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声音信号在颤振检测中的应用摘要本文对声音信号在颤振监测中的应用现状进行了介绍。首先，对比了信号采集中常用的三种传感器：力传感器、加速度传感器和麦克风，分析了他们各自的优缺点和应用范围。然后介绍了从声音信号中得到的三种颤振指标：声压大小、主频和方差值，并对比了他们的优缺点。最后，总结了一些声音信号的反干扰措施。关键字：颤振铣削声音信号在线监测引言切削加工过程中的颤振现象是一种自激振动，是一种发生在金属切削过程中切削刀具与工件之间的相对振动，主要是由于因为机床切削系统动态刚度不足而导致的系统失稳。在铣削加工中，颤振是影响加工效率的提高的主要因素之一。它影响工件的表面质量、增大切削力，甚至加速刀具的磨损和崩刃。在控制颤振的研究中有两个研究领域：预测和在线监测。预测的方法通过模拟加工系统的特性从而预测系统的震动情况。根据预测结果可以为一个特定的加工过程选定最佳的工艺参数（主轴转速，切削深度等）。在线监测使用各种传感器（如力学传感器、加速度传单器、麦克风等）和信号处理的方法来监测系统是否进入非稳态。在线监测通常只需要很少的待研究系统的参数（有时仅限于主轴转速），但能为控制系统提供非常重要的信息[1]。一、信号采集在目前的研究中有三种常用的传感器：力传感器、加速度传感器、麦克风。1.1力传感器切削力可以用来监测颤振，同时也可以用来监测刀具磨损和损坏。在铣削加工的监测中主要有两种力学传感器：夹持工件的测力平台、夹持刀具并随主轴转动的旋转测力仪。此外，通过监测电流得到功率进而计算得到扭矩也可以用来得到铣削加工过程中的切削力的变化情况。力传感器用途很大，但他们也有一些限制：在加工切削阻力小的材料时，切削力小，因此力传感器得非常灵敏才能用来监测切削力；当切削深度较少时（例如在精加工中），力和切削时间都比较少，可能不够用来监测颤振；传感器的带宽较窄（典型的力传感器的带宽是1000Hz），可能不够用来实现准确的测量；使用旋转测力仪增加了刀具伸出的长度，同时也改变了主轴/刀柄/道具单元的动力学特性。1.2加速度传感器加速度传感器的安装比较容易但需要细心的定位。如果传感器靠近震动节点，信号会比较微弱。在铣削过程中，节点也会发生改变，所以预测一个最佳的位置比较困难。1.3麦克风Smith发现在加工过程中发出的声压大小与刀具的位移成正比。因此，可以使用麦克风来监测颤振。在稳态切削过程中，信号的主频是主轴转动的频率（及其谐波）和齿轮传动的频率。当系统进入非稳态时，其他的频率就会出现。可以通过监测是否有与主轴转动和齿轮传动不同的频率的峰值的出现来判断颤振是否发生。[2]麦克风使用非常简单，不用担心定位的问题。但易受周围环境（如环境噪音，反射等）的干扰。声音信号已经在商业软件如AccordMill和Harmonizer中得到了应用。二、声音信号的处理2.1声压大小最简单的判定方法就是为加工过程中的声压设置一个阀值。当声压大小超过这一阀值是就判定颤振发生。这种方法的难点在于如何选择一个恰当的阀值。2.2主频频率当系统处于非稳态时，信号中包含的频率就会发生变化。稳态信号包含的频率主要是主轴转动和齿轮传动及其谐波的频率。一些波峰可能是由于环境噪音引起的。非稳态的信号接近系统的本征频率，通常被称为颤振频率。但频谱分析需要进行FFT变换，所需的计算量较大。同时，这种方法也需要知道加工条件的一些具体信息（如主轴转速等）。2.3每转声压大小的方差为了减小数据处理过程中的运算量，一些学者提出了统计的方法。Delio提出可以主轴每转一次采集一次声压值，在稳态加工过程中刀具运动的频率和主轴转速相同，当主轴转动到相同的位置时，刀尖所处的位置也是相同的。但当颤振发生时，刀具的振动变得不规则。当方差值超过一定的阀值时，就判定颤振发生了。这种方法也需要设定一个恰当的阀值。[3]三、声音信号的抗干扰措施基于声压的方法是一种标量的方法，所有方向的声音信号都会被接收。我们可以使用一些方法来提高信噪比，进而提高背景噪音的容限。目前有三种信号隔离的方法：吸收/拒绝，聚集/反射，声强测量[4]。3.1吸收噪音的方法：这种方法使用具有吸音性的材料来隔离来自非切削方向的声音信号。可以用一个单面开口的圆筒形或方形的罩壳罩住麦克风。罩壳的内侧和外侧包裹吸音材料。罩壳的直径或宽度不低于25厘米，长度不低于75厘米。吸音材料对低频信号的吸收较为困难。这种方法对频率高于500Hz的噪音吸收效果明显，但对电机和风机发出的噪音（频率接近180-360）很难吸收。3.2音的方法：这种方法是将声源发出的能量聚集至麦克风。只有选定方向的入射波才能够聚集到麦克风，其余方向的信号会被散射掉。反射屏的直径至少需要50厘米。但是低频信号很容易穿透反射屏而不会被反射至麦克风。3.3量的方法：声压对应于电系统中的电压或机械系统中的力，与上述系统中的电流或速度对应的声学系统中的量即为质点速度，也就是空气粒子前后或回转运动时的速度。声强可定义为在声场的一点，与声音传播方向垂直的单位面积上，单位时间通过的声音能量。瞬时声强的计算公式为𝐼𝑎(𝑡)=𝑝(𝑡)𝑣(𝑡)。对稳态声音，声强取时间的平均值𝐼𝑎=lim𝑇→∞1𝑇∫𝑝(𝑡)𝑣(𝑡)𝑑𝑡+∞−∞。与声压不同，声强是有方向的矢量。它是声压和粒子运动速度的共同作用，它可以用来表示声波的方向。由声强的计算公式可知，只要知声压的有效值，质点速度有效值及其相位就可以得到声强。声压可由电容传声器高精度直接测得，但目前还没有直接测得质点速度的传感器，只能采取间接测定方法，其代表性方法即双传声器法。质点运动速度v(t)=−1𝜌∆𝑟∫[𝑝2(𝑡′)−𝑝1(𝑡′)]d𝑡′𝑡−∞，双传声器中心处的声压为p(t)=[𝑝1(𝑡)+𝑝2(𝑡)]/2。由此可直接积分计算声强。此外还可以用双传声器信号间的互谱计算声强。经推导得，𝐼𝑎=E[P(t)V(t)]它是如下互相关函数R(τ)，当τ=0时的值R(τ)=E[p(t+τ)v(t)]根据维纳-辛钦定理𝑅𝑣𝑝(τ)=∫𝑆𝑣𝑝（t）𝑒𝑗2𝜋/𝑡𝑑𝑓+∞−∞𝑆𝑣𝑝(t)=∫𝑅𝑣𝑝（τ）𝑒𝑗2𝜋/𝜏𝑑𝜏+∞−∞其中𝑆𝑣𝑝(t)=lim𝑇→∞E[P(t)V(t)]/𝑇可得：𝐼𝑎=∫𝑆𝑣𝑝（t）𝑑𝑓+∞−∞𝑆𝑣𝑝(t)=lim𝑇→∞E[P(t)V(t)]𝑇=−12𝜋𝑓𝜌∆𝑟𝐼𝑚𝑆𝑝1𝑝2+𝑗14𝜋𝑓𝜌∆𝑟[𝑆𝑝1𝑝1(𝑡)−𝑆𝑝2𝑝2(𝑡)]因为虚部为奇函数，结果只剩实数部分。𝐼𝑎=−12𝜋𝜌∆𝑟∫𝐼𝑚[𝑆𝑝1𝑝2(𝑡)𝑓]𝑑𝑓=−12𝜋𝜌∆𝑟∫𝐼𝑚[𝐺𝑝1𝑝2(𝑡)𝑓]𝑑𝑓+∞−∞+∞−∞其中：𝐺𝑝1𝑝2是𝑝1(t)𝑝2(𝑡)的单边谱。[5]参考文献:[1].Chatterdetectiontechniquesusingmicrophone.[2].Tsai,N.,D.ChenandR.Lee,Chatterpreventionformillingprocessbyacousticsignalfeedback.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2010.47(9-12):p.1013-1021.[3].Schmitz,T.L.,Chatterrecognitionbyastatisticalevaluationofthesynchronouslysampledaudiosignal.JournalofSoundandVibration,2003.262(3):p.721-730.[4].T.Delio,J.T.S.S.,Useofaudiosignalsforchatterdetectionandcontrol.JournalofEngineeringforIndustry,1992.[5].刘仕民,声强测量的最新话题.噪声与振动控制,1993(06):第45-49页.