基于振动声辐射的机械设备故障检测技术研究

郑勇

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

以往对机械设备进行故障检测的时候，基本上都是以振动信号为基础实现的检测和分析，而对振动信号加以检测的相应传感器在很多工况环境以及设备当中难以安装，导致这种方法在使用上存在一定局限性。为了更加全面并有效的实现机械设备故障检测，本文以振动声辐射为基础，研究更为先进的机械设备故障检测技术，以推动故障检测技术的进一步发展。

1 基于振动声辐射的机械设备故障检测技术

1.1 声振耦合有限元

当在流体当中放置相关结构的时候，由于处于振动状态的结构与流体发生一定接触，在这个过程中与结构存在接触的流体也会发出一定振动，进而产生一定声压。研究耦合问题，主要就是对结构以及声场两者之间的相互作用进行研究，也就是在一个确定的耦合环境之下，通过科学计算同时获得声场分布以及结构振动相关状况。在空气场声振耦合系统当中，将声场V进行边界的科学划分，主要分为声振的耦合边界、速度边界、声阻抗边界以及声压边界，分别用Ωs、Ωv、Ωz和Ωp来表示。在该系统当中耦合边界位置上，流体实际振动速度与结构法线相应方向振动速度是一致的，用公式表示即为：该公式当中的p0代表的是流体密度，ω代表的是角频率，p（r）代表的是亥姆霍兹方程相应的解，n代表的是边界相对应的法线向量，vn（r）代表的是结构法线方向相应振动速度，µn（r）代表的是流体振动速度。之后，通过相关科学公式对声场V当中任意一个点相应声压进行计算。在结构和流体两者出现耦合的相应Ωse位置处，流体法线方向相应振动速度与结构法线方向相对应振动速度是一样的，以此为基础，在相应Ωs边界位置上，结构相应振动速度能够被当做声响附加形式的速度输入，结合相关因素对声学方程进行有效调整，将相关方程公式进行整合之后，得到一个最终矩阵形式耦合方程式，即：通过相关公式以及对应分析，发现结构在受到一定振动作用之后，会有声波发生，而产生的生源辐射声波可以进一步促使结构发生振动。

1.2 随机激励条件下振动声学模拟仿真

为了在随机激励条件下对振动声学进行模拟仿真分析，可以利用Actran软件进行具体的仿真操作。该软件当中包含了前后处理接口、多种形式的单元库、求解器、材料库、问题解决方案以及边界条件，结合软件相关功能，可以直接利用正方形结构来简单、直观、有效的分析振动声辐射。

（1）实现模型的建立与参数的设置。首先，需要通过绘图软件实现模型的有效构建，模型当中包括结构体和空气场结构。模型当中与存在故障的相应结构体进行模拟，并模拟在一定激振条件当中相应结构体实际振动情况和附近声场具体状态。模型当中的激励面属于正方体面，该正方体面和竖直方向的声场面两者为正对方向；模型当中的故障面也是一个正方体面，该正方体面和水平方向的声场面属于正对方向，在正方体面当中存在一条切削缝，表示的是故障面。之后，通过Hypermesh软件来对模型进行网格划分，并将划分结果向Actran软件当中导入，在这个过程中设置相关参数，以加载激励实现具体的分析。

（2）结构振动声辐射的仿真分析。在对结构振动声辐射实现仿真分析的时候，主要通过直接频率响应来激振相对应的故障结构体，并科学分析故障体结构附近声场情况以及自身振动状态。设定加载激励在100至1500Hz范围之间，可以得到在激振频率不同的时候，相应结构体周围声场实际的响应情况以及该结构体自身具体的振动模态。通过对不同激励频率下实际情况加以分析，发现在激励频率逐渐变大的过程中，相应结构体具体振动的位移情况呈现出幅度越来越小的趋势，但是相应声场当中发出的声压值处于越来越大的趋势。结构体当中实现裂缝切削的相应位置发出的振动相对比较小，并且该位置处相应声压相对来说也非常小。基于此，可以得出结构体如果自身振动越大，那么相应外界声场所发出的具体声压也会越来越大。

在激振频率越来越大的过程中，相应空气流体当中具体声压值也越来越大，按照这个规律，可以通过传声器对结构体附近空气当中实际声压信息以阵列的方式进行有效采集，通过相关声压信息对结构体具体的故障位置进行准确判断。以此为基础，能够在故障诊断技术研究过程中，积极对声学信息加以有效利用，促使故障诊断技术发展的越来越先进。

（3）结构振动声辐射的试验分析。要研究结构振动声辐射的机械设备故障检测技术，需要对结构振动和声辐射两者之间的关系进行充分了解。上文已经对结构振动和声辐射关系进行初步确定，为了对两者关系进行进一步的验证，可以通过结构体以及传声器阵列架实现激振试验分析。实际试验当中的结构体，和仿真实验当中相应结构体具有高度一致性，所以在试验当中需要设置不一样的激振频率，获得相应频率下结构体具体的振动位移幅值，还有结构体外部具体的声场声压。在不同的频率之下对结构体进行激振，能够对声场声压实现具体数据的获取，并对相关数据实现均方值的处理。

首先分析与结构体激振面正对方位的相应声场声压，可以发现处于中间位置的激振点其声压是最高的，这一点和仿真结果是一致的。在具体试验当中，以400Hz频率来激励结构体，获得的尖峰最高数据是0.049Pa；以500Hz的频率对结构体实现激励，获得的尖峰最高数据是0.0805Pa。

其次，分析与结构体故障面相对的激励声压，发现以不同的频率来激振结构体，对故障面正对应的相应位置实际声压值相对较小，并且最低可达到0.005Pa，但是除此以外的部位相应声压值就会更大一些，其中最高数值为0.01145Pa，在激振频率不断增大的过程中，结构体附近空气当中的声压也处于不断增大趋势，这一点和仿真结构也是相同的。

结合相关分析，可以发现结构体在振动过程中，其附近声辐射声压和具体振动情况属于正相关的关系，也就是振动激烈程度越来越大的过程中，相应声场声压值也会越来越大，同时，与振动部位距离越小，相应声场声压值也越来越高。通过仿真实验和真实试验，有效验证了声压与振动两者的关系，在实际研究当中可以对这一关系进行有效利用。在对结构故障进行检测以及分析的时候，可以通过声压来实现科学判断。

1.3 总结分析

上述两点当中，通过对结构体进行一定频率的激振，进而获得一定声辐射，并科学分析结构体振动与声辐射两者之间的关系。利用Actran软件来对结构体实现振动噪声仿真，并通过试验加以分析，发现在对结构体进行一定频率的激振过程中，结构体具体的声压和其振动存在正相关系，在激振频率不断加大过程中，结构体振动程度不断增加，相应声场声压也会不断加大。基于此，在对机械设备进行故障检测的时候，可以对振动和声压两者关系与规律进行有效利用，对故障设备进行一定激振，来获取相应声压值，结合具体数据来诊断并检测设备故障。在实际机械设备故障检测过程中，如果遇到一些工况条件下不能通过传感器来获得振动信号的时候，可以利用此技术对设备故障加以检测，对以往检测局限进行有效弥补。结合上述的仿真实验和真实试验得出的具体结果，获得了声学信号利用的具体规律，为非接触形式的故障检测和诊断研究提供了重要的参考依据。

2 结语

随着科学技术的快速发展，机械设备的检测手段越来越先进，以往基于振动信号来检测机械设备故障的技术在实际应用当中具有一定局限性。为了更加全面、有效的检测机械设备故障，本文研究基于振动声辐射的机械设备故障。通过对振动声辐射进行仿真实验和真实试验，获得振动和声压具体的关系，以此为基础能够更好的对声学信号加以利用，并为非接触式故障检测技术研究提供重要依据，推动相关检测技术向自动化以及现代化发现发展。