基于内禀尺度分量的自适应时频分析方法

在定义一种瞬时频率具有物理意义的单分量信号—内禀尺度分量(简称ISC)的基础上,提出一种新的信号自适应时频分析方法—局部特征尺度分解方法(简称LCD)。LCD方法可以自适应地将任意一个复杂信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的ISC分量之和。对LCD方法的基本理论进行研究,分别采用LCD方法和经验模态分解(简称EMD)方法对仿真信号进行分析,对比结果表明:LCD方法的有效性及在端点效应、计算时间等方面都优于EMD方法,并且把LCD方法应用于齿轮的实验振动信号分析,LCD方法可以有效地应用于齿轮故障诊断。

基于内禀尺度分量符号熵和ANNC的齿轮故障诊断方法

为提高齿轮故障诊断的准确率,提出了基于内禀尺度分量符号熵和ANNC的齿轮故障诊断方法。该方法利用局部特征尺度分解(LCD)对齿轮振动信号进行分解,获取原始信号不同尺度下的内禀尺度分量(ISC);根据符号熵能有效区分不同故障信号的复杂度,计算ISC分量的符号熵,获得原始信号多个尺度下的复杂度特征作为齿轮故障的特征参数;将该特征参数输入ANNC分类器中判断齿轮故障,实现故障诊断。齿轮故障诊断实验结果表明,所提方法能够有效地识别齿轮的典型故障,相比其他一些方法,具有一定的优势。

沙粒内禀尺度对道床宏细观力学特性影响研究

从数学领域的随机填充法入手,建立不同沙粒尺寸自组织轨道结构离散元分析模型,并借助“胞分法”保证沙粒粒径改变前后颗粒体系质量守恒。开展风沙区铁路轨道结构动测试验,标定接触模型的微观参数,验证离散元模型的正确性。在此基础上,利用不同沙粒粒径的数值试验,进行系统的道床宏细观力学特性分析。结果表明:沙粒内禀尺度愈小,道砟平均接触力愈小;道床内部颗粒之间的接触力概率密度随着接触力的增大而逐渐减小,沙粒粒径愈小,较大接触力出现的概率越低;峰值荷载作用下接触力玫瑰图表明,沙粒胞元愈多,道床中颗粒数目愈多,道砟颗粒接触力方向各向异性愈强,而道床中强接触力愈少;随着沙粒内禀尺度的逐渐减小,道床中高应力区域逐渐减小,低应力区域占比越来越高,道床应力均匀化程度增强。风沙道床研究中沙粒粒径合理尺度应介于0.51~1.02 mm之间。

基于胞元模型的土体应变局部化试验与机理研究

土体的碎散性和天然性使其变形和强度特性具有明显的尺度效应,所以研究土体应变局部化过程,不能忽略级配颗粒的分布和比例关系,须从多个尺度层面表征宏观力学特性。基于胞元模型理论,将土体视作由加强颗粒和基质组成的散体材料,通过三轴压缩试验研究不同加强颗粒粒径试样的内禀尺度规律,并通过数值模拟方法研究了细观层面剪切带的形成过程和启动机理;引入平均应变能释放系数,量化了土体在到达峰值应力之后试样整体的应变能转化情况,再现了多带的启动和渐进竞争过程。结果表明:不同尺度的加强颗粒强度试验说明颗粒的非连续性使土体具有尺寸效应,内禀尺度与粒径之比随加强颗粒尺度增大而减小。在应力峰值前非弹性耗散能增加,引发应变局部化;峰值后,剪切带内应变急速增大,带外发生回弹。

一种新的非平稳信号分析方法——局部特征尺度分解法

在定义瞬时频率具有物理意义的内禀尺度分量(Intrinsic scale component,简称ISC)的基础上,提出了一种新的非平稳信号分析方法——局部特征尺度分解方法(Local characteristic-scale decomposition,简称LCD),该方法能够自适应地将一个复杂信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的内禀尺度分量之和。首先对LCD方法的原理进行了分析,然后给出了采用LCD对信号进行分解的详细步骤,最后采用仿真信号对LCD和经验模态分解(Empirical mode decomposition,简称EMD)方法进行了对比分析,结果表明了LCD方法的有效性及在端点效应、迭代次数和分解时间等方面都优于EMD分解方法。

局部特征尺度分解方法及其在齿轮故障诊断中的应用

在定义瞬时频率具有物理意义的单分量信号——内禀尺度分量(Intrinsic scale component,ISC)的基础上,提出一种新的自适应信号分解方法——局部特征尺度分解(Local characteristic-scale decomposition,LCD)。LCD方法可以自适应地将任何一个复杂信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的ISC分量之和,非常适合于处理多分量的调幅—调频信号。当齿轮发生故障时,其振动信号一般为多分量的调幅—调频信号,因此局部特征尺度分解方法可以有效地应用于齿轮故障诊断。对LCD和经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)、局部均值分解(Local mean decomposition,LMD)方法进行对比,结果表明了LCD方法的优越性。同时,针对齿轮故障振动信号的调制特征,将LCD方法和包络分析法相结合应用于齿轮故障诊断,对实际的齿轮故障振动信号进行分析,结果表明LCD方法可以有效地应用于齿轮故障诊断。

一种新的时频分析方法——局部特征尺度分解

在定义瞬时频率具有物理意义的内禀尺度分量(Intrinsic scale component,ISC)的基础上,提出了一种新的自适应时频分析方法——局部特征尺度分解(Local charac-teristic-scale decomposition,LCD),该方法可以自适应地将一个复杂信号分解为若干个ISC分量之和.分别采用LCD方法和经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法对仿真信号进行了分析,分析结果表明:2种方法都可以有效地对信号进行分解,但LCD方法在计算效率和抑制端点效应等方面要优于EMD方法.此外,还将LCD方法应用于滚动轴承故障诊断,实验信号的分析结果进一步表明了该方法的有效性.

广义局部特征尺度分解方法及其应用

针对自适应时频分析方法局部特征尺度分解(Local Characteristic-scale Decomposition,LCD)方法中均值曲线插值点的属性主要由相邻两同类极值点的属性决定,不能很好地体现数据的整体变化趋势,从而可能引起分解精度降低,提出了广义局部特征尺度分解(Generalized Local Characteristic-scale Decomposition,GLCD)方法。该方法在借鉴EMD和LCD等方法思路的基础上,采用典型的数值计算方法定义了5种不同的均值曲线,并定义了瞬时频率具有物理意义的广义内禀尺度分量(Generalized Intrinsic Scale Component,GISC)和GISC判据。GLCD从不同均值曲线筛分得到的每一阶分量中选取最优分量作为该阶最终的GISC,确保了最终结果为最优。研究了GLCD方法的原理及GISC判据,通过仿真信号将GLCD方法与LCD方法进行了对比,结果表明GLCD在提高分量精确性和正交性等方面具有一定的优越性,并将GLCD方法应用于转子不对中和碰摩故障的诊断,结果表明了方法的有效性。

局部特征尺度分解方法及其分解能力研究

在研究内禀时间尺度分解(Intrinsic Time-Scale Decomposition,ITD)方法的基础上提出了一种新的自适应时频分析方法——局部特征尺度分解(Local Characteristic-scale Decomposition,LCD)方法,该方法可以自适应地将一个复杂的多分量信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的内禀尺度分量(Intrinsic Scale Component,ISC)之和。对LCD方法的基本原理进行了阐述,通过建立分解能力研究模型分别研究了分量信号的频率比、幅值比和初相位差以及单个分量迭代次数对LCD方法分解能力的影响,并给出了多分量信号可由LCD方法分解的大致条件。

基于分段多项式的局部特征尺度分解方法及应用

针对局部特征尺度分解(Local Characteristic-scale Decomposition,LCD)方法中两极值点连线在极值点处一阶微分不连续,引起分解精度降低问题,提出新非平稳信号分析方法 -基于分段多项式的局部特征尺度分解(Piecewise Polynomial based Local Characteristic-scale Decomposition,PPLCD)。用分段多项式取代LCD中直线连接,且均值曲线插值点由相邻3个同类极值点构成的多项式计算产生。通过仿真信号将PPLCD与LCD对比,结果表明,PPLCD在提高分量正交性、精确性等具有一定优越性;由转子碰摩故障诊断表明该方法的有效性。

土体介质强度尺度效应的理论与试验研究

为考虑土体微细观结构特征对其宏观强度特性的影响,根据土颗粒的大小及其连结性状,以一定的尺寸界限将土体分成基体和加强颗粒2种介质,基于应变梯度理论,引入适应基体与加强颗粒变形相容性要求的几何协调微裂纹概念,建立可描述土体强度尺度效应并具有多尺度理论框架的基体–加强颗粒模型。该模型揭示土体的强度与内禀尺度、应变梯度、基体性质以及加强颗粒的粒径和级配有关。设计一系列非饱和重塑土的三轴固结不排水剪切试验以研究土体的强度尺度效应并定量计算反映土体强度尺度效应的内禀尺度参量。试验结果表明:土体的屈服应力随加强颗粒粒径的减小而增加且与加强颗粒含量之间呈线性关系,与内禀尺度之间呈抛物线关系;内禀尺度随加强颗粒的粒径和含量以及基体液性指数的增加而增加且与加强颗粒含量之间呈抛物线关系;土体屈服应力的试验结果与基体–加强颗粒模型的预测结果一致。研究成果对土体的强度理论发展有一定的参考价值。

自主致密局部特征尺度分解方法及其应用

针对局部特征尺度分解(LCD)的模态混叠问题,提出了自主致密局部特征尺度分解(ACLCD)方法。该方法通过确定待分解信号的最小信号极值尺度来度量其信号尺度,采用新增伪极值点均匀化信号尺度,可有效抑制模态混叠的产生;引入了最优致密系数的概念,并给出了最优致密系数评价准则。研究了ACLCD方法的原理,通过仿真信号将ACLCD与LCD和EMD进行分析对比,结果表明,ACLCD在提高分量精确性和正交性、抑制模态混叠等方面具有一定的优越性。将ACLCD方法应用于转子碰摩故障的诊断,结果表明该方法有效。

土体力学特性颗粒尺度效应的理论与试验研究

土体是一种复杂的颗粒体系,其强度与变形具有显著的颗粒尺度效应。为考虑土体不同尺度土颗粒对其宏观力学特性的影响,根据土颗粒间相互作用产生的黏聚和摩擦物理效应而非纯粹几何尺寸,划分土颗粒尺度层次以构造反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元。基于土体不同尺度结构层次上力学响应的特征,引入微重比的概念,建立具有多尺度分层次理论框架的胞元土体理论,解释土体力学特性颗粒尺度效应的物理机制,把微细观土力学理论从定性分析推进到定量计算的水平。设计一系列饱和重塑土的三轴不固结不排水剪切试验对土体的颗粒尺度效应进行测试,并定量计算胞元土体理论的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验和理论计算结果均表明,土体强度和变形的颗粒尺度效应随加强颗粒的体分比增加以及粒径减小而增强,反映出土体强度和变形显著的颗粒尺度效应;土体强度和变形尺度效应的理论预测与试验结果具有较好的一致性。

基于牛顿插值的局部特征尺度分解方法及应用

局部特征尺度分解(local characteristic-scale decomposition,LCD)方法是最近新提出的一种先进的自适应时频分析方法。由于LCD方法中均值曲线插值点的属性主要由相邻两同类极值点的属性决定,不能很好地体现数据的整体变化趋势,从而可能引起分解精度降低。根据上述问题,提出了基于Newton插值的局部特征尺度分解(newton interpolation based local characteristic-scale decomposition,NILCD)方法。该方法采用Newton插值取代LCD中的线性插值,均值曲线的插值点由相邻的三个同类极值点构成的Newton插值多项式计算产生,改进LCD。通过仿真信号将NILCD与LCD方法进行分析对比,结果证实了NILCD在提高分量正交性和精确性等方面具有一定的优越性。并将NILCD方法应用于转子碰摩故障的诊断,实验结果表明了新方法的有效性。

局部特征尺度分解方法及其分量判据研究

在研究内禀时间尺度分解(ITD)方法的基础上提出了一种新的自适应时频分析方法——局部特征尺度分解(LCD)方法,该方法可以自适应地将一个复杂的多分量信号分解为若干个瞬时频率具有物理意义的内禀尺度分量(ISC)之和。对LCD方法的基本原理进行了阐述,并对其分量判据进行了研究,将经验模态分解(EMD)方法中的标准差判据应用于LCD方法。标准差判据的阈值会因自适应时频分析方法的不同而有所差异,因此标准差判据不具有自适应性,针对标准差判据的这一缺陷,提出了一种新的具有自适应性的分量判据——极值单调性判据,该判据无需设定任何阈值。信号分析结果表明了这两种判据的有效性,而极值单调性判据的适用性更强,可直接应用于EMD方法。另外,对比分析了LCD方法和EMD方法的计算效率,分析结果表明LCD方法在计算效率方面要优于EMD方法。

自适应特征尺度分解方法及其应用

针对局部特征尺度分解(LCD)存在的模态混叠问题和其在均值曲线定义方面存在的不足,在对LCD方法研究的基础上,充分借鉴经验模态分解(EMD)和LCD等此类基于筛分的信号分解方法的思路,定义了一种新的瞬时频率具有物理意义的单分量信号——内禀致密尺度分量(ICC),并提出了一种新的自适应信号分解方法——自适应特征尺度分解(ACD)方法。同时,给出了ICC分量评价准则,通过对ACD每阶筛分中由不同均值曲线和致密系数取值得到的一组不同的分解分量进行对比,选取最优分量作为该阶筛分的ICC分量,从而保障最终分解效果优于LCD方法分解效果。对仿真信号的分析结果证实了ACD方法的分解效果优于EMD、LCD、总体平均经验模态分解(EEMD)和自主致密局部特征尺度分解(ACLCD)方法的分解效果;对实验数据的分析结果验证了ACD的有效性,从而为旋转机械故障诊断提供了一种新的方法。

基于微分算子的局部特征尺度分解方法及其应用

针对局部特征尺度分解(LCD)方法在目标信号所含频率分量较接近时分解能力降低,易出现模态混淆现象,从而导致内禀尺度分量失去原有物理意义的问题,提出了基于微分算子的局部特征尺度分解(DOLCD)。DOLCD在对目标信号进行分解前,先将目标信号进行一阶微分,则在频率比一定的情况下,可提升分解能力及抑制模态混淆能力。研究了DOLCD方法的原理,通过仿真信号模型将DOLCD与LCD的分解能力进行对比分析,结果表明,DOLCD方法在提高分解能力,抑制模态混淆等方面具有一定的优越性,并将DOLCD方法应用于转子不对中故障的诊断,结果表明该方法有效。

土体直剪力学特性颗粒尺度效应理论与试验研究

土体是一种颗粒物质,其强度与变形特性具有显著的颗粒尺度效应。根据土体颗粒间的连结性状和微重比,将土颗粒划分为基体颗粒与加强颗粒。构建了反映土体内部材料信息和颗粒特征信息的土体胞元,基于应变梯度理论建立可以描述土体颗粒尺度效应的土体胞元模型。设计一系列饱和重塑土的直接快剪试验以研究土体直剪力学特性的颗粒尺度效应,并定量计算了土体胞元模型的应变梯度和內禀尺度等微细观计算参数。试验结果表明,土体的剪切屈服应力随加强颗粒体积比和平均应变梯度的增加而增加,且与加强颗粒体积比呈近似线性关系,与平均应变梯度呈抛物线关系;加强颗粒粒径对土体的剪切屈服应力影响不明显。土体剪切屈服应力的试验结果与土体胞元模型的预测结果一致。

采用局部特征尺度分解的跳频信号参数盲估计算法

针对现有跳频信号参数盲估计算法存在时间分辨率和频率分辨率矛盾这一问题,提出了一种基于局部特征尺度分解的跳频信号参数估计新算法。该算法将跳频信号迭代地分解成若干个内禀尺度分量并进行降噪处理,然后对其最大瞬时幅度进行小波变换和傅里叶变换即可估计出跳频信号的跳变时刻和跳频周期,最后根据得到的跳变时刻和跳频周期可以进一步估计出跳频频率集。该算法不受时频不确定性的影响,能够在未知先验知识的条件下估计出跳频信号的跳周期、跳变时刻和跳频频率集。最后通过仿真验证了算法的有效性。

基于局部特征尺度分解法的声反馈抑制算法

出于抑制扬声系统中声反馈的目的,提出基于新时频分析法——局部特征尺度分解(Local Characteristicscale Decomposition,LCD)的声反馈抑制新算法。通过一次分解,分离出局部特征最明显的内禀尺度分量(Intrinsic Scale Component,ISC)——啸叫单频分量,并以此算法为理论基础,给出了基于DSP的系统设计。对导入的语音信号叠加啸叫单音进行仿真分析,分析结果表明,此方法能有效分离语音与啸叫单音,并且可完好保留语音信息。