文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)05-0077-04
0 引言
電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含著大量的特征信息,，為了能有效地提取有用的特征信息,，需要對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。傅里葉變換不能逼近電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的局部信息,，不適用于電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的降噪處理[1],。小波函數(shù)具有局部分析功能，能夠非常好地逼近信號(hào)的細(xì)節(jié)特征,，便于電機(jī)特征信息的提取,。文獻(xiàn)[2]提出的快速小波分解算法使得小波在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上,，小波閾值降噪也得到快速發(fā)展,。
文獻(xiàn)[3]提出了小波閾值降噪算法，其原理是信號(hào)和噪聲在小波域中呈現(xiàn)著不同表現(xiàn)形式,，隨著分解尺度的增加,，噪聲系數(shù)的幅值快速衰減逼近于零，而真實(shí)信號(hào)系數(shù)的幅值保持不變[4],。在閾值降噪的過(guò)程中,，閾值和閾值函數(shù)的選擇是重要的一步,。目前Bayes閾值是比較受歡迎的閾值選取方法之一,。
Bayes閾值降噪的原理是在假設(shè)小波系數(shù)服從廣義高斯分布的前提下，通過(guò)最小化貝葉斯風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)得到優(yōu)化閾值,，這是目前很多專家學(xué)者選擇較多的閾值選取方法之一[5,，6]。本文同樣選用Bayes閾值,，根據(jù)不同分解尺度上信號(hào)和噪聲能量分布不同的特點(diǎn)對(duì)Bayes閾值進(jìn)行改進(jìn),，這樣閾值的選擇更符合噪聲在各層的分布情況[7]。同時(shí),，由于硬閾值函數(shù)是一種不連續(xù)函數(shù),，導(dǎo)致重構(gòu)的信號(hào)具有振蕩性，軟閾值函數(shù)對(duì)信號(hào)作收縮處理與信號(hào)的真實(shí)值存在偏差[8,，9],。針對(duì)上述不足，本文提出改進(jìn)的閾值函數(shù)算法,，使用改進(jìn)閾值函數(shù)結(jié)合新閾值對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行修正,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的有效提取。
1 小波閾值降噪
小波分析方法是一種靈活的局域化時(shí)頻分析方法,。利用多分辨分析放大特性逐步細(xì)化故障信號(hào)頻譜,，發(fā)揮時(shí)域頻域局部化的性能,，使故障特征信息明顯表現(xiàn)出來(lái)，便于觀察分析,。
1.1 小波閾值降噪原理
理論分析認(rèn)為,，含噪信號(hào)的真實(shí)值與噪聲的小波系數(shù)在小波空間內(nèi)有不同分布，對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波分解后,，噪聲主要集中在高頻的小波系數(shù)中,，通過(guò)設(shè)置閾值可將含噪部分去除，最后對(duì)信號(hào)重構(gòu),，即達(dá)到對(duì)信號(hào)降噪的目的[10],。假設(shè)含噪的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)為s，滿足：
小波閾值降噪一般步驟如圖1所示,。其中,，最主要的是閾值和閾值函數(shù)選取，也就是本文研究的核心算法,。
1.2 常用閾值選取方法
目前常用的小波降噪閾值選取方法有4種：固定閾值,、無(wú)偏似然估計(jì)閾值、啟發(fā)式閾值和極大值極小值閾值,。但這些閾值估計(jì)方法都不是最優(yōu)的,，工程中應(yīng)用較多的固定閾值在噪聲較多時(shí)降噪效果明顯，無(wú)偏似然估計(jì)對(duì)高頻信息保留較多,，啟發(fā)式閾值與極大極小閾值在信號(hào)的高頻信息較少包含噪聲時(shí)比較有效[11],。因此需要找到針對(duì)不同含噪信號(hào)的最佳閾值。
2 改進(jìn)閾值算法
文獻(xiàn)[12]研究指出,，電機(jī)故障信號(hào)的小波系數(shù)服從廣義高斯分布,，滿足Bayes估計(jì)條件。
貝葉斯閾值是采用貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論推導(dǎo)得到的[13],，對(duì)于某一給定的高頻信號(hào),，閾值選擇為：
因?yàn)樵肼晫?duì)應(yīng)的小波系數(shù)在每一個(gè)尺度上隨機(jī)均勻分布，隨著分解尺度的增加其幅值在減小,，所以本文將閾值取為：
其中,，j為分解尺度。隨著j的增加,，閾值σ減小,，與改進(jìn)之前相比，更符合噪聲在各層的分布情況,。因此,，用該閾值降噪，降噪效果更好,。
對(duì)式(2)的σn,，采用中值估計(jì)[3]：
3 改進(jìn)閾值函數(shù)
以往的小波貝葉斯閾值降噪,，常選用硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)，但存在固定偏差和不連續(xù)性等問(wèn)題,。文獻(xiàn)[14]中提出了半軟閾值函數(shù),，表達(dá)式為：
其中，δ為閾值,，ω為小波系數(shù),，ω′為閾值處理后的小波系數(shù)，α是范圍在(0,，1)的系數(shù),。
半軟閾值介于軟、硬閾值方法之問(wèn),，盡管避免了軟硬閾值的弊端,，但是其中的參數(shù)在運(yùn)用中取固定值，因此仍然存在固有偏差和不連續(xù)性,。針對(duì)上述問(wèn)題和缺點(diǎn),，文獻(xiàn)[15]提出了一種新閾值函數(shù)改進(jìn)算法，并將該算法應(yīng)用在指紋圖像處理領(lǐng)域,。
該算法在閾值點(diǎn)處連續(xù),，解決了硬閾值函數(shù)帶來(lái)的振蕩問(wèn)題和軟閾值函數(shù)帶來(lái)的偏差問(wèn)題，可根據(jù)參數(shù)t靈活調(diào)節(jié)閾值以適應(yīng)不同噪聲,，但是顯然,，該閾值函數(shù)屬于軟閾值函數(shù)特性。為了克服軟閾值函數(shù)的缺陷,，需要將軟閾值函數(shù)和硬閾值函數(shù)結(jié)合起來(lái)構(gòu)造新閾值函數(shù),，故此,，本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合文獻(xiàn)[16]進(jìn)一步改進(jìn),，得到如式(9)的改進(jìn)算法，并將該算法首次應(yīng)用在電機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理領(lǐng)域,。
當(dāng)u取0～1之間不同值時(shí),，新閾值函數(shù)介于硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)之間，這樣不但克服了硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)各自存在的缺陷,，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)?琢和t使得新閾值函數(shù)相比式(8)變得更靈活,。
下面對(duì)改進(jìn)閾值函數(shù)進(jìn)行分析。
(1)連續(xù)性
綜上所述：新閾值函數(shù)是以?棕′=?棕為漸近線,。
(3)偏差性
(4)閾值可變因子影響分析
當(dāng)α=0,，t→0時(shí)，新閾值函數(shù)為軟閾值函數(shù),；t→∞,，新閾值函數(shù)變?yōu)橛查撝岛瘮?shù),；α→∞，新閾值變?yōu)橛查撝岛瘮?shù),。所以,，新閾值函數(shù)不僅具有整體連續(xù)性的特點(diǎn)，而且根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)也十分靈活,。
4 算法驗(yàn)證
若將原始信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)s(t),，則經(jīng)各種降噪模型降噪的估計(jì)信號(hào)
的信噪比(SNR)定義為：
降噪后信號(hào)的信噪比越高，原始信號(hào)與估計(jì)信號(hào)的均方根誤差越小,，則估計(jì)信號(hào)越接近于真實(shí)信號(hào),，降噪效果越好。
算法驗(yàn)證中首先以MATLAB自帶的信號(hào)為例,，對(duì)其加入一定信噪比(12 dB)的高斯白噪聲,，并用固有Heursure、Sqtwolog,、Minimaxi以及文獻(xiàn)[13]算法和本文新閾值算法分別對(duì)其進(jìn)行降噪處理,，結(jié)果如圖2所示。用硬閾值函數(shù),、軟閾值函數(shù),、文獻(xiàn)[15]閾值函數(shù)和本文改進(jìn)閾值函數(shù)分別對(duì)其做降噪處理，結(jié)果如圖3所示,。
各種降噪方法性能指標(biāo)如表1,、表2所示。從表中可以看出,，相比于其他方法,，改進(jìn)算法的信噪比有所提高，同時(shí)均方誤差下降,，降噪效果最好,，所以該算法優(yōu)于其他算法。
5 改進(jìn)算法在振動(dòng)信號(hào)降噪中的應(yīng)用
數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧科技大學(xué)國(guó)家大學(xué)科技園電機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采集的轉(zhuǎn)子不對(duì)中振動(dòng)信號(hào),，采用db4小波函數(shù),。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為924 r/min，采樣頻率500 Hz,，采集1 049個(gè)采樣點(diǎn),，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行5層小波包分解，采用貝葉斯新閾值,，結(jié)合改進(jìn)閾值函數(shù)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行降噪處理,。
如圖4所示，轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障信號(hào)2倍頻明顯，同時(shí)在對(duì)應(yīng)尖峰的恢復(fù)上,，改進(jìn)閾值函數(shù)結(jié)合新閾值算法降噪效果明顯,。利用該方法進(jìn)行降噪很好地保留了尖峰和突變部分，并可以將信號(hào)高頻部分和噪聲引起的高頻干擾有效地區(qū)分,，對(duì)高頻部分進(jìn)行降噪處理,，提高信噪比，使沖擊響應(yīng)特性更加突出,，便于信號(hào)特征量的提取,。
6 結(jié)論
在電機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)的去噪效果對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)特征提取與分析起著至關(guān)重要的作用,。利用貝葉斯新閾值結(jié)合新閾值函數(shù)的新方法,，針對(duì)模擬信號(hào)與實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)的降噪處理，表明在振動(dòng)信號(hào)降噪方面,，通過(guò)設(shè)置合適的閾值結(jié)合新閾值函數(shù)能達(dá)到滿意的降噪效果,，既能反映振動(dòng)的真實(shí)特性信息又保留了信號(hào)的高頻部分特性。本文方法具有一定的使用價(jià)值,。
根據(jù)模擬信號(hào)仿真結(jié)果可知,，基于貝葉斯新閾值和改進(jìn)閾值函數(shù)降噪算法都能夠有效地提高信噪比，降低均方根誤差,，同時(shí)抑制高頻噪聲,，能夠恢復(fù)信號(hào)中的真實(shí)有用信號(hào)。通過(guò)實(shí)測(cè)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理可知,，改進(jìn)的降噪算法應(yīng)用在電機(jī)振動(dòng)信號(hào)處理中具有較好的降噪效果,。
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