畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于matlab的機(jī)械零部件失效噪聲識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 機(jī)械失效的研究背景和意義1</p><p>　　1.2 機(jī)械失效的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　2 方案論證 5</p><p>　　2.

2、1 提出方案5</p><p>　　2.2 選擇自己的方案5</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方法5</p><p>　　3 機(jī)械零件失效噪聲識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 零部件失效聲音信號采集7</p><p>　　3.1.1 零部件失效聲音信號的特征7</p&

3、gt;<p>　　3.1.2 聲音信號的特征分析8</p><p>　　3.2 零部件失效聲音信號識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.1 基于MATLAB的數(shù)字濾波器12</p><p>　　3.2.2 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)14</p><p>　　4 失效噪聲的識別及結(jié)果分析17</p>

4、<p><b>　　總 結(jié)23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 機(jī)械失效的研究背景和

5、意義</p><p>　　一般機(jī)械產(chǎn)品的失效，可以分為三種情況，第一種情況是當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品完全不能工作時(shí)；第二種是機(jī)械產(chǎn)品還可以工作，但是有一部分功能已經(jīng)喪失，不能完全的發(fā)揮出它的性能；第三種是機(jī)械產(chǎn)品已經(jīng)嚴(yán)重的損壞，必須拆下來修理后，才能夠重新的使用。出現(xiàn)裂紋，機(jī)械變形和機(jī)械損傷是我們經(jīng)常遇到的三種機(jī)械失效類型。一般的機(jī)械失效都是有機(jī)械損傷引起的，最后慢慢的發(fā)展成為機(jī)械失效。在不同的發(fā)展過程中，形成不同的失效，而且

6、發(fā)展的速度也不盡相同。</p><p>　　機(jī)械零件的壽命特性曲線可以表明，機(jī)械零件在其正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間發(fā)生失效的規(guī)律，這種規(guī)律可以用失效率來表示，即失效的過程用在特定時(shí)間內(nèi)發(fā)展的比率。如果讓失效順其發(fā)展，而不進(jìn)行一些預(yù)防維修措施，那么就會形成我們所說的失效曲線，這條曲線看起來是浴盆的形狀，通常稱為浴盆曲線。根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的使用情況，可以將失效分為三種類型。 </p><p>　　在最早一段時(shí)間

7、內(nèi)的失效叫做早期失效，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造上的原因，從而導(dǎo)致了失效的發(fā)生。又因?yàn)樵谠缙跁r(shí)間內(nèi)，機(jī)械零件容易發(fā)現(xiàn)缺陷，從而發(fā)生失效，所以我們知道早期機(jī)械零件的失效概率最高，但是跟隨著過些時(shí)間，失效的概率就會慢慢地降下來。如果我們能在機(jī)械零件出廠前檢驗(yàn)其質(zhì)量，那么機(jī)械零件在后期的失效率就會保持一個(gè)恒定值。 理論上我們認(rèn)為機(jī)械零部件如果還沒有達(dá)到老化或者損傷的程度，它們應(yīng)該會一直正常的工作。但是一些偶然的因素，如我們在操作上發(fā)生一些失

8、誤，這些些時(shí)候機(jī)械零件產(chǎn)生的失效，我們叫做隨機(jī)失效。這些概率很低。發(fā)生的這段時(shí)間是零部件正常工作的最佳時(shí)間。偶然失效過后，機(jī)械零部件的使用期限已經(jīng)到最后了，失效的情況會愈發(fā)的嚴(yán)重，這個(gè)時(shí)候的失效叫做耗損失效。在這種是小發(fā)生的前期，我們就應(yīng)該對零部件進(jìn)行檢查維修，這樣就可以預(yù)防這種失效過早的發(fā)生，從而延長機(jī)械零部件的壽命。 產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確，而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。

9、通過失效分析，找到造成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因，從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用</p><p>　　1.2 機(jī)械失效的研究現(xiàn)狀</p><p>　　一般的情況下我們單獨(dú)的對某一事件的失效進(jìn)行分析，偶然性就太大了。但是如果我們對同一類的裝備所發(fā)生的事件進(jìn)行分析，就能總結(jié)出來一些我們所需要的結(jié)論，把這些結(jié)論用來提高設(shè)計(jì)和制造的水平。</p><

10、;p>　　一般失效分析的目的就是來盡可能的降低生產(chǎn)的產(chǎn)品的失效率，我們要不斷的提高產(chǎn)品裝備的可靠性，用來防止一些重大的突發(fā)事故的發(fā)生，這要我們就可以讓經(jīng)濟(jì)穩(wěn)速的向前進(jìn)，持續(xù)不斷的發(fā)展。在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上，在失效分析的過程中，我們所需要做的一些具體任務(wù)可以總結(jié)為三個(gè)方面，第一就是失效的性質(zhì)的判斷，第二個(gè)就是失效原因的分析，最后就是我們所要采取的措施，用來提高產(chǎn)品抗擊失效的能力。</p><p>　　近代材料科

11、學(xué)和工程力學(xué)對破斷、腐蝕、磨損及其復(fù)合型(或混合型)的失效類型和失效機(jī)理做了相當(dāng)深入的研究，積累了大量的統(tǒng)計(jì)資料，為失效類型的判斷、失效機(jī)理及失效原因的解釋奠定了基礎(chǔ)。發(fā)展中的可靠性工程及完整性與適用性評價(jià)是預(yù)測、預(yù)防和控制失效的技術(shù)工作和管理工作的基礎(chǔ)?？煽啃怨こ淌沁\(yùn)用系統(tǒng)工程的思想和方法，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)利弊，研究將設(shè)備(系統(tǒng))的失效率降到可接受程度的措施。完整性和適用性評價(jià)則是研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中原有缺欠和使用中新產(chǎn)生的或擴(kuò)展缺陷對可靠性的影

12、響，判斷結(jié)構(gòu)的完整性及是否適合于繼續(xù)使用，或是按預(yù)測的剩余壽命監(jiān)控使用，或是降級使用，或是返修或報(bào)廢的定量評價(jià)。 </p><p>　　產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確，而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。通過失效分析，找到造成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因，從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標(biāo)與措施，特別是確定這種失效抗力指

13、標(biāo)隨材料成分、組織和狀態(tài)變化的規(guī)律，運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、工程力學(xué)等方面的研究成果，提出增強(qiáng)失效抗力的改進(jìn)措施。既能得到提高產(chǎn)品或裝備承載能力和使用壽命，又可做到充分發(fā)揮產(chǎn)品或裝備的使用潛力，使材盡其用，這是產(chǎn)品或裝備失效分析、預(yù)測預(yù)防研究的重要目的與內(nèi)容。</p><p>　　我們可以通過對失效的分析預(yù)防，來保證機(jī)械零部件更好的運(yùn)行，在這門學(xué)科中，我們可以提高零部件的質(zhì)量，這樣也可以一直支持科學(xué)的進(jìn)步，為一些

14、法定規(guī)則提供自己的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。其意義和作用在于: (1)通過對零部件的早期失效分析，我們可以預(yù)防一些同樣的失效現(xiàn)象在零部件上發(fā)生，進(jìn)而提高機(jī)械零件的質(zhì)量</p><p>　　(2)如果想要保證機(jī)械零部件的的質(zhì)量，對零部件的失效分析是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，這樣就可以反應(yīng)零部件的質(zhì)量情況，從而保證機(jī)械零部件的工作質(zhì)量。 </p><p>　　(3)一般的情況下我們把失效分析分為三個(gè)

15、步驟，其中包括：技術(shù)的開發(fā)與改造，利用技術(shù)提供信息方向，路徑和方法。 (4)最后，我們可以利用失效分析，來改變領(lǐng)導(dǎo)對一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)決策的看法，因?yàn)槲覀冋莆照咝畔⒌膩碓础?lt;/p><p>　　由機(jī)械失效的形式，我們可以通過檢測失效時(shí)所發(fā)出的聲音來檢測機(jī)械失效的情況，檢測聲音我們可以用濾波器來檢測，通常的濾波器可分為普通濾波器和數(shù)字濾波器。</p><p>　　數(shù)字信號是處理學(xué)

16、科的一項(xiàng)重大進(jìn)展是關(guān)于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法的研究。關(guān)于數(shù)字濾波器，早在上世紀(jì)40年代末期就有人討論它的可能性問題，在50年代也有人討論過數(shù)字濾波器，但直到60年代中期，才開始形成關(guān)于數(shù)字濾波器的一整套完整的正規(guī)理論。在這一時(shí)期，提出了各種各樣的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)，有的以運(yùn)算誤差最小為特點(diǎn)，有的則以運(yùn)算速度高見長，而有的則二者兼而有之。出現(xiàn)了數(shù)字濾波器的各種通近訪法和實(shí)現(xiàn)方法，對遞歸和非遞歸兩類濾波器作了全面的比較，統(tǒng)一了數(shù)字濾波器的基本概念和

17、理論。數(shù)字濾波器的一個(gè)重要發(fā)展是對有限沖激響應(yīng)（FIR）和無限沖激響應(yīng)（IIR）關(guān)系的認(rèn)識轉(zhuǎn)化。在初期，一般認(rèn)為IIR濾波器比FIR濾波器具有更高的運(yùn)算效率，因而明顯地趨向于前者，但當(dāng)人們提出用快速傅利葉變換（FFT）實(shí)現(xiàn)卷積運(yùn)算的概念之后，發(fā)現(xiàn)高階FIR濾波器也可以用很高的運(yùn)算效率來實(shí)現(xiàn)，這就促使人們對高性能FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法和數(shù)字濾波器的頻域設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的研究，從而出現(xiàn)了此后數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中頻域方法與時(shí)域方法并駕齊驅(qū)的局面

18、。然而，這些均屬數(shù)字濾波器的早期研究，早期的數(shù)字濾波器盡管在語音、聲納、地震和醫(yī)學(xué)的信號處理中曾經(jīng)發(fā)揮過</p><p>　　由上邊關(guān)于數(shù)字濾波器的述說，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來檢測聲音信號，而由于普通濾波器精確度太低，于是我們通過對數(shù)字濾波器的性能運(yùn)用，我們需要編輯出數(shù)字濾波器系統(tǒng)，來檢測機(jī)械失效是的的聲音從而分析機(jī)械失效的情況。</p><p><b>　　2 方案論證&l

19、t;/b></p><p><b>　　2.1 提出方案</b></p><p>　　我們要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來檢測機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音，從而由圖形分析機(jī)械是否失效。而濾波器有多種類型，他們可以通過軟件或硬件來設(shè)計(jì)出來，這些軟件濾波器和硬件濾波器都有各自的運(yùn)行特點(diǎn)。</p><p>　　2.2 選擇自己的方案</p>&l

20、t;p>　　由于MATLAB軟件及信號處理工具箱的不斷完善，MATLAB很快成為應(yīng)用學(xué)科等領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)軟件。而利用這個(gè)軟件還可以迅速設(shè)計(jì)出數(shù)字濾波器，從而進(jìn)行仿真技術(shù)，是我們的工作更加簡便，所以我們可以通過軟件來做出我們仿真中要做的數(shù)字濾波器。 </p><p>　　在整個(gè)設(shè)計(jì)中，利用濾波器高通或低通的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對采集聲音信號高頻成分的濾波，最后

21、進(jìn)行濾波前后波形及頻域圖比較。設(shè)計(jì)中利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)對聲音信號的播放與處理、濾波器的設(shè)計(jì)、波形圖與頻譜圖的繪制。</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及解決方法</p><p><b>　　難點(diǎn)1</b></p><p>　　如何用Matlab軟件打開聲音文件并對聲音文件進(jìn)行播放，如何對處理后的聲音文件進(jìn)行回放？</p>

22、<p>　　解決方法：查閱Matlab軟件相關(guān)書籍并參考老師給的例題。</p><p><b>　　難點(diǎn)2</b></p><p>　　濾波器設(shè)計(jì)好后，如何對采集的聲音文件進(jìn)行濾波？</p><p>　　解決方法：對輸入信號進(jìn)行濾波實(shí)質(zhì)是輸入信號與濾波器頻域相乘時(shí)域卷積。輸入信號的頻譜與濾波器的幅頻特性都已經(jīng)確定，對輸入信號的頻譜

23、與濾波器的幅頻特性取相同長度的帶寬，如都取，取相同的離散點(diǎn)數(shù)N，將不同頻率下的幅值定義成兩個(gè)長度為N的數(shù)組，讓這兩個(gè)數(shù)組相乘，即實(shí)現(xiàn)了頻域相乘的運(yùn)算。這兩個(gè)數(shù)組相乘的結(jié)果也是一個(gè)長度為N的數(shù)組，利用Matlab軟件的plot命令將其畫出即得到濾波后的頻域圖形。</p><p><b>　　難點(diǎn)3</b></p><p>　　由得到了濾波后的頻域圖形如何再得到時(shí)域圖形？

24、</p><p>　　解決辦法：在得到頻域圖形后，我首先想到的是利用IFFT，對頻域點(diǎn)進(jìn)行離散傅立葉反變換，即可以得到時(shí)域點(diǎn)，利用polt命令即繪制時(shí)域圖形，經(jīng)過驗(yàn)證此方法可行。但由于FFT計(jì)算結(jié)果的精度與選取的點(diǎn)數(shù)有很大的關(guān)系，不同的點(diǎn)數(shù)N會造成時(shí)域圖形差異很大。為了避免這一缺點(diǎn)，減少FFT運(yùn)算環(huán)節(jié)，我采用了另一種方法。在Matlab軟件中，提供了函數(shù)，用來在給定輸入和差分方程時(shí)求解差分方程的解，運(yùn)算是時(shí)域中的

25、運(yùn)算。在本設(shè)計(jì)中，由于濾波器的參數(shù)已經(jīng)確定，輸入信號也已知，所以可以利用這個(gè)函數(shù)直接求取經(jīng)濾波器濾波后的信號在時(shí)域中的圖形。</p><p>　　3 機(jī)械零件失效噪聲識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　首先利用多媒體計(jì)算機(jī)采集聲音信號，利用Matlab軟件繪制其時(shí)域與頻域波形圖；</p><p>　　根據(jù)要求是要設(shè)計(jì)一個(gè)高通的IIR濾波器，結(jié)合頻域波形圖在頻率段的分

26、布，選擇需要濾除的頻率成分，從而我們就可以確定通帶截至頻率和阻帶起始頻率并確定通帶最大衰減和阻帶最小衰減；</p><p>　　利用Matlab軟件提供的繪制濾波器的幅頻特性與相頻特性圖；</p><p>　　將采集的聲音信號作為濾波器的輸入信號，利用函數(shù)求出經(jīng)過濾波器濾波的輸出信號。[2]</p><p>　　3.1 零部件失效聲音信號采集</p>

27、<p>　　信號是消息的載體是消息的一種表現(xiàn)形式。信號可以是多種多樣的通常是隨時(shí)間變化的某些物理量。信號按照自變量的取值是否連續(xù)可以分為連續(xù)時(shí)間信號和離散時(shí)間信號。</p><p>　　對信號進(jìn)行時(shí)域分析，首先就需要將信號隨時(shí)間變化的規(guī)律用二維曲線表示出來。對于簡單的信號，我們可以通過手工來繪制其波形。但是對于復(fù)雜的信號，手工繪制波形是非常困難的，且難以繪制精確的曲線。</p><

28、p>　　MATLAB強(qiáng)大的圖形處理功能及符合運(yùn)算功能，為我們視線信號的可視化及時(shí)域分析提供強(qiáng)有力的工具。在MATLAB中通常用向量來表示信號，另一種是用符合運(yùn)算的方法來表示。用適當(dāng)?shù)腗ATLAB語句表示出信號后，就可以利用MATLAB的繪圖命令來繪出直觀的的信號波形圖。[3]</p><p>　　3.1.1 零部件失效聲音信號的特征</p><p>　　一般情況下我們知道機(jī)械正常運(yùn)

29、轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音頻率較低，而當(dāng)機(jī)械出故障后，機(jī)械發(fā)出的聲音比較刺耳，所以發(fā)出的聲音頻率就比較大。由于機(jī)械運(yùn)行時(shí)的聲音比較難與采集，我們知道男性聲音的頻率小于女性聲音的頻率，所以我們可以用男性所發(fā)出的聲音來代替機(jī)械正常運(yùn)行時(shí)所發(fā)出的聲音，用女性的聲音來代替機(jī)械失效時(shí)所發(fā)出的聲音。對于聲音信號，我們可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和生卡相結(jié)合來采集。我們可以通過麥將聲音輸入。將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的錄音機(jī)按鈕按下，用話筒來收集所需要的聲音，我們可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

30、觀察到收集聲音的長度，聲音信號以文件名“speech”保存入g :\ MATLAB \ work 中。我們可以分別采集三個(gè)男性和三個(gè)女性的聲音，保存下來。來進(jìn)行機(jī)械失效的分析。</p><p>　　3.1.2 聲音信號的特征分析</p><p>　　在MATLAB中，有“wavread”命令，我們可以通過它來讀入所學(xué)要的聲音信號，它可以用一個(gè)向量來表示。然后我們就可以將其進(jìn)行采樣分析。

31、如下所示，是Wavread 函數(shù)常用的一些調(diào)用格式：</p><p>　?。?）y=wavread（file）</p><p>　?。?）[y,fs,nbits]=wavread(file) </p><p>　?。?）y=wavread（file，N）</p><p>　　（4）y=wavread（file，[N1,N2]）[4]</

32、p><p>　　接下來，對六個(gè)聲音信號Sound.wav進(jìn)行普通的采集。其程序如下：</p><p>　　>> [y,fs,nbits]=wavered (‘Sound’); </p><p>　　然后，畫出聲音信號的時(shí)域波形，再對聲音信號進(jìn)行頻譜分析。在MATLAB中，可以找到很多的傅里葉變換方法，它們的調(diào)用格式如下：</p><p&g

33、t;　　Xk=fft(xn,N)</p><p>　　當(dāng)N小于xn的長度時(shí)，fft函數(shù)計(jì)算xn的前N個(gè)元素，忽略其后面的元素。</p><p>　　這個(gè)設(shè)計(jì)，我們需要利用MATLAB工具來進(jìn)行傅里葉變換，這樣我們就可以得到相應(yīng)的頻譜圖，其程序如下：</p><p>　　[y,fs,nbits]=wavread ('OriSound');</p&

34、gt;<p>　　sound(y,fs,nbits); %回放語音信號</p><p>　　N= length (y) ; %求出語音信號的長度</p><p>　　Y=fft(y,N); %傅里葉變換</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(y);title('

35、;原始信號波形');</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(abs(Y));</p><p>　　title('原始信號頻譜')</p><p><b>　　結(jié)果如下圖：</b></p><p>　　圖3-1 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的波

36、形及頻譜圖</p><p>　　圖3-2 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的波形及頻譜圖</p><p>　　圖3-3 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的波形及頻譜圖</p><p>　　圖3-4 機(jī)械失效時(shí)的波形及頻譜圖</p><p>　　圖3-5 機(jī)械失效時(shí)的波形及頻譜圖</p><p>　　圖3-6 機(jī)械失效時(shí)的波形及頻譜圖</p

37、><p>　　由六個(gè)收集到的聲音信號的原始信號波形及頻譜圖比較可得，機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音信號的頻率小于機(jī)械失效時(shí)所發(fā)出的聲音的頻率。由頻域圖可知，機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的波大部分集中在左側(cè)頻率較低的部分，而機(jī)械失效時(shí)所發(fā)出的波則頻率高，比較集中靠右邊。</p><p>　　3.2 零部件失效聲音信號識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　如一些函數(shù)butter,cheby1

38、和ellip是用來設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的，如果我們想要畫出各步步器的頻率響應(yīng)，我們就需要使用freqz函數(shù)。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)中用到的是[N,wc]=butter(N,wc,Rp,As,’s’)。</p><p>　　MATLAB信號處理工具箱函數(shù)cheblap,cheblord和cheeby1是切比雪夫I型濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)。這些函數(shù)中，cheeby1這種函數(shù)是我們用到的，其調(diào)

39、用格式如下：</p><p>　　[B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,’ftypr’)</p><p>　　[B,A]=cheby1(N,Rp,wpo,’ftypr’,’s’)</p><p>　　函數(shù)butter,cheby1和ellip設(shè)計(jì)IIR濾波器時(shí)都是默認(rèn)的雙線性變換法，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)只需要代入相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)即可。[5]</p>

40、<p>　　3.2.1 基于MATLAB的數(shù)字濾波器</p><p>　　MATLAB的 最初版本是由Cleve Moler博士用FORTRAN語言開發(fā)的矩陣分析軟件，MATLAB是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（MATrix  LABoratory）的縮寫，在80年代初期，由Cleve Moler和John Little采用C語言改寫了MATLAB的內(nèi)核。1992年初推出了應(yīng)用于Windows 操作系統(tǒng)的

41、MATLAB 4.x版,1997年推出5.1版本，1998年推出5.2版本，1999年推出MATLAB 5.3版本，2000年又推出更為簡單易學(xué)的MATLAB 6.0版本。[6]</p><p>　　濾波器，顧名思義，是指用來對輸入信號進(jìn)行濾波的硬件或軟件。如果濾波器的輸入與輸出都是離散的時(shí)間信號，則該濾波器沖擊響應(yīng)也是必然離散的，這樣的濾波器定義為數(shù)字濾波器。</p><p>　　數(shù)字濾

42、波器在數(shù)字信號處理的各種應(yīng)用中發(fā)揮這重要的作用，它是通過對采樣數(shù)據(jù)信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算處理來達(dá)到對頻域?yàn)V波的目的。數(shù)學(xué)運(yùn)算通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是頻域方法，利用FFT快速算法對輸入信號進(jìn)行離散傅里葉變換，分析其頻譜，然后根據(jù)所希望的頻率特性進(jìn)行濾波，再利用IFFT快速算法恢復(fù)時(shí)域信號，這種方法具有頻率選擇性和靈活性，并且由于信號頻譜與所希望的頻譜特性是簡單的相乘關(guān)系，它比計(jì)算等價(jià)的時(shí)域卷積要快得多。另一種方法是時(shí)域法，這種方法是對離散采樣

43、數(shù)據(jù)做差分方程數(shù)學(xué)運(yùn)算來達(dá)到濾波的最終的目的。</p><p>　　數(shù)字濾波器用硬件來實(shí)現(xiàn)的基本部件包括延遲器，乘法器和加法器；如果軟件來實(shí)現(xiàn)是，它即是一段線性總卷積程序。軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)函數(shù)具有可變性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并且易于獲得較理想的濾波性能，所以軟件濾波在濾波器的使用中起到了越來越中的作用。MATLAB信號處理工具箱的基本組成就是濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及譜分析。工具提供豐富而簡單的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)FIR和I

44、IR的方法，是原來繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡化成函數(shù)的使用，特別是濾波器表達(dá)式和濾波形式之間的相互轉(zhuǎn)換顯得十分簡單，為濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)開辟了一片廣闊的天地。</p><p>　　由于數(shù)字濾波器的概念比較抽象，加上其數(shù)字計(jì)算又比較繁瑣，所以借助好的計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，是數(shù)字濾波器研究領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢。這樣的軟件有很多種，其中最具代表性的就是MATLAB。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算及分析功能，可以對數(shù)字濾波器進(jìn)行

45、快速精確的設(shè)計(jì)，因其編程簡單直觀，用戶界面友善，開放性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自面世以來在國際上備受推崇，被IEEE稱為國際公認(rèn)最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。利用MATLAB的強(qiáng)大運(yùn)算功能，基于MATLAB的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)法可以快速有效的設(shè)計(jì)由軟件組成的常規(guī)數(shù)字濾波器，設(shè)計(jì)方便、快捷，極大的減輕了工作量。并可對不同的要求,隨時(shí)更改參數(shù)，以達(dá)到濾波器設(shè)計(jì)的最優(yōu)化[7]。利用MATLAB設(shè)計(jì)數(shù)字濾的方法產(chǎn)行生的數(shù)字濾波器系數(shù)能被許多設(shè)計(jì)軟件調(diào)用，通用性強(qiáng)。合理利

46、用MATLAB提供的強(qiáng)大工具支持和仿真工具，將為數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)帶來極大的便利。</p><p>　　我們知道數(shù)字濾波器，常常用來處理數(shù)字信號，常見的數(shù)字濾波器有FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器兩種類型。MATLAB一個(gè)處理信號的工具箱，用它們可以很快的設(shè)計(jì)出所需要的數(shù)字濾波器。我們所要研究的設(shè)計(jì)是基于MATLAB，利用這個(gè)工具來處理加入噪聲的聲音信號，這個(gè)樣我們就利用了數(shù)字信號的知識來對加入噪聲的聲音信號進(jìn)行時(shí)

47、域和頻域的分析。進(jìn)行一些推到，從而得到相應(yīng)的結(jié)論，之后利用MATLAB的工具箱來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的處理。在程序設(shè)計(jì)的過程中，我們可以運(yùn)用切比雪夫和巴特沃斯等方法，來設(shè)計(jì)高通濾波器，以及運(yùn)用MATLAB來完成課題中的一些計(jì)算和圖形的生成。由于數(shù)字濾波器要經(jīng)過仿真以及頻率特性分析，所以我們可以運(yùn)用MATLAB的工具箱來快速的設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器，這樣就更加簡便的設(shè)計(jì)出來能夠達(dá)到性能要求的濾波器。</p><p>　　數(shù)字濾

48、波器又可以分為FIR和IIR數(shù)字濾波器兩種類型，兩種類型濾波器都有各自的特點(diǎn)：FIR濾波器結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出到輸入的反饋，系統(tǒng)函數(shù)H (z)在處收斂，極點(diǎn)全部在z = 0處（因果系統(tǒng)），因而只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于IIR數(shù)字濾波器低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號經(jīng)過fir濾波器后他們的時(shí)間差不變，這是很好的性質(zhì)。FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對數(shù)字信號的處理，便

49、于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對實(shí)時(shí)的信號處理很重要。 FIR濾波器因具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多通帶（或多阻帶）濾波器等優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞[8]。</p><p>　　IIR濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。同時(shí)，IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波

50、器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。</p><p>　　3.2.2 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　在自己的設(shè)計(jì)中，選擇設(shè)計(jì)IIR高通數(shù)字濾波器。</p><p>　　下邊我們給出IIR高通數(shù)

51、字濾波器的主要程序：</p><p>　　%高通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　%濾波器階數(shù)N,IIR高通濾波器的截止頻率Wp(Hz),小于采樣頻率的1/4</p><p><b>　　figure(2)</b></p><p><b>　　ws=0.07;</b></p><

52、;p><b>　　wp=0.2;</b></p><p><b>　　Rp=1;</b></p><p><b>　　As=15;</b></p><p>　　[N, Wn]=buttord(wp,ws,Rp,As);</p><p>　　[b,a]=butter(N,W

53、n,'high');</p><p>　　[H,w]=freqz(b,a,250000,'whole');</p><p>　　magH=abs(H(1:201758));</p><p>　　phaH=angle(H(1:201758));</p><p>　　w=w(1:201758);</p>

54、<p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(w/pi,magH,'r');</p><p>　　title('高通IIR濾波器設(shè)計(jì)（wp=0.07ws=0.2）');</p><p>　　xlabel('幅頻特性');</p><p>　　axis([

55、0 0.5 0 1.2]);</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(w/pi,phaH/pi,'b');</p><p>　　xlabel('相頻特性');</p><p>　　axis([0 0.5 -1 1]);</p><p>　　得到濾

56、波器的頻域特性圖 如下：</p><p>　　圖3-7 濾波器的頻譜特性圖</p><p>　　4 失效噪聲的識別及結(jié)果分析</p><p>　　將收集到的六個(gè)聲音信號分別輸入完整的程序后，會得到對應(yīng)的聲音信號的波形及頻譜圖，然后就可以比較經(jīng)過濾波前后的波形及頻譜圖什么區(qū)別，整個(gè)濾波系統(tǒng)的完整程序如下：</p><p>　　%獲取聲

57、音信號的相應(yīng)圖形</p><p><b>　　%播放聲音</b></p><p>　　x=wavread('sound.wav');</p><p>　　fs = 10000; </p><p>　　wavplay(x,fs);</p><p><b>　　%繪制時(shí)域

58、圖形</b></p><p><b>　　figure(1)</b></p><p>　　m=length(x);%求出語音信號的長度</p><p>　　s=round(m/2);</p><p>　　n=[0:1:m-1];</p><p>　　subplot(2,1,1);<

59、;/p><p>　　plot(n,x,'r');</p><p>　　title('獲取聲音信號的波形圖');</p><p>　　xlabel('時(shí)域圖形');</p><p>　　axis([0 100000 -10 10])</p><p><b>　　%繪制

60、頻域圖形</b></p><p>　　w1=abs(fft(x));</p><p>　　stepf=fs/m;</p><p>　　n1=0:stepf:fs/2-stepf;</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(n1,w1(1:m/2),'b'

61、;);</p><p>　　xlabel('頻域圖形');</p><p>　　axis([0 3000 0 3000])</p><p>　　%高通濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　%濾波器階數(shù)N,IIR高通濾波器的截止頻率Wp(Hz),小于采樣頻率的1/4</p><p>　　figure(2)

62、</p><p><b>　　ws=0.07;</b></p><p><b>　　wp=0.2;</b></p><p><b>　　Rp=1;</b></p><p><b>　　As=15;</b></p><p>　　[N,

63、 Wn]=buttord(wp,ws,Rp,As);</p><p>　　[b,a]=butter(N,Wn,'high');</p><p>　　[H,w]=freqz(b,a,250000,'whole');</p><p>　　magH=abs(H(1:201758));</p><p>　　phaH=a

64、ngle(H(1:201758));</p><p>　　w=w(1:201758);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(w/pi,magH,'r');</p><p>　　title('高通IIR濾波器設(shè)計(jì)（wp=0.07ws=0.2）');</p>

65、<p>　　xlabel('幅頻特性');</p><p>　　axis([0 0.5 0 1.2]);</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p>　　plot(w/pi,phaH/pi,'b');</p><p>　　xlabel('相頻特性');<

66、;/p><p>　　axis([0 0.5 -1 1]);</p><p>　　%畫出經(jīng)過濾波器的聲音信號的時(shí)域特性</p><p><b>　　figure(3)</b></p><p>　　x1=filter(b,a,x);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p>

67、<p>　　plot(n,x1,'r');</p><p><b>　　grid;</b></p><p>　　title('濾波后聲音的波形');</p><p>　　axis([0 100000 -10 10]);</p><p>　　%畫出經(jīng)過濾波器的聲音信號的幅頻特性&

68、lt;/p><p>　　w2=abs(fft(x1));</p><p>　　stepf=fs/m;</p><p>　　n1=0:stepf:fs/2-stepf;</p><p>　　ubplot(2,1,2);</p><p>　　plot(n1,w2(1:m/2),'r');</p>

69、<p>　　axis([0 3000 0 3000]);</p><p>　　title('濾波后聲音的幅頻特性');</p><p>　　得到濾波后的波形圖為：</p><p>　　圖4-1 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p><p>　　圖4-2 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p>

70、<p>　　圖4-3 機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p><p>　　圖4-4 機(jī)械失效時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p><p>　　圖4-5 機(jī)械失效時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p><p>　　圖4-6 機(jī)械失效時(shí)濾波后的波形及頻譜圖</p><p>　　總結(jié)以上圖形：由濾波前后機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音信號的波形及頻譜圖可

71、以明顯的觀察到，濾波后，機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音信號的所有波形都減弱了，但是由聲音頻譜圖可以觀察到，機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)低頻聲音大部分都被濾掉了，只保留下來極少的高頻段的信號；機(jī)械失效時(shí)的聲音信號波形減弱了，但是由聲音的頻譜圖可以觀察出，機(jī)械失效時(shí)的聲音信號一小部分被濾去了，大部分的高頻保留了下來。這就再次的證明了，當(dāng)機(jī)械失效時(shí)，機(jī)械零部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音的頻率往往高于機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音的頻率。所以，由我們所設(shè)計(jì)的高通濾波器來進(jìn)行處理機(jī)械

72、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的聲音信號，然后再來觀察經(jīng)過處理的頻譜圖，就可以很容易的判斷出來機(jī)械零部件是否在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后就可以最大限度的減少由于機(jī)械零部件失效鎖單來的損失。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　從課題的中心來看，課題“基于MATLAB的機(jī)械零部件失效噪聲識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)這一實(shí)際領(lǐng)域，我們用男性的低

73、頻聲音來代替機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的聲音，女性的高頻聲音來代替失效噪聲，這里就是指對語音高低頻的處理。我們把這些聲音信號存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，但是由于它們本來已經(jīng)是離散過后的向量，我們之要把這些已經(jīng)離散的向量拿出來，對其分析處理就可以進(jìn)行了。上述所說的，都需要以MATLAB為基礎(chǔ)，才可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過其中的一些函數(shù)，我們就可以吧聲音和數(shù)字信號聯(lián)系起來。</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)最主要的部分在于我們把聲音信號用向量的定義來

74、處理，從而聲音信號就可以數(shù)字化了。于是我們就可以把高頻和低頻聲音信號的問題轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的問題來解決。通過男女語音的波形及頻譜圖的對比，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，濾波后語音的波形都變?nèi)趿?；男性聲音的頻率較低，所以頻譜圖中大部分的音頻都被濾去了，而由于女性聲音的頻率較高，大部分的音頻都保留下來了，通過這樣，我們就能通過觀察聲音波形及頻譜圖，來檢測機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的聲音信號。設(shè)計(jì)的不足時(shí)我們需要不斷的收集信號，這樣才可能保證機(jī)械正常的運(yùn)行，然而我們

75、從收集信號到處理完，中間學(xué)要等一個(gè)時(shí)間，在這個(gè)過程中不能準(zhǔn)確的判斷機(jī)械是否失效。但是之后我們就可以通過觀察濾波后的聲音信號的波形及頻譜圖來判斷機(jī)械零部件是否失效，如果真的失效，也可以及時(shí)的采取相應(yīng)的措施，這樣就可以為保證機(jī)械的正常運(yùn)行提供有力的保障。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識到了在機(jī)械領(lǐng)域?yàn)V波器的廣泛用途，

76、在這里我要向一直給予我?guī)椭膞xx老師表示感謝，是他讓我加深了獨(dú)自分析問題耐心，加強(qiáng)了我對那一些難點(diǎn)問題解決的能力，在這期間我還收到了身邊朋友還有同學(xué)的大量幫助，在這也要對他們表示深深的謝意，沒有他們對我的幫助，我也不會完整的做出自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。每天去圖書館查閱資料，也讓本來覺得枯燥乏味的設(shè)計(jì)，變得豐富起來，最后通過書籍上的知識和周圍老師同學(xué)的幫助，解決了一個(gè)個(gè)的難題，期間我們也有爭吵，到之后才發(fā)現(xiàn)其實(shí)我們都一直在進(jìn)步，還是要感謝xx老

77、師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)太度，一直激勵(lì)著自己往前更進(jìn)一步，相信這些東西在不久的將來步入社會后，會愈加的珍貴難得，自己也將終生的保留老師同學(xué)給自己保留下來的財(cái)富。</p><p>　　最后，再次感謝給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 蔣志凱．?dāng)?shù)字濾波與卡爾曼濾波[M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出

78、版社，1993</p><p>　　[2] 曾喆昭，張志飛．模擬低通濾波器電路設(shè)計(jì)[J]．電子測量技術(shù)，2000，01 .</p><p>　　[3] 樓順天，李博菡．基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)－信號處理[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998．</p><p>　　[4] 胡廣書．?dāng)?shù)字信號處理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003.</p>

79、<p>　　[5] 邱關(guān)源．電網(wǎng)絡(luò)理論[M]．北京：科學(xué)出版社，1988.</p><p>　　[6] 盧特威，朱義勝．信號處理濾波器設(shè)計(jì)—基于MATLAB和Mathematica的設(shè)計(jì)方法[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[7] 石云霞，張志偉，范秋華．Matlab在濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.</p>