摘要: 旋转件是机械设备的重要组成部分,广泛应用于辊磨机、风机和航空发动机等设备,然而其通常工作在变速、变载荷等恶劣环境中,旋转件时常出现故障。因此,精确及时的故障诊断技术至关重要,但目前大多聚焦于接触式传感器采集的振动信号,而对非接触式声学信号的探索较少。本文针对旋转件声学信号存在的噪声干扰、高维度、标签稀缺及跨工况数据分布差异大等一系列问题,研究基于梅尔频率倒谱系数的故障诊断方法,主要研究工作如下: (1)针对旋转件声学信号非线性、非平稳及背景噪声干扰的特点,提出同工况下基于梅尔频率倒谱系数(Mel Frequency Cepstral Coefficient,MFCC)的声学故障诊断方法。基于MFCC进行降噪和特征提取,结合分类器进行训练,实验结果表明,在同工况下实现了高精度诊断。进一步,与感知线性预测(Perceptual Linear Prediction,PLP)和对数滤波器组特征(Log Filter Bank,Log FBank)进行对比,验证其在复杂噪声环境下的优越性,为旋转件声学信号处理提供了新的思路,同时也为后续的跨工况诊断奠定了基础。 (2)针对跨工况场景下标签数据稀缺,以及受复杂噪声干扰和高维度特性的问题,在MFCC降噪基础上,引入核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis,KPCA)进行降维,消除冗余信息,提高特征可分性,并构建基于MFCC-KPCA的声学故障分类模型,保存最优参数,以此作为跨工况诊断的基础模型。随后,添加概率分布估计函数,并设置置信度阈值,设计半监督声学故障分类模型,筛选高置信度无标签数据,赋予伪标签并加入训练集,使模型在迭代过程中逐步学习无标签数据,提高跨工况诊断能力。通过消融实验进一步分析各模块对模型性能的贡献,验证所提方法的科学合理性。 (3)针对传统MFCC仅能提取声学信号的静态倒谱特征,无法有效表征时序动态特点,且跨工况诊断的核心挑战在于工况变化导致的特征漂移,即不同工况数据分布差异较大,前文及现有方法未能从根本上解决这些问题。为此,在MFCC特征提取过程中引入差分计算,构建动-静态MFCC,捕捉动态倒谱特征,获得完整声学特性。提出了一种新的循环一致性条件生成对抗网络(Cycle-Consistent Conditional Generative Adversarial Networks,Cycle Condition GAN),减少源域与目标域的数据分布差异,提高分布转换的精度、效率和稳定性,解决传统模型的类别混淆与偏移问题。在两个案例数据集上分别进行消融和噪声实验,验证方法的科学合理性和鲁棒性,最终与深度判别迁移学习网络(Deep Discriminative Transfer Learning Network,DDTLN)、多尺度注意力机制迁移模型(Multi-Scale Attention-Based Transfer Model,MSATM)和梅尔频率映射分类(Mel Frequency Mapping Classification,MFMC)进行对比,证明所提方法的优越性,为该领域未来的研究提供了重要的理论与实验依据。 综上,本文提出基于MFCC及动-静态MFCC的旋转件声学信号降噪方法,结合KPCA进行特征降维,并设计半监督声学故障分类模型和Cycle Condition GAN提高跨工况诊断能力,实现高效、准确的旋转件声学故障诊断。 摘要译文