技术领域
[0001] 本发明涉及发电机组检测技术领域，尤其针对发电机组槽楔检测的特点，开发一种基于发电机组定转子窄间隙敲击声音信号的槽楔检测方法及系统。
相关背景技术
[0002] 现有发电机组槽楔松紧状态的检测，需要将发电机组提升到地面，采用人工敲击的方式判断槽楔的状态，影响发电机组的使用，效率低，依赖个人经验。因此，如何在发电机组保持原有位置的情况下，采用设备自动检测，通过自动声音分析识别槽楔状态，成为亟待解决的技术问题。
具体实施方式
[0053] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步的详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因次本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0054] 本发明公开一种发电机组定转子窄间隙敲击声音的信号采集方法和系统。通过自动化设备，采集发电机组定转子槽楔的敲击声音，通过对敲击声音的频率分析、时域分析、频域分析，提取声音的特征，并与槽楔各种状态的声音样本进行对比，获取槽楔的松紧状态。自动设备可以对发电机组所有槽楔进行快速检测，自动保存原始数据及生成与槽楔位置匹配的松紧模式云图报告。
[0055] 本发明提供了一种基于音频分析的方法，用于识别和评估发电机组槽楔的松紧状态。敲击声音端点检测，利用时域检测和频域检测相结合的方法，确定敲击声音的开始和结束位置。此过程中，采用音量门槛值、过零率门槛以及高阶差分(High Order Difference)来精确检测端点。
[0056] 分析音频的绝对音量和分贝值，生成随时间变化的波形图，以便进一步的分析。分析敲击声音的有效数据：重点分析音量、音高、音色和过零率等声音特征。采用短时距分析方法，将声音切成多个帧，每帧大约20毫秒，分别计算每帧的音量和过零率。
[0057] 本系统基于声音频域检测。声音在频域里面，特征更加明显。敲击声音在频谱上会有重复的谐波结构(harmonic structures)，因此使用频谱的Variance或是Entropy来进行端点侦测，能量分布将主要偏向低频段。
[0058] 通过精确地捕捉、分析和比较发电机组敲击声音的特征，能有效评估槽楔的松紧状态，为设备维护提供了一种高效的技术手段。
[0059] 在发电机组定转子窄间隙敲击声音信号采集装置和系统的最后阶段，进行的是音频数据的对比分析，以确定发电机组槽楔的松紧状态。此过程涉及以下几个关键步骤：
[0060] 特征提取：从之前步骤中录制和处理的音频数据中提取关键特征。这些特征包括音量(Volume)、音高(Pitch)、音色(Timbre)和过零率(Zero Crossing Rate)。这些特征是通过对每个音频帧进行分析获得的，其中每个帧的长度大约为20毫秒。
[0061] 音频对比分析：将当前采集到的音频数据与已知的松紧状态对应的音频特征进行对比。这可以通过模式识别算法来实现，如支持向量机(SVM)、随机森林或深度学习模型等。
[0062] 状态识别：基于对比分析的结果，系统能够识别出槽楔的松紧状态。这可能涉及到对音频特征的多维度分析，以便准确地分类。
[0063] 结果展示：系统将识别结果以直观的方式呈现，如通过图形界面显示槽楔的松紧状态。此外，系统还可以生成与槽楔位置匹配的松紧模式云图报告，为操作人员提供详细的视觉参考。
[0064] 预警与报告：如果识别结果表明槽楔状态存在问题，系统可以自动触发预警机制。同时，所有原始数据和分析结果都将被自动保存，用于生成详细的报告，供未来的参考和分析。
[0065] 这一系统通过高精度的声学信号分析，自动化地识别发电机组槽楔的松紧状态，大大提高了检测效率并减少了对个人经验的依赖。此系统的应用不仅能提高发电机组的维护效率，还能帮助预防由于槽楔松动可能导致的设备故障，从而保证发电机组的稳定运行。如图1所示，为本方法流程图，包括以下步骤：
[0066] 1)在界面中设定参数和指令，发送给后台的上位机执行；
[0067] 2)开启话筒；
[0068] 3)控制敲击锤对监测点位进行敲击；
[0069] 3)保存话筒采集的声波信息并记录相应位置；
[0070] 4)关闭话筒；
[0071] 5)是否完成全部采集，若是则停止通信，否则返回步骤2)移动至下一监测点继续采集声音信号；
[0072] 6)对当前批次的声波信号进行分析，输出结果。
[0073] 具体实例如下：
[0074] 1.录音、保存敲击音频数据：
[0075] 通过声卡，对敲击声音进行采样、量化、编码，保存为WAV文件格式。WAV文件在PCM文件的前面加上了格式信息,是没有压缩过的音频文件格式。
[0076] 采用48000HZ 32bit 51ch采样,采样数据用32位(4字节浮点型)记录，以4个字节为一个单元，左右声道交替纪录的整数数组。图2为本发明方法敲击声音采集图。
[0077] 2.去除环境噪音：
[0078] 在录制过程中，由于多种原因，包括环境噪音、静态效应、和交流电压信号，录制的语音信号会在非零时变值附近振荡(偏移)。为了避免在一帧内出现这种漂移，通过多项式拟合来识别时变零曲线(就是说即使没有声音的情况下，也有在0点附近的信号时变近0信号)，并通过在原始帧的曲线中删除噪音子轨道来消除漂移。加上偏移之后的过零率，很明显加偏移后，纯噪音的过零率都变成0了。从而和清音区分开来。(清音、噪音的过零率较大，而加偏移后，噪音的过零率变成0)。
[0079] 为了使用过零率ZCR来区分清音(unvoiced sound)和环境噪音，我们在计算ZCR之前做一个波形的偏移。
[0080] 3.敲击声音端点检测：
[0081] 端点检测(End‑point Detection，简称EPD)的目标，是要找到敲击声音的开始和结束的位置，端点检测在以下的声音分析和对比中，起到重要作用。端点检测常用的方法是时域检测方法，计算量比较小，比较容易移植到计算能力较差的计算机平台。时域检测方法只使用音量来进行端点侦测，是最简单的方法，但是会对噪音造成误判。不同的音量计算方式也会造成端点侦测结果的不同。
[0082] 因此，在进行端点检测时，采用了频域(Frequency Domain)检测方法，计算量比较大，适用于计算能力较强的计算机平台。
[0083] 频谱的Variance(spectral variances)：浊音的频谱变化较规律，Variance较低，可作为判断端点的基准。频谱的Entropy：浊音的规则的频谱幅度会产生低的熵值，因此我们可以使用使用Entropy来做为EPD检测的一个条件。
[0084] 图3为敲击音频分析图；图4为敲击声音幅度图；图5为敲击声音频谱图；图中以时间为横轴，频率为纵轴，同时用不同颜色标记能量值的语音信号图；红色表示高能量的部分，蓝色是低能量的部分。
[0085] 简述如下：
[0086] 以高音量门槛值(tu)为标准，决定端点，作为初始短点；
[0087] 将端点前后延伸到低音量门槛值(tl)处；
[0088] 再将端点前后延伸到过零率门槛(tzc)处，以包含语音中的清音部分。
[0089] 此方法用到三个参数(tu、tl、tzc)，若电脑计算能力够强，可用各种搜索法来调整这三个参数，否则，就只有靠观察法及经验值。
[0090] 结合音量和高阶差分(High Order Difference)来检测，找到清音(Unvoiced Sound)的部分。High Order Diffrence:计算多次差分(diff)。差分就是用后一个信号减去前一个信号的值。
[0091] 差分的计算方法，对于(‑1 1 ‑1 1 ‑1 1 ‑1 1)这一帧信号：
[0092] 一阶差分diff(s)＝(2 ‑2 2 ‑2 2 ‑2 2)，
[0093] 二阶差分diff(diff(s))＝(‑4 4 ‑4 4 ‑4 4)，
[0094] 三阶差分diff(diff(diff(s)))＝(8 ‑8 8 ‑8 8)。
[0095] 通过Volume+SOD来识别清音(U)的部分，使用高阶差分，计算出来清音的值很高。这样就能跟静音区分开来。
[0096] 组合计算音量volume和HOD来做端点检测的方法如下:
[0097] 计算音量(VOL)和n阶差分(HOD)的绝对值和；
[0098] 2)在[0,1]内选择一个加权因子w以计算新曲线VH＝w*VOL+(1‑w)*HOD；
[0099] 3)找到一个比率r来计算VH的阈值t以确定端点。阈值等于VHmin+(VHmax‑VHmin)*r。
[0100] 上述方法涉及三个待确定的参数：n、w、r。这些参数的典型值为n＝1、w＝0.76和r＝0.012。但是，这些值因数据集而异，使用目标数据集来调整这些值以获得更稳健的结果。
[0101] 4.音量、波形分析：
[0102] 分析绝对的音量，以及分贝值，得到这样的随着时间变化的波形图；图6‑图8分别为本发明的方法的绝对的音量图，分贝值图，以及与样本比较作差后的分贝值图。
[0103] 5.分析敲击声音的有效数据；
[0104] 声音的几个主要特征有音量Volume,音高Pitch,音色Timbre另外一个重要的特征是过零率zero crossing rate。
[0105] 当我们在分析声音时，通常以「短时距分析」(Short‑term Analysis)为主，因为音讯在短时间内是相对稳定的。我们通常将声音先切成帧(Frame)，每一帧长度大约在20ms左右，再根据帧内的信号来进行分析。
[0106] 计算音量(Volume/Intensity/Energe):
[0107] 「音量」代表声音的强度，又称为「响度」、「强度」(Intensity)或「能量」(Energy)，可由一个音框内的讯号震幅大小来类比，计算方法如下：
[0108] 每一个音帧的信号值平方值的总和，再取以10为底对数值，再乘以10.这种方法得到的值是以分贝(Decibels)为单位，是一个相对强度的值，比较符合人耳对于大小声音的感觉。
[0109] 在计算前先减去音讯讯号的平均值，以避免讯号的直流偏移(DC Bias)所导致的误差。对于绝对值加和的方法，通常减去中位数(median subtraction)来计算；而对于平方和取对数计算分贝的方法，通常减去平均数(mean substraction)来计算(目的都是为了使得一帧的总音量值在减去噪音的影响后尽可能小)。
[0110] 计算过零率(Zero Crossing Rate)
[0111] 「过零率」(Zero Crossing Rate，简称ZCR)是在声音信号的每一帧中，声音信号的采样值通过零点的次数，具有下列特性：
[0112] 1).一般而言，噪音及清音(unvoiced sound)的过零率均大于浊音(voiced sound)具有清晰可辨之音高，例如母音)。
[0113] 2).ZCR是噪音和清音(unvoiced sound)两者较难从过零率来分辨，会依照录音情况及环境噪音而互有高低。但通常清音的音量会大于噪音。
[0114] 3).通常用在端点侦测，特别是用在估测清音的起始位置及结束位置。
[0115] 4).可用来预估讯号的基频，但很容易出错，所以必须先进行前处理。
[0116] 为了避免直流偏移，通常需要在每一帧里面减去均值。可视化之后看到每个时刻点的信号量(归一后的信号量)、过零率，如图10所示，图9为对应的原始音频。
[0117] 计算音高
[0118] 「音高」(Pitch)是声音的重要特征，音高代表声音频率的高低，而此频率指的是「基本频率」(Fundamental Frequency)，也就是「基本周期」(Fundamental Period)的倒数。
[0119] 音高的计算公式：
[0120] pitch＝69+12*log2(ff/440)
[0121] 其中ff是基本频率。
[0122] 6、对比音频数据，获取发电机组槽楔松紧状态：
[0123] 从声音信号中提取有意义的特征，进一步分析或分类。
[0124] 特征提取：从之前步骤中录制和处理的音频数据中提取关键特征。这些特征包括音量(Volume)、音高(Pitch)、音色(Timbre)和过零率(Zero Crossing Rate)。这些特征是通过对每个音频帧进行分析获得的，其中每个帧的长度大约为20毫秒。
[0125] 音频对比分析：将当前采集到的音频数据与已知的松紧状态对应的音频特征进行对比。这可以通过模式识别算法来实现，如支持向量机(SVM)、随机森林或深度学习模型等。
[0126] 状态识别：基于对比分析的结果，系统能够识别出槽楔的松紧状态(松或紧的二分类)。这涉及到对音频特征的多维度分析，以便准确地分类。
[0127] 本发明还提供一种基于发电机组定转子窄间隙敲击声音信号的槽楔检测系统，如图11‑图13所示，包括：直线驱动模组及设置于直线驱动模组上的敲击作业单体7和声音采集模块、上位机，其中直线驱动模组用于带动敲击作业单体7和声音采集模块在发电机组定转子窄间隙内进行直线运动，敲击作业单体7用于对定子槽楔6进行敲击作业，声音采集模块用于采集敲击作业单体7敲击振动产生的声音信号，上位机中设有如下各程序模块，当执行各程序时对工业现场采集声音信号进行辨识处理，从而识别发电机组设定点位的槽楔松紧状态，判别故障与否；所述程序模块包括：
[0128] 声学信号采集模块，用于采集发电机组定转子窄间隙内敲击定子壁上的定子槽楔6产生的敲击声音信号；
[0129] 敲击信号处理模块，用于提取敲击特征数据；
[0130] 特征数据库模块，用于存储特征数据；
[0131] 辨识模型模块，用于建立模式识别模型，以特征数据库的数据为输入进行迭代训练，使得模型输出对应点位的槽楔块松紧状态，用于实时判别；
[0132] 工业现场实时检测模块，用于输出指令控制声学信号采集模块采集发电机组定转子窄间隙内敲击定子槽楔6上的预设点位的敲击声音信号；控制敲击信号处理模块提取敲击特征数据；控制辨识模型模块以敲击特征数据为输入，自动输出待测槽楔各点位的松紧状态。
[0133] 所述上位机中还包括可视化模块，用于在前端设置界面，与用户进行指令和数据交互，控制后台的各个程序模块协同运行，以及将采集的声音信号和辨识处理过程和结果数据直观展示在界面上，所述结果数据包括仿真生成的各点位槽楔松紧模式云图报告，以及文本分析显示结果和预警，云图报告上带有槽楔块仿真图以及在对应槽楔块上标记的松紧状态结果数据。
[0134] 如图12、图13所示，本发明的实施例中，直线驱动模组包括皮带驱动机构4和直线导轨组件5，其中直线导轨组件5包括升降导轨501、安装架502及导轨滑块503，其中导轨滑块503与升降导轨501滑动配合，安装架502与导轨滑块503连接，敲击作业单体7和声音采集模块均设置于安装架502上；皮带驱动机构4中的皮带与升降导轨501平行设置，且皮带与导轨滑块503连接。工作时，皮带旋转带动导轨滑块503沿升降导轨501上下滑动，从而带动敲击作业单体7和声音采集模块升降。根据具体作业工况，直线驱动模组也可采用双级或多级伸缩结构，以实现狭缝内长距离作业。
[0135] 如图13至图17所示，本发明的实施例中，敲击作业单体7包括基座701、吸合衔铁组件、电磁铁705、敲击锤及敲击锤复位组件，其中基座701与直线驱动模组中的安装架502连接，电磁铁705设置于基座701上，吸合衔铁组件与基座701的下端铰接，敲击锤转动安装在基座701的上端，且敲击锤的下端与吸合衔铁组件活动连接，电磁铁705通电与吸合衔铁组件吸合时，带动敲击锤摆动进行敲击；敲击锤复位组件设置于基座701的后侧，且与敲击锤的上部连接，敲击锤复位组件用于敲击锤的复位。
[0136] 本发明的实施例中，吸合衔铁组件包括吸合衔铁702和吸合衔铁固定架703，其中吸合衔铁702安装在吸合衔铁固定架703上，吸合衔铁固定架703的下端通过吸合衔铁固定架回转轴704与基座701连接，吸合衔铁固定架703的上端与敲击锤活动连接。当控制电磁铁705通电时间和电压，可实现对吸合衔铁702吸合控制的时间和力度。当电磁铁705通电吸合吸合衔铁702，吸合衔铁固定架703可绕吸合衔铁固定架回转轴704转动。
[0137] 优选地，电磁铁705采用超薄结构，其厚度值小于12mm，本实施例中采用10mm超薄电磁铁。
[0138] 本发明的实施例中，敲击锤包括敲击锤柄708及设置于敲击锤柄708上端前侧的敲击锤头709，其中敲击锤柄708的下部通过敲击锤柄回转轴707与基座701连接，敲击锤柄708可绕敲击锤柄回转轴707转动。敲击锤柄708的下端沿长度方向设有滑槽，滑槽通过敲击锤柄驱动轴706与吸合衔铁组件中的吸合衔铁固定架703连接。敲击锤敲击可通过二级杠杆机构传动原理，对较小距离的电磁吸合驱动行程进行逐级放大，可达到理想的敲击效果。
[0139] 进一步地，如图15所示，敲击锤柄708的上部为镂空结构，镂空结构内设有用于与敲击锤复位组件连接的锤头复位拉杆710。
[0140] 如图14、图15所示，本发明的实施例中，敲击锤复位组件包括复位拉线滑轮轴711、拉线滑轮轴支架712、复位拉线滑轮714及弹性拉线组件，其中拉线滑轮轴支架712的下端与基座701固定连接，复位拉线滑轮轴711设置于拉线滑轮轴支架712的上端，复位拉线滑轮714转动安装在复位拉线滑轮轴711上，弹性拉线组件经过复位拉线滑轮714，且上端与敲击锤柄708上的锤头复位拉杆710连接，弹性拉线组件的下端与基座701连接。
[0141] 具体地，弹性拉线组件包括复位拉线713和复位弹簧716，其中复位弹簧716的一端与基座701连接，另一端与复位拉线713的一端连接，复位拉线713经过复位拉线滑轮714后，另一端与锤头复位拉杆710连接，复位拉线滑轮714可支撑及导向复位拉线713。
[0142] 进一步地，拉线滑轮轴支架712为两个，且两个拉线滑轮轴支架712之间连接有复位限位挡杆715，复位限位挡杆715位于复位拉线滑轮14的下方，复位限位挡杆715保证敲击锤的复位位置处于垂直的初始状态。
[0143] 如图13所示，本发明的实施例中，敲击作业单体7的数量为两个，声音采集模块设置于两个敲击作业单体7之间；声音采集模块包括声音采集模块支架和设置于声音采集模块支架上的拾音器8，其中拾音器8靠近两个敲击作业单体7中敲击锤头709设置。拾音器8为市场成熟产品，本实施例中采用铁三角AT899超小型全指向性话筒。
[0144] 本发明提供的一种发电机组定转子窄间隙槽楔检测敲击作业装置，其工作原理是：
[0145] 如图11至图13所示，将本发明提供的一种发电机组定转子窄间隙槽楔检测敲击作业装置，放置在发电机组转子1和发电机组定子3之间的定转子间隙2中，如图11所示。直线驱动模组带动敲击作业单体7和声音采集模块在定转子间隙2内进行直线运动，敲击作业单体7的敲击锤头通过驱动电磁铁的吸合动作对定子壁上的定子槽楔6进行敲击，敲击声音通过拾音器8进行实时采集，采集的声音数据传输到软件系统进行处理；完成此位置槽楔敲击检测后，敲击作业单体7和拾音器8通过导轨滑块503沿升降导轨501垂直移动，进行下一个位置的敲击声音采集。
[0146] 敲击作业单体7的工作原理是：
[0147] 当吸合衔铁固定架703绕吸合衔铁固定架回转轴704转动时，可带动敲击锤柄驱动轴706水平摆动。由于敲击锤柄708上的滑槽通过敲击锤柄驱动轴706与吸合衔铁固定架703连接，因此当电磁铁705吸合吸合衔铁702时，吸合衔铁固定架703可绕吸合衔铁固定架回转轴704转动，同时通过敲击锤柄驱动轴706处滑槽带动敲击锤柄708绕敲击锤柄回转轴707转动。敲击锤头709安装在敲击锤柄708的末端，因此可实现敲击锤头709水平方向的前移或者后移。此时由于敲击锤柄708的逆时针转动，复位拉线713处于伸长状态，如图7所示。当电磁铁705释放吸合衔铁702时，复位弹簧716此时需要恢复初始状态，因此通过复位拉线713使得敲击锤柄708向反方向运动，进而带动敲击锤头709向反方向运动，使得整个装置回到初始状态，如图16所示。
[0148] 本发明的实施例中，通过超薄型的电磁铁705作为驱动力输出，可很好的适应定转子窄间隙的作业空间，同时通过改变电磁铁705的吸力特性来达到最佳敲击效果，电磁铁吸力随着通入电磁铁705的电流的增大而上升，可以通过控制电磁铁电流的大小来控制电磁铁705的吸力从而来控制敲击力大小可调的目的。敲击锤敲击可通过二级杠杆机构传动原理，对较小距离的电磁吸合驱动行程进行逐级放大，可达到理想的敲击效果，解决电磁铁吸合有效行程短的问题。通过改变电磁铁通断电时机和频次，同时配合敲击锤头动作的冲击特性，可采集到理想的声音信息以便于进行后期处理。后期处理具体为：通过对敲击声音的频率分析、时域分析、频域分析，提取声音的特征，并与槽楔各种状态的声音样本进行对比，获取槽楔的松紧状态。本发明可以对发电机组所有槽楔进行快速检测，自动保存原始数据及生成与槽楔位置匹配的松紧模式云图报告。
[0149] 本发明提供的一种发电机组定转子窄间隙槽楔检测敲击作业装置，用于发电机组定转子内部检查处理作业，可以基于敲击振动产生的声音信号实现对发电机定子槽楔松紧度的无损检测。该装置可用于狭长间隙的敲击作业，可通过狭小的缝隙进入待作业空间，该作业机构具有尺寸小、结构简单和易于实现等优点，使用范围广泛。
[0150] 最后说明的是，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
