谐波小波包分解 与第与第0频段合成频段合成轴心轨迹及其分形盒维数轴心轨迹及其分形盒维数第第0 0频段小波对应的是低频喘振、频段小波对应的是低频喘振、工频振动和二倍频振动的特征，工频振动和二倍频振动的
24、特征，高倍工频分量影响已剔除，轴心高倍工频分量影响已剔除，轴心轨迹光滑度提高，不规则度减少，轨迹光滑度提高，不规则度减少，其分形盒维数其分形盒维数1.35361.3536相对原始轴相对原始轴心轨迹也有所减少心轨迹也有所减少谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述谐波小波轴心轨迹阵列的实现及其不规则度描述第第3层谐波小波层谐波小波包分解后，第包分解后，第0、1频段合成轴心频段合成轴心轨迹及分形盒轨迹及分形盒维数维数 图图(d)(d)分形盒维数分形盒维数1.26041.2604较较前图有所减少，但其分形前图有所减少，但其分形盒维数为明显比正常机组盒维数为明显比正常机组大，这说明低频喘振的确大，这
25、说明低频喘振的确是一种低频不平稳性振动。是一种低频不平稳性振动。图图(f)(f)的的1.35011.3501盒维数说明盒维数说明低频喘振不但自身是不平低频喘振不但自身是不平稳的晃动，而且影响着二稳的晃动，而且影响着二倍频区的稳定性，导致二倍频区的稳定性，导致二倍频区也有晃动现象发生倍频区也有晃动现象发生6.2 6.2 LaplaceLaplace小波特征波形相关滤波小波特征波形相关滤波6.2.1 Laplace小波及其特性小波及其特性6.2.2 Laplace小波基函数相关滤波小波基函数相关滤波6.2.3 应用实例应用实例冲击响应信号检测的意义冲击响应信号检测的意义振振动动信号中出信号中出现现
26、冲冲击击响响应应波形往往波形往往标标志着旋志着旋转转机械机械设备发设备发生生松松动动、碰撞、冲、碰撞、冲击击等故障。如何从等故障。如何从强强大的工大的工频频振振动动、谐谐波振波振动动和背景噪声中提取出冲和背景噪声中提取出冲击击响响应应信号的信号的发发生生时时刻、振刻、振荡频荡频率率和阻尼比等参数和阻尼比等参数对设备对设备故障的故障的诊诊断和定位至关重要。断和定位至关重要。在往复机械中，活塞、在往复机械中，活塞、连连杆、气杆、气阀阀等运等运动动部件部件对对系系统统具有相具有相同的激励同的激励频频率，在率，在频谱频谱上上频频率特征互相重叠，很率特征互相重叠，很难难分辨。然分辨。然而，各个运而，各个
27、运动动部件部件对对系系统统施加的冲施加的冲击击并非同并非同时发时发生，即相互生，即相互之之间间有一定的相位差，因此在有一定的相位差，因此在时时域上表域上表现为现为一系列有一定一系列有一定时时间间间间隔的冲隔的冲击击响响应应波形，每一个冲波形，每一个冲击频击频率与某个特定运率与某个特定运动动部部件相件相对应对应，如果将，如果将这这些些单单个冲个冲击击响响应应波形提取出来，分波形提取出来，分别别用用特征参数表示，即可特征参数表示，即可对对往复机械机构的状往复机械机构的状态进态进行行趋势趋势分析和分析和诊诊断，因此，冲断，因此，冲击击响响应应信号的提取信号的提取对对往复机械故障往复机械故障诊诊断意断
28、意义义重大重大。LaplaceLaplace小波的引入小波的引入使用与信号波形最匹配的基函数对信号进行分解、提取出隐使用与信号波形最匹配的基函数对信号进行分解、提取出隐含故障特征是故障诊断专科门诊思想的精髓。含故障特征是故障诊断专科门诊思想的精髓。自从将小波分析引入到机械故障诊断领域以来，我们就一直自从将小波分析引入到机械故障诊断领域以来，我们就一直在寻找一种小波，它在满足小波的基本条件的同时，应该具在寻找一种小波，它在满足小波的基本条件的同时，应该具备与冲击响应信号类似的单边衰减性质。备与冲击响应信号类似的单边衰减性质。对一个二阶欠阻尼系统进行对一个二阶欠阻尼系统进行LaplaceLapla
29、ce反变换，反变换，StrangStrang G.G.构造构造出了出了LaplaceLaplace小波，该小波在复数空间内为螺旋衰减曲线，小波，该小波在复数空间内为螺旋衰减曲线，其实部和虚部与单自由度结构系统的自由衰减响应函数非常其实部和虚部与单自由度结构系统的自由衰减响应函数非常相似。相似。Lawrence C.Lawrence C.FreudingerFreudinger等人将等人将LaplaceLaplace小波成功应小波成功应用于无人驾驶飞机机翼模态参数的识别，取得了良好的效果用于无人驾驶飞机机翼模态参数的识别，取得了良好的效果LaplaceLaplace小波及其特性小波及其特性 与单
30、自由度结构系统的自与单自由度结构系统的自由衰减响应函数非常相似由衰减响应函数非常相似紧支性显而易见紧支性显而易见，不具备不具备正交性正交性，其频域盒形不好，其频域盒形不好，故滤波特性较差。故滤波特性较差。离散网格空离散网格空间间 Laplace小波基函数小波基函数库库 称作称作Laplace小波基函数小波基函数库库的小波原子。的小波原子。集合集合F 相当于小波伸相当于小波伸缩缩集合集合T 相当于小波平移相当于小波平移集合集合Z 改改变变小波衰减形状小波衰减形状 相关滤波法相关滤波法 内积可以度量信号之间的相关性内积可以度量信号之间的相关性，若信号若信号x(t)是某个系统是某个系统S S的的输出
31、，通过计算输出，通过计算x(t)与与LaplaceLaplace小波原子的内积，可以估计它小波原子的内积，可以估计它们之间的相似性，从而得到们之间的相似性，从而得到S S的模态参数与的频率、阻尼特性的模态参数与的频率、阻尼特性的对应关系的对应关系,和匹配追踪的思想类似和匹配追踪的思想类似 单单自由度系自由度系统统的脉冲响的脉冲响应应信号信号 lLaplace小波相关小波相关滤滤波方法具波方法具备备在在强强大的噪声干大的噪声干扰扰中准确中准确识别识别出脉冲响出脉冲响应应信号信号频频率的能力。率的能力。l滤滤波法波法对频对频率参数率参数较较敏感敏感。l相关相关滤滤波法也适合于波法也适合于识别识别多
32、自由度系多自由度系统统的模的模态态参数。参数。l相关相关滤滤波法的波法的计计算量很大，算量很大，为为了减少了减少计计算量，加速算量，加速计计算算过过程，程，可可采用二次相关采用二次相关滤滤波法。波法。大型水轮机轴系转动时一阶固有频率提取大型水轮机轴系转动时一阶固有频率提取 大型水大型水轮发电轮发电机机组转轴组转轴系系统动态统动态固有固有频频率是率是机机组结组结构构优优化化设计设计的重要技的重要技术术指指标标。虽虽然然动动力学方法已力学方法已经经在水在水轮发电轮发电机机组转轴组转轴系系统统分析分析中得到广泛中得到广泛应应用用97-99，但，但简简化化处处理后的力学理后的力学模型是近似的，由其得到
33、的模型是近似的，由其得到的结结果和果和实际实际工程工程对对象往往存在很大的差象往往存在很大的差别别，因此，因此，现场实测现场实测机机组轴组轴系的固有系的固有频频率具有十分重要的意率具有十分重要的意义义 意义意义难点难点大型水大型水轮发电轮发电机机组转轴组转轴系为刚性转子，系为刚性转子，无法通多升降速测量固有频率无法通多升降速测量固有频率敲击产生的响应很微弱敲击产生的响应很微弱工作工作转转速速为为1.136Hz，轴轴系系转动时转动时的一的一阶阶固有固有频频率率的理的理论计论计算算值为值为3.78Hz，试验试验估估计值计值可能在可能在34Hz之之间间 一次撞击振动信号识别一次撞击振动信号识别 多次
34、撞击振动信号识别多次撞击振动信号识别 提高识别精度提高识别精度 从两种信号提取出的水从两种信号提取出的水轮轮机机轴轴系固有系固有频频率（率（3.44Hz、3.64Hz）不完全相等，主要原因是不完全相等，主要原因是强强大的工大的工频频振振动对动对相关相关滤滤波精度造成波精度造成的影响的影响。应应用用频带为频带为36Hz的的谐谐波小波波小波带带通通滤滤波器波器，将信号，将信号中的工中的工频频振振动动分量分量滤滤掉掉 内燃机缸盖振动信号识别内燃机缸盖振动信号识别是是进进气气阀阀关关闭时闭时刻，刻，由此可以推断由此可以推断该该缸缸进进气气阀阀存在异常。存在异常。停机停机检检修，修，发现发现4号缸号缸进
35、进气气阀阀明明显显磨磨损损而而导导致漏气致漏气，必必然然导导致致较较强强的冲的冲击击 小结小结l冲击响应信号的有效提取和参数的正确识别对设备故障的诊断和定位至关重要。本章利用Laplace小波相关滤波法，建立了基于Laplace小波的冲击响应信号检测专科门诊。lLaplace小波相关滤波法能够在强大噪声或其它干扰中准确捕捉到脉冲响应信号，识别出响应波形的参数。l可以预测，Laplace小波相关滤波法在模态识别和设备故障诊断中具有良好的应用前景。6.3 6.3 HermitianHermitian连续小波变换与连续小波变换与 信号奇异性识别信号奇异性识别6.3.1 机械故障诊断中的奇异性机械故障
36、诊断中的奇异性6.3.2 小波变换对信号奇异性检测的基本原理小波变换对信号奇异性检测的基本原理6.3.3 Hermitian小波的定义及特性研究小波的定义及特性研究6.3.4 Hermitian连续小波变换及分解结果的表达连续小波变换及分解结果的表达方式方式信号奇异性检测的意义信号奇异性检测的意义u机械机械设备设备由于局部异常而由于局部异常而诱发诱发的信号往往具有奇异性的信号往往具有奇异性（Singularity），），它表它表现为现为突突变变、尖点等不、尖点等不规则规则的瞬的瞬变结变结构。构。信号的奇异性包含了相信号的奇异性包含了相应对应对象的重要状象的重要状态态特征信息，判断信特征信息，判
37、断信号的奇异点出号的奇异点出现时现时刻，并刻，并对对信号奇异性信号奇异性实现实现科学的描述，在科学的描述，在信号信号处处理和故障理和故障诊诊断等断等领领域具有重要的意域具有重要的意义义 u奇异性提取要求奇异性提取要求对对信号信号进进行局部化分析。由于小波分析具有行局部化分析。由于小波分析具有良好的良好的时时频频(尺度尺度)局部化能力，它很自然被引入到信号奇局部化能力，它很自然被引入到信号奇异性分析异性分析领领域域 u小波小波变换变换奇异性奇异性检测检测的研究工作主要包括两个方面：一是的研究工作主要包括两个方面：一是选选择择或构造局部化分析能力或构造局部化分析能力强强的小波，二是研究小波的小波，
38、二是研究小波变换结变换结果果的有效表达方式的有效表达方式 小波变换对信号奇异性检测的基本原理小波变换对信号奇异性检测的基本原理 奇异性的定义奇异性的定义 数学上称无限次可数学上称无限次可导导函数是光滑的或没有奇异性。若函数函数是光滑的或没有奇异性。若函数在某在某处处有有间间断点或某断点或某阶导阶导数不数不连续连续，则则称称该该函数在此函数在此处处有有奇异性，奇异性，该该点就是奇异点。信号的奇异性是由奇异点点就是奇异点。信号的奇异性是由奇异点处处的的李氏指数（李氏指数（Lipschitz Exponents,LE）来度量的来度量的 小波变换的极值点、过零点与信号奇异小波变换的极值点、过零点与信号
39、奇异性的联系性的联系 小波变换在奇异性检测中的进展小波变换在奇异性检测中的进展 GrossmannGrossmann采用采用MorletMorlet小波用于图像的边缘检测小波用于图像的边缘检测-20-100102000.20.40.60.8-4-2024-1-0.500.51在支撑区域内在支撑区域内Morlet小波是多次振小波是多次振荡荡的的，根据根据Nyquist采采样样定理，在离散定理，在离散处处理理时时需要需要较较多的数据点来表达多的数据点来表达Morlet小波。小波。点数点数较较多的多的滤滤波器必然会平滑掉信号中的部分奇异性波器必然会平滑掉信号中的部分奇异性104，所以，奇异性，所以，
40、奇异性检测检测需要振需要振荡荡次数次数较较少的小波，少的小波，这这正是本正是本章章选择选择Hermitian小波的出小波的出发发点点 Mallat通过小波变换来求解LE，还研究了基于小波变换的奇异点信号重构，这些研究工作在信号压缩和图像识别中具有重大的贡献。然而，就机械故障然而，就机械故障诊诊断而言，我断而言，我们们所关心的所关心的问题问题是信号奇是信号奇异点的出异点的出现时现时刻和它的刻和它的类类型型。对对信号的信号的过过渡点比渡点比较较敏感，而敏感，而 则则适合于适合于识识别别信号的极信号的极值值点。若需要同点。若需要同时识别时识别出信号的出信号的过过渡点和极渡点和极值值点点，两者，两者不
41、能兼不能兼顾顾。lHarold Harold SzuSzu创创造性地将造性地将 合并合并为为HermitianHermitian小小波。美中不足的是，波。美中不足的是，Harold Harold SzuSzu只通只通过过小波小波变换变换相空相空间间截面截面图图（相（相图图）来）来对对信号奇异性信号奇异性进进行行识别识别，忽略了小波，忽略了小波变换时间变换时间-尺度幅尺度幅值图值图（幅（幅图图）所包含的重要信息，没有真正）所包含的重要信息，没有真正发挥发挥出出HermitianHermitian小波的小波的优优点。点。HermitianHermitian小波的定义及特性研究小波的定义及特性研究-
42、505-0.500.5-10-5051000.51-10-50510-101-10-50510-1012只需要少量离散点即可表达只需要少量离散点即可表达，具有很具有很强强的的时时域局部化能力域局部化能力能保能保证变换证变换后信号奇异点的后信号奇异点的时间时间位置不位置不变变 HermitianHermitian连续小波变换及分解结果的表达方式连续小波变换及分解结果的表达方式 连续小波变换连续小波变换l连续小波变换的幅图和相图连续小波变换的幅图和相图 时间时间尺度平面内尺度平面内分别分别用灰度用灰度图图来描述来描述 上面两个参数，上面两个参数，就构造了就构造了的幅的幅图图和相和相图图幅幅图图和相
43、和相图图的黑、灰、白分的黑、灰、白分别对应别对应小、中、大小、中、大 考考虑虑到到Hermitian小波小波实实部部对对信号极信号极值值点的点的识别识别能力能力，本章在本章在绘绘制幅制幅图时图时使用了使用了小波变换的小波变换的实实部部 两个正弦叠加信号两个正弦叠加信号 瞬时相位瞬时相位从从 跳跳到到正峰值正峰值负峰值负峰值含有小准脉冲的正弦信号奇异性识别 Morlet小波小波对上面对上面信号信号进进行行变换结变换结果果 幅图清晰反映信号幅图清晰反映信号的周期性的周期性相相图图中中对对准脉冲的准脉冲的反映很不清楚，在反映很不清楚，在低尺度下，相低尺度下，相图图出出现现明明显显的分岔，因的分岔，因
44、此，此，Morlet小波不小波不善于在噪声善于在噪声环环境中境中提取信号的奇异性提取信号的奇异性 应用实例齿轮箱止推夹板端面摩擦故障分析应用实例齿轮箱止推夹板端面摩擦故障分析 分析对象分析对象电机转速电机转速49.75Hz，增速比增速比4.28125 振动现象振动现象 97年3月大修后开机，发现齿轮箱振动剧烈，并伴随尖叫声 空分机空分机5#轴承座振动信号轴承座振动信号 波形表现为强烈的高波形表现为强烈的高频振动。频谱中无法频振动。频谱中无法看到齿轮箱高速轴工看到齿轮箱高速轴工频谱线，而是出现频谱线，而是出现1480Hz、2960Hz和和4231Hz三处较为集中三处较为集中的谱峰，其边频带宽的谱
45、峰，其边频带宽度都为工频度都为工频213Hz，与机组的啮合频率、与机组的啮合频率、风机叶片转频比较，风机叶片转频比较，上述三个频率无一对上述三个频率无一对应。应。故障原因分析 幅幅图图出出现现了了7个相似的等个相似的等间间隔的明暗区域，而隔的明暗区域，而图图(a)恰好包含恰好包含了了7个回个回转转周期。在周期。在频谱频谱中被淹没的工中被淹没的工频频振振动动信息在小波信息在小波变变换换幅幅图图中很好地反映出来，再次体中很好地反映出来，再次体现现了利用幅了利用幅图进图进行多尺度行多尺度分析的分析的优优越性。越性。在尺度在尺度3.56的范的范围围内相内相图图中等中等间间隔出隔出现现了了7个向上个向上
46、的白色箭形区域。的白色箭形区域。说说明在明在这这些些时时刻刻5#轴轴承座振承座振动动信信号中出号中出现现了准脉了准脉冲奇异点。冲奇异点。故障排除和维修故障排除和维修 重新装配齿轮箱，保证止推夹板和大齿轮端面的平行。重新装配齿轮箱，保证止推夹板和大齿轮端面的平行。去掉止推夹板，将小齿轮轴承改为推力轴承来承担轴向力。去掉止推夹板，将小齿轮轴承改为推力轴承来承担轴向力。受条件限制，方法受条件限制，方法2无法无法实现实现，厂方在重新装配，厂方在重新装配齿轮齿轮箱箱时时打磨打磨了止推了止推夹夹板与大板与大齿轮齿轮的接触面，开机后振的接触面，开机后振动动明明显显降低，尖叫降低，尖叫声消失。声消失。小小齿轮齿轮每旋每旋转转1圈，将会圈，将会导导致止推致止推夹夹板和大板和大齿轮齿轮端面端面较较强强烈烈的接触摩擦的接触摩擦1次，从而次，从而对齿轮对齿轮箱箱产产生冲生冲击击