三项分析面向旋转机械的特有需求:跟踪周期性声音的基频、在没有接转速计时反推轴转速、 以及把一段齿轮箱录音浓缩为经典的齿轮状态指标。
它们构成一条自然的链条。基频追踪(YIN)跟随声音的音高; 声音测转速把音高换算成转速曲线;齿轮 TSA 指标再用一条转速曲线 (实测的或估计的)对信号作同步平均,提取 FM0、FM4、NA4*、ER 与 SBI。
YIN 通过寻找"信号自我重复得最好"的滞后来估计一帧的周期。它从平方差函数出发
波形重复处该函数取小值。由于在极短滞后处 d 也会因平凡原因变小,
它被替换为累积均值归一化差函数以消除该偏置,使单一绝对阈值变得可用:
取首个使 d′ 低于 YinThreshold 的滞后(并沿谷下行到局部最小);
若无滞后满足阈值,则取允许滞后范围内的全局最小值;若连该最小值仍然偏高,则该帧判为无声,输出为空。
选定的滞后再用相邻两点作抛物线插值细化,基频随之得出:
滞后搜索范围由 F0Min 与 F0Max 决定,积分长度为帧长的一半,
因此 YinFrameMs 的帧最多能分辨相当于其半长的周期。
当某次谐波瞬时占优时,逐帧音高估计偶尔会跳一个八度。宽度为 MedianWidth 帧的中值滤波
可以去掉这类孤立野点,而不会抹平真实的滑音。无声帧按空值透传:
若滤波窗内有效帧不足一半,输出帧保持为空,而不向邻帧借值。
曲线以 Hz 给出随时间的 F0;其单值为全部有声帧的中值,是对录音主导音高的稳健概括。
| 参数 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|
YinFrameMs | 50 ms | 帧长;须覆盖最低预期 F0 的至少两个周期 |
YinHopMs | 10 ms | 帧间推进 —— 即轨迹的时间分辨率 |
F0Min | 60 Hz | 搜索的最低基频 |
F0Max | 1600 Hz | 搜索的最高基频 |
YinThreshold | 0.1 | d′ 的绝对阈值;取值越小越严格,无声帧越多 |
MedianWidth | 5 | 中值滤波宽度(帧);请用奇数 |
阶次分析通常需要转速计或脉冲通道。若未录制,转速往往可以从声音本身反推: 旋转机械会在轴频的某个固定倍数上强烈辐射 —— 风机叶片数、电机极对数、齿轮齿数。 一旦该倍数已知,转速就可由跟踪到的基频直接得出:
内部先对逐帧 F0 轨迹作中值平滑,再线性插值成逐样本轨迹,因而得到的转速曲线是连续的, 可作为后续分析的转速源。显示曲线按跳步抽点输出,其单值为全部有效点的平均转速。
| 机器 | 主导成分 | FundamentalOrder |
|---|---|---|
| 轴流风机、鼓风机 | 叶片通过 | 叶片数 |
| 电机(电磁噪声) | 与供电相关的旋转阶次的二倍 | 取决于极对数与绕组 —— 用一次参考试验标定一次即可 |
| 齿轮级 | 齿轮啮合 | 被跟踪轴上的齿数 |
| 轴不平衡,一阶 | 每转一次 | 1(默认) |
最稳妥的确定方式是:录一次带真实转速计的运行,比较两条转速曲线,调整
FundamentalOrder 直到二者重合。此后即可单独使用估计值。
| 参数 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|
FundamentalOrder | 1 | 被跟踪成分相对轴转速的阶次;取值 ≤ 0 时按 1 处理 |
YinFrameMs | 50 ms | 同上 |
YinHopMs | 10 ms | 同上;也是输出点间距 |
F0Min | 10 Hz | 比音高分析更低,以覆盖低速轴 |
F0Max | 1600 Hz | 搜索的最高基频 |
YinThreshold | 0.1 | d′ 的绝对阈值 |
MedianWidth | 5 | 中值滤波宽度(帧) |
时域同步平均(TSA)是齿轮诊断的标准预处理。轴转角由逐样本转速积分得到,
信号按 SamplesPerRev 个等角度位置线性插值重采样,再把所有完整转叠加平均。
与轴同步的成分相干叠加;其余成分 —— 其他轴、噪声、非同步共振 ——
按转数的平方根衰减。
由于平均后的波形恰好为一转长,其傅里叶变换的第 k 根谱线就是阶次 k ——
齿数为 Z 的齿轮,其啮合成分恰好落在第 Z 根谱线上。
指标建立在三个派生信号之上,它们由 TSA 谱中选择性重构阶次得到:
| 信号 | 内容 | 作用 |
|---|---|---|
| Regular(规则) | 轴 1、2 阶,加啮合谐波 h · Z(h = 1…MeshHarmonics) | 健康齿轮应有的特征 |
| Residual(残差) | TSA 减去 Regular —— 保留边带 | 对局部齿缺陷造成的调制敏感 |
| Difference(差值) | 在残差基础上再去掉边带 h · Z ± s(s = 1…SidebandOrders) | 既非啮合、也非边带的孤立事件 |
记 A(o) 为 TSA 谱中阶次 o 的幅值,kurt(·) 为四阶中心矩除以方差平方:
| 指标 | 响应对象 | 典型行为 |
|---|---|---|
| FM0 | 啮合形态的重大改变 | 峰峰值增大而啮合幅值未同步增大时上升 —— 严重磨损、断齿 |
| FM4 | 一颗或少数几颗齿上的孤立缺陷 | 差值信号类噪声、齿轮健康时接近 3;出现局部损伤后上升 |
| NA4* | 缺陷及其调制边带 | 因保留了边带,早期阶段比 FM4 更敏感 |
| ER | 无法由规则特征解释的总体能量 | 损伤扩展到多颗齿时增大 |
| SBI | 啮合的一阶调制 | 直接度量啮合阶次旁边的边带水平 |
分析输出 0…360° 的 TSA 波形,并标注全部五项指标与参与平均的转数; 另有一条曲线按 FM0、FM4、NA4*、ER、SBI 的顺序承载这五个数值。
| 参数 | 默认值 | 说明 |
|---|---|---|
TeethCount | 必填 | 被跟踪轴上齿轮的齿数 Z;小于 2 时分析停止 |
SamplesPerRev | 512 | TSA 波形的角度分辨率;至少为 8,且应远大于 2 × 关注的最高阶次 |
SidebandOrders | 1 | 构造差值信号时,每个啮合谐波两侧各去掉几阶边带 |
MeshHarmonics | 3 | 计入规则信号与 FM0 分母的啮合谐波次数 |
RpmChannel | 自动 | tacho 通道;可用时优先使用脉冲解码转速 |
© 2026 Deepsona. All Rights Reserved.