Анализ информативных признаков акустических сигналов электродвигателя Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.311

АНАЛИЗ ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

© 2018 А. Ф. Рыбочкин1, Д. В. Куделина2, Н. В. Куделин3

1докт. техн. наук, профессор кафедры космического приборостроения

и систем связи e-mail: truten01@yandex.ru 2старший преподаватель кафедры электроснабжения e-mail: mary_joy@mail.ru 3аспирант кафедры космического приборостроения и систем связи

e-mail: kol9ini4@inbox.ru

Юго-Западный государственный университет (г. Курск)

В статье произведен анализ информативных признаков акустических сигналов электродвигателя с помощью программы, которая применяется для регистрации, отображения, анализа и кодирования акустических шумов, записи кодовых сообщений. Программа обеспечивает возможность выбора звуковой карты для ввода потока аудиоданных, разложение входных данных в спектр, определение средних интенсивностей сигнала на четырех интервалах частот, задаваемых пользователем, формирование перестановок и восьмеричных кодов, расчет среднего кода и энтропии кодового сообщения, запись частот выпадения и последовательности кодов, отображение входных данных и результатов обработки в режиме реального времени.

Ключевые слова: диагностика, электродвигатель, акустический шум, кодовые сообщения, класс состояний.

Основными задачами автоматизированной системы определения состояний сложных систем - электродвигателей по их акустическому шуму являются [1]:

- сбор и регистрация акустических данных;

- преобразование полученных данных;

- хранение полученных данных;

- обработка и анализ данных;

- отображение результатов.

Поскольку при обработке полученных данных применяются сложные алгоритмы, наиболее целесообразным представляется построение диагностической системы на базе персонального компьютера и контроллеров. Таким образом, в данной системе большинство перечисленных задач решаются программными средствами.

Для выделения существенных информативных признаков рассмотрим работу программы, которая относится к области информационных технологий и применяется для регистрации, отображения, анализа и кодирования акустических шумов, записи кодовых сообщений.

Программа обеспечивает возможность выбора звуковой карты для ввода потока аудиоданных, разложение входных данных в спектр, определение средних интенсивностей сигнала на четырех интервалах частот, задаваемых пользователем, формирование перестановок и восьмеричных кодов, расчет среднего кода и энтропии кодового сообщения, запись частот выпадения и последовательности кодов, отображение входных данных и результатов обработки в режиме реального времени [6].

Под обработкой и анализом данных подразумевается программная реализация алгоритмов. Сюда относится предварительная обработка акустических сигналов, построение решающих правил для обучающей выборки реализаций сигналов, характеризующих состояния электродвигателя, диагностирование состояний на основе имеющегося и обученного классификатора.

Поскольку данные вычисления производятся на персональном компьютере, наиболее эффективной будет реализация специального программного обеспечения.

Одно из важных требований, предъявляемых к автоматизированной системе диагностирования состояний электродвигателя, - это то, что она должна быть адаптивной. Однако при решении задачи распознавания состояний электродвигателя по его акустическому шуму необходимо учитывать, что априорно практически невозможно выделить все его возможные состояния. Чаще всего речь идёт об отделении нормального состояния от критических, вызываемых какими-либо отклонениями в процессах его работы. Критических состояний может быть много, так как они могут определяться разными причинами и факторами, также существует множество переходных состояний и множество критических состояний, вызываемых не одним, а различными совокупностями факторов.

В этих условиях построение системы диагностики с жёстким заданием диагностируемых состояний на этапе разработки представляется нецелесообразным. Необходимо построение системы с возможностью дообучения и изменения имеющейся базы данных [2].

Следующее важное требование к системе - универсальность. Для построения универсальной системы необходимо накопление обучающей выборки отдельно по каждому электродвигателю.

Программа располагается в директории «CodeBee 1.0», которая содержит:

- CodeBee.exe - исполняемый файл, предназначенный для запуска программы;

- bcbsmp60.bpl, bdertl60.bpl, borlndmm.dll, cc3260.dll, CC3260MT.DLL, dbrtl60.bpl, OpenWireDsnCB6.bpl, OpenWirePkgCB6.bpl, PlotLabDsnCB6.bpl, PlotLabPkgCB6.bpl, qrpt60.bpl, rtl60.bpl, SignalLabBasicDsnCB6.bpl, SignalLabBasicPkgCB6.bpl, SignalLabScopeDsnCB6.bpl, SignalLabScopePkgCB6.bpl, vcl60.bpl, vcldb60.bpl, vcljpg.bpi, vcljpg.dcp, vcljpg.lib, vcljpg60.bpl, vclx60.bpl -библиотеки, обеспечивающие работоспособность программы;

- compare_image - директория, содержащая графические компоненты программы;

- BASES - директория, содержащая файлы основной и вспомогательных баз данных с результатами анализа акустических сигналов.

Работа с программой осуществляется следующим образом.

Системные требования к персональному компьютеру:

• Intel Pentium IV 1,2 ГГц и выше;

• не менее 1 ГБ ОЗУ;

• не менее 50 МБ свободного места на жестком диске;

• не менее 64 МБ видеокарта;

• наличие звуковой карты с микрофоном, подключенным к ее аудиовходу;

• операционная система - Windows XP или более поздние версии.

Для начала анализа акустического шума электродвигателя необходимо разместить микрофон, подключенный к персональному компьютеру, вблизи источника акустического шума (рис. 1), после чего на персональном компьютере необходимо запустить исполняемый файл «CodeBee.exe».

Рис.1. Подготовка к работе

Основное окно программы (рис. 2) содержит следующие компоненты: А - осциллограмма входного сигнала, В - осциллограмма спектра входного сигнала, С - бокс управления звуковыми картами, Б - боксы настройки фильтров, Е -бокс настроек, Б - бокс записи, О - бокс анализа.

Рис. 2. Основное окно программы

После запуска программы в боксе управления звуковыми картами в выпадающем списке необходимо выбрать звуковую карту, к которой подключен микрофон, и нажать кнопку «ПУСК» (рис. 3)

Выпадающий список аудиоустройств

Аудиовход

■|Микрофон (ЭоипсМАХ 1г^едга^с1 ПУСК

Рис. 3. Бокс управления звуковыми картами

При успешном запуске звуковой карты на дисплее начнут отображаться осциллограммы входного сигнала и спектра входного сигнала. Если осциллограмма входного сигнала окрашивается сиреневым цветом (рис. 4а), необходимо увеличивать расстояние между микрофоном и источником акустического шума до тех пор, пока осциллограмма не окрасится красным цветом (рис. 4б).

б)

Рис. 4. Осциллограмма входного сигнала: а) при близком расположении микрофона относительно источника акустического шума; б) при оптимальном расположении микрофона относительно источника акустического шума

В боксах настройки фильтров необходимо установить параметры центральных частот настройки и полос пропускания фильтров, соответствующих информативным частотным полосам анализируемого акустического шума (рис. 5). В боксе, соответствующем настраиваемому фильтру, в масштабе реального времени отображается текущее значение средней интенсивности спектра в установленном диапазоне частот. На осциллограмме спектра входного сигнала в графическом виде отображаются текущие параметры настройки фильтров и соответствующие им величины средних интенсивностей. Центральная частота настройки варьируется в пределах от 50 до 950 Гц, полоса пропускания - от 2 до 50 Гц [3].

Спектр сигнала

12СССО —

0 — iL L —

50 100 150 200 2Ы 500 350 410 450 550 60u "50 ТОО 750 800 850 900 Э50

"чстота, Гц

"Аудиовход

| Микрофон (SoundMÄK Integrated I ▼ |

Фильтр 1 Частота

2зо ; гц

Настройки

Экспертное заключение

|30 ; Гц

Интенсивность

Фильтр 2

Частота

|310 ¿j Гц

Полоса

I* -ü Гц

Интенсивность

|21459.40Б337:

Центральная частота настройки

Полоса пропускания

Текущая средняя интенсивность спектра

Рис. 5. Настройка фильтров

В боксе настроек (рис. 6) в поле «Экспертное заключение» вводится описание предполагаемого состояния сложной системы - электродвигателя. В поле «Длительность записи», которое принимает значения от 1 до 20 минут, вводится время, в течение которого будет проводиться анализ входного сигнала. С помощью поля «Частота выборки», которое принимает значение от 60 до 600 кодов в минуту, задается количество восьмеричных кодов, которое будет сформировано за 1 минуту во время

анализа входного сигнала.

Настройки

Экспертное заключение | Состояние М-Т | Длительность записи

Частота выборки

I®-1]

Пороговая интенсивность |200

мин.

код 7мин.

ХЮед.

Рис. 6. Бокс настроек

При изменении значения в поле «Пороговая интенсивность» на осциллограмме спектра входного сигнала ненадолго отобразится уровень в графическом виде. С помощью данного уровня (рис. 7) устраняются акустические помехи окружающей среды.

Пороговая интенсивность

Рис. 7. Установка пороговой интенсивности

После установок всех необходимых параметров в боксе записи следует нажать кнопку « • » для запуска процесса анализа входного сигнала. По истечении времени, установленного в поле «Длительность записи», кнопка « I » сменит внешний вид на « • », что будет сигнализировать о завершении анализа входного сигнала и записи результатов анализа в базы данных программы. Чтобы прервать процесс анализа, не дожидаясь истечения времени, установленного в поле «Длительность записи», следует нажать кнопку « I ». Результаты анализа входного сигнала не будут занесены в базы данных программы. При установке в боксе записи параметра «Непрерывная запись» анализ входного сигнала будет проводиться непрерывно, при этом результаты анализа будут записываться в базы данных через интервал времени, установленный в поле «Длительность записи». Для остановки процесса непрерывной записи необходимо

нажать кнопку « ■ ».

После запуска звуковой карты в боксе анализа непрерывно отображаются перестановки, восьмеричный код и образ спектра. Во время процесса анализа в данном боксе отображаются средний код и удельная энтропия кодового сообщения (рис. 8) [4].

Анализ

U1 U2 U3 'J4

Перестановка 12-13

Квд.

Энтропия J 2,88418371

Средний код И 8,9

Диаграмма кодов

Рис. 8. Бокс анализа

При нажатии кнопки «Диаграмма кодов» в боксе анализа появится дополнительное окно программы (рис.9), отображающее последовательность восьмеричных кодов в графическом виде.

Рис. 9. Диаграмма кодов

Во время анализа при истечении времени, установленного в поле «Длительность записи», в основную базу данных MAIN_BASE.xls записывается строка, в которой содержатся частоты выпадения восьмеричных кодов, средний код и энтропия кодового сообщения, длительность записи, частота выборки, экспертное заключение и указатель на созданный в результате анализа файл, в котором содержится последовательность выпадения восьмеричных кодов [5].

На персональном компьютере, оснащенном одной или несколькими звуковыми картами, проводится запуск программного обеспечения, алгоритм работы которого приведен на рисугке 10.

Работа программы сводится к формированию образов спектра из средних значений интенсивных составляющих наиболее информативных частотных полос спектра, полученного после оцифровки звукового сигнала, поступившего на звуковую карту компьютера с микрофона, расположенного вблизи исследуемого электродвигателя, или с цифрового диктофона с записями шумов двигателя. Образы спектра кодируются путем сочетательного сравнения применительно ко всем частотным полосам, а коды создают кодовые сообщения, характеризующие диагностируемое состояние электродвигателя [7].

После запуска программного обеспечения пользователь вводит значения четырех информативных частот F1, F2, F3, F4 и соответствующие им полосы пропускания B1, B2, B3, B4.

При выполнении процедуры инициализации пользователь выбирает из списка доступную для работы звуковую карту, к линейному входу которой подключен микрофон, после чего программное обеспечение конфигурирует звуковую карту со следующими параметрами: формат ввода данных - PCM (Pulse Code Modulation),

частота дискретизации данных - Fd=16000 Гц. Если звуковая карта не инициализируется, программное обеспечение выдает сообщение о неполадке, после чего пользователю предлагается повторно выбрать звуковую карту. После инициализации звуковой карты пользователь вводит значения периода формирования перестановок и кодов образов спектров длительности анализа акустического сигнала T2, исходя из которых проводится инициализация соответственно Системного таймера 1 и Системного таймера 2. Затем проводятся установка размера L массива данных DataSound звуковой карты, инициализация индекса и размера N буфера данных DataBuf.

При выполнении процедуры определения коэффициентов Фурье для буфера данных DataBuf итогом является буфер FreqBuf размером N в котором значения

элементов с индексами 0..

X

являются действительными и характеризуют спектр

исходного сигнала с шагом частоты, определяемым по формуле:

(1)

Далее проводится расчет индексов коэффициентов Фурье по формуле (2), содержащихся в буфере FreqBuf, соответствующих введенным пользователем информативным частотам F1, F2, F3, F4 и их полосам пропускания B1, B2, B3, B4:

где i=1..4.

(2)

После процедуры инициализации проводится инициализация флага заполнения буфера данных DataBuf. Затем выполняется процедура формирования буфера данных DataBuf.

Если данные звуковой карты не готовы, то операции данной процедуры не выполняются, иначе проводится считывание L байт со звуковой карты в буфер данных звуковой карты DataSound. Имеющиеся данные в буфере данных DataBuf сдвигаются на количество принятых L байт, считанных со звуковой карты, в сторону старших индексов. Индекс буфера данных инкрементируется на величину L, и данные из буфера DataSound считываются в буфер данных DataBuf начиная с индекса ^£=0. Если значение индекса буфера данных равно размеру буфера данных N то проводится установка флага заполнения буфера данных Full_flag.

Процедура формирования буфера данных DataBu повторяется до тех пор, пока флаг заполнения буфера данных Full_flag не будет установлен.

Если после заполнения буфера данных DataBuf системные таймеры остановлены, то выполняется запуск Системного таймера 1, которому соответствует период формирования перестановок и кодов образов спектров и Системного таймера 2, которому соответствует длительность анализа акустического сигнала T2.

Затем выполняется процедура определения средних значений коэффициентов Фурье для заданных частот.

Для частоты F1 с полосой B1 по формуле (3) определяется количество соответствующих ей коэффициентов Фурье BW=F1u-F1D+1, содержащихся в массиве FreqBuf:

(3)

Затем в цикле определяется сумма значений коэффициентов Фурье I, после чего рассчитывается среднее значение коэффициентов Фурье II для частоты F1 с полосой B1.

Для частоты F2 с полосой B2 по формуле (4) определяется количество соответствующих ей коэффициентов Фурье BW=F2u-F2D+1, содержащихся в массиве FreqBuf:

(4)

Затем в цикле определяется сумма значений коэффициентов Фурье I, после чего рассчитывается среднее значение коэффициентов Фурье И, для частоты F2 с полосой B2.

Для частоты F3 с полосой B3 по формуле (5) определяется количество соответствующих ей коэффициентов Фурье BW=F3u-F3D+1, содержащихся в массиве FreqBuf:

(5)

Затем в цикле определяется сумма значений коэффициентов Фурье I, после чего рассчитывается среднее значение коэффициентов Фурье В для частоты F3 с полосой B3.

Для частоты F4 с полосой B4 по формуле (6) определяется количество соответствующих ей коэффициентов Фурье BW=F4u-F4D+1, содержащихся в массиве FreqBuf:

(6)

Затем в цикле определяется сумма значений коэффициентов Фурье I, после чего рассчитывается среднее значение коэффициентов Фурье М для частоты F4 с полосой B4.

Далее выполняется процедура формирования перестановок, исходными данными для которой являются средние значения коэффициентов Фурье И, Е, В, М для заданных частот. После ввода в ячейки массива А[0,0], A[1,0], A[2,0], A[3,0] значений И, 12, В, М соответственно и очистки строки статуса сравнения массива А[0,1], A[1,1], A[2,1], A[3,1] проводится установка индекса уровня.

Таким образом, в статье был произведен анализ информативных признаков акустических сигналов электродвигателя с помощью программы, обеспечивающей возможность выбора звуковой карты для ввода потока аудиоданных, разложение входных данных в спектр, определение средних интенсивностей сигнала на четырех интервалах частот, задаваемых пользователем, формирование перестановок и восьмеричных кодов, расчет среднего кода и энтропии кодового сообщения, запись частот выпадения и последовательности кодов, отображение входных данных и результатов обработки в режиме реального времени.

Библиографический список

Куделин Н.В., Рыбочкин А.Ф. Комплексная диагностика состояний электрического двигателя путем анализа издаваемого им акустического шума // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. ст. по итогам Междунар. науч.-практич. конф. 8 сентября 2017 г. Стерлитамак: АМИ, 2017. С. 33-36.

Куделин Н.В., Рыбочкин А.Ф. Особенности построения классов состояний автомобильного двигателя по издаваемому им акустическому шуму // Инструменты и механизмы современного инновационного развития: сб. ст. Междунар. науч.-практич. конф. 5 сентября 2016 г. Волгоград: НИЦ АЭТЕРНА, 2016. С. 19-21.

Рыбочкин А.Ф., С.В. Савельев. Исследовательский комплекс анализа акустических шумов с использованием двоичного кодирования // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: материалы VIII Междунар. конф. Курск: КГТУ, 2008. С. 82-84.

Рыбочкин А.Ф., Савельев С.В. Кодирование образов спектров при анализе акустического шума с использованием программы для ЭВМ // ИЗВЕСТИЯ ЮЗГУ. Курск, 2013. №2. С. 88-94.

Рыбочкин А.Ф., Яковлев А.И. Диагностирование состояний объектов по издаваемому ими акустическому шуму // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2011. №7. С. 89-101.

Савельев С.В., Рыбочкин А.Ф., Яковлев А.И.. Программа для анализа и кодирования акустических шумов (CodeBee v. 1.0) // Свидетельство регистрации программы для ЭВМ № 2012612344.

Яковлев А.И., Рыбочкин А.Ф. Алгоритм поиска наиболее информативных частотных полос // Диагностика 11: сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. 1113 апреля 2011 г. Курск: ЮЗГУ, 2011. С. 281-286.