本發(fā)明涉及球磨機設備工作狀態(tài)檢測技術領域，尤其涉及一種通過聲源定位實現(xiàn)球磨機設備工作狀態(tài)檢測的方法。

背景技術：

在現(xiàn)有的球磨機設備工作環(huán)境中，為了提高生產的效率以及減少更換球磨機內壁襯板的成本，需要根據(jù)球磨機的工作狀態(tài)，通過調節(jié)球磨機的轉速來控制生產過程。球磨機的工作狀態(tài)可以分為低速狀態(tài)、正常轉速狀態(tài)和高速狀態(tài)。目前國內球磨機的工作狀態(tài)都是工人利用耳朵的監(jiān)聽來進行檢測的，不僅消耗人力，而且不能達到全天候實時監(jiān)控的效果，因此考慮使用麥克風陣列來代替人耳來完成這項工作。球磨機設備工作過程中介質球撞擊襯板的位置是確定球磨機工作狀態(tài)的主要依據(jù)，由于球磨機設備工作環(huán)境的噪聲巨大，直接采用傳統(tǒng)的波束形成聲源定位方法無法取得好的效果。

鑒于此，有必要研究新的技術方案以檢測球磨機設備工作狀態(tài)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過聲源定位實現(xiàn)球磨機設備工作狀態(tài)檢測的方法，可以準確、快速檢測球磨機設備工作狀態(tài)，從而對球磨機進行相應的轉速控制，使其處于正常轉速狀態(tài)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種通過聲源定位實現(xiàn)球磨機設備工作狀態(tài)檢測的方法，包括：

利用麥克風陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號段；

采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質球撞擊襯板的信號段進行聲源定位，獲得相應的撞擊角度信息；

根據(jù)撞擊角度信息與物料線的關系，檢測球磨機設備的工作狀態(tài)。

所述利用麥克風陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號段的步驟包括：

麥克風陣列接收的信號如下：

xi(t)＝s(t-τi)+ni(t),i＝1,2,...,m；

其中，xi(t)為t時刻第i個麥克風通道接收到的時域信號，s(t)表示介質球撞擊襯板的信號，當沒有介質球撞擊襯板時s(t)＝0，τi表示撞擊信號到達第i個麥克風通道相對于到達參考麥克風通道的時延，ni(t)表示第i個麥克風通道接收的所有噪聲，m表示麥克風個數(shù)；

對于第i個麥克風通道，在球磨機設備開機后并進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，獲得時間長度為t分鐘的采樣數(shù)據(jù)，計算采樣數(shù)據(jù)的能量，作為初始能量：

其中，norm是矢量2范數(shù)，為第i個麥克風通道接收到的長度為t分鐘的離散數(shù)據(jù)，xi(k)為第i個麥克風通道接收到的第k個點的離散數(shù)據(jù)；

對于第i個麥克風通道，在球磨機設備工作后，實時獲取聲音數(shù)據(jù)，當累計到t分鐘的數(shù)據(jù)時，作為一個數(shù)據(jù)段；計算該數(shù)據(jù)段的能量tpi，并按下式計算其能量與初始能量pi的比值：

rpi＝tpi/pi；

對第i個麥克風通道的該數(shù)據(jù)段以幀長為fr進行分幀，并且相鄰幀之間沒有重疊，得到n幀數(shù)據(jù)，接著計算第s幀數(shù)據(jù)的能量

然后，計算第i個麥克風通道所有幀的平均能量值，作為比較的參考：

aei＝tpi/n；

從而初步挑選出第i個麥克風通道中符合條件的疑似介質球撞擊襯板的信號幀以及其索引：

統(tǒng)計每一個幀索引在所有麥克風通道初步挑選的信號幀中出現(xiàn)的次數(shù)，如果有一半以上麥克風通道包含當前信號幀索引，則認為當前信號幀數(shù)據(jù)包含有撞擊信號，并保存當前信號幀的數(shù)據(jù)；

將每個通道最終挑選出信號幀的數(shù)據(jù)各自拼接在一起，構成疑似介質球撞擊襯板的信號段，該信號段是一個m行，nt×fr列矩陣，其中nt是挑選后的幀數(shù)。

所述采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質球撞擊襯板的信號段進行聲源定位，獲得相應的撞擊角度信息包括：

球磨機設備的滾筒是圓柱形的，所獲得的疑似介質球撞擊襯板的信號段均來自于與弧形的麥克風陣列在同一平面的橫截面上；弧形的麥克風陣列擺放位置與滾筒橫截面形成同心圓，則以麥克風陣列中最上端的麥克風作為參考點，以參考點與圓心的連線作為y軸，以在同一平面并與y軸垂直的線作為x軸；

第i個麥克風的位置為：

loci＝[r×cos((i-1)×d/r),r×sin((i-1)×d/r)]；

式中，r為弧形的麥克風陣列的半徑，d為相鄰麥克風的弧長；

從第i個麥克風挑選出疑似撞擊的信號中包含了多個數(shù)據(jù)幀，假設一個數(shù)據(jù)幀中只有一個聲源，以y軸與滾筒表面交點處的聲源位置為零度，向下方向為角度增加的方向，如果某一數(shù)據(jù)幀中的聲源角度為θ，滾筒的半徑為r，聲源對應的坐標為：

obj＝[r×cos((π/180)×θ),r×sin((π/180)×θ)]；

聲源與第i個麥克風之間的距離為：

假設聲音在當前條件下傳播的速度為c，則聲源到達第i個麥克風的時間為：

ti＝disi/c；

從而得到聲源到達第i個麥克風與到達參考麥克風之間的時延為：

τi＝ti-t1；

式中，t1為當前聲源到達參考麥克風的時間；

因為聲信號為帶寬為b的寬帶信號，將疑似介質球撞擊襯板的信號段分成nt個幀長為fr的子信號段，每一子信號段即為一幀，對每個子信號段進行fr點的離散傅里葉變換，得到如下的寬帶信號模型：

xs(fl)＝a(fl,θ)ss(fl)+ns(fl),l＝1,2,...,fr；s＝1,2,...,nt；

其中，xs(fl)和ns(fl)是m×1維矢量，其元素分別是由第s幀中麥克風陣列接收信號xs(t)和噪聲ns(t)在頻率fl處的離散傅里葉系數(shù)構成，而ss(fl)的元素是由無噪聲的信號ss(t)的離散傅里葉系數(shù)構成；

當聲源角度為θ時，麥克風陣列在fl頻率點處的導向矢量為：

利用非相干信號子空間方法估計聲源方向，首先估計fl頻率點數(shù)據(jù)xs(fl)的協(xié)方差矩陣：

rs(fl)＝e[xs(fl)xs(fl)^h]；

其中，e[·]表示求期望的操作；

接著對其進行特征分解，得到正交的信號子空間us(fl)和噪聲子空間un(fl)；最后，綜合利用所有頻率點的噪聲子空間，采用music算法估計聲源方向：

根據(jù)球磨機設備實際的運作狀態(tài)，球磨機設備內介質球只可能在某個角度范圍內與襯板撞擊，在對空間譜搜索的過程中，設定搜索的角度間隔以及角度范圍，找出空間譜的峰值對應的角度，即得到最終的撞擊角度信息。

所述根據(jù)撞擊角度信息與物料線的關系，檢測球磨機設備的工作狀態(tài)包括：

在保持球磨機設備內物料和介質球體積一定的情況下，物料線的位置是球磨機滾筒轉速的函數(shù)，將這個函數(shù)假設為線性函數(shù)，在每一個滾筒轉速條件下，都有一個相應的物料線位置；根據(jù)實際生產過程中積累的先驗知識，在固定的一段時間內正常轉速下介質球撞擊襯板的次數(shù)在(v1,v2)范圍內；

根據(jù)撞擊角度信息，統(tǒng)計在該固定時間內撞擊角度在物料線上方的次數(shù)，如果大于v2，則表明當前球磨機設備處于高速狀態(tài)，需要降低球磨機轉速；如果統(tǒng)計的撞擊次數(shù)小于v1，則表明當前球磨機設備處于低速狀態(tài)，需要提高球磨機轉速；如果統(tǒng)計的撞擊個數(shù)在(v1,v2)范圍內，則表明當前球磨機設備處于正常轉速狀態(tài)，維持當前轉速即可。

由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，可以估計球磨機設備中介質球撞擊襯板的位置，并根據(jù)位置的統(tǒng)計信息與物料線的關系，檢測球磨機設備當前的工作狀態(tài)；一方面，目前還沒有關于球磨機內的定位算法，本發(fā)明首次提出并解決了這個問題；另一方面，本發(fā)明方案根據(jù)實際具體情況，提出物料線的概念，并將其作為檢測球磨機設備工作狀態(tài)的一個工具。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種通過聲源定位實現(xiàn)球磨機設備工作狀態(tài)檢測的方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的滾筒內撞擊信號與弧形麥克風陣列接收信號模型示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的球磨機三種工作狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明實施例提供一種通過聲源定位實現(xiàn)球磨機設備工作狀態(tài)檢測的方法，如圖1所示，該方法主要包括如下步驟：

步驟1、利用麥克風陣列采集信號的能量信息，挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號段。

本步驟的目的主要是挑選出有效的可用于定位的數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省了運算的時間，也增加了運算結果的準確度。

本發(fā)明實施例中，基于能量信息的數(shù)據(jù)挑選考慮了球磨機設備現(xiàn)場的工作狀態(tài)以及介質球撞擊襯板的信號段的特點。

麥克風陣列接收的信號如下：

xi(t)＝s(t-τi)+ni(t),i＝1,2,...,m；

其中，xi(t)為t時刻第i個麥克風通道接收到的時域信號，s(t)表示介質球撞擊襯板的信號(簡稱撞擊信號)，當沒有介質球撞擊襯板時s(t)＝0，τi表示撞擊信號到達第i個麥克風通道相對于到達參考麥克風通道的時延，ni(t)表示第i個麥克風通道接收的所有噪聲(簡稱噪聲)，m表示麥克風個數(shù)；

本發(fā)明的目的是要實時獲得球磨機工作時，內部介質球撞擊襯板的情況，進而實現(xiàn)工作狀態(tài)的檢測；因此首先要找出介質球撞擊襯板的信號，才能使用后續(xù)的定位算法。

根據(jù)接收信號中介質球撞擊襯板信號在時域波形中的采樣點數(shù)，確定后續(xù)的處理幀長fr。

在球磨機設備開機并進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，對于第i個麥克風通道，獲得時間長度為t分鐘的采樣數(shù)據(jù)，計算采樣數(shù)據(jù)的能量，作為初始能量：

其中，norm是矢量2范數(shù)，為第i個麥克風通道接收到的長度為t分鐘的離散數(shù)據(jù)，xi(k)為第i個麥克風通道接收到的第k個點的離散數(shù)據(jù)；

對于第i個麥克風通道，在球磨機設備工作后，實時獲取聲音數(shù)據(jù)，當累計到t分鐘的數(shù)據(jù)時，作為一個數(shù)據(jù)段；計算該數(shù)據(jù)段的能量tpi，并按下式計算其與初始能量pi的比值：

rpi＝tpi/pi；

對第i個麥克風通道的該數(shù)據(jù)段以幀長為fr進行分幀，并且相鄰幀之間沒有重疊，得到n幀數(shù)據(jù)，接著計算第s幀數(shù)據(jù)的能量

計算第i個麥克風通道的該數(shù)據(jù)段幀平均能量，作為比較的參考：

aei＝tpi/n；

由于介質球撞擊襯板時刻的接收信號能量要高于非撞擊時刻，因此根據(jù)此特征，可以初步挑選出第i個麥克風通道中符合條件的疑似介質球撞擊襯板的信號幀及其索引：

對麥克風陣列中的所有麥克風通道均進行上述處理，在得到各麥克風通道初步挑選后的信號幀及幀索引后，進一步挑選符合介質球撞擊襯板信號的數(shù)據(jù)。對每一麥克風通道中每一個幀索引進行統(tǒng)計，如果有一半以上麥克風通道初步挑選的信號幀中包含當前的幀索引，則最終認為相應信號幀的數(shù)據(jù)包含有撞擊信號，并保存相應信號幀的數(shù)據(jù)；

將每個麥克風通道最終挑選出信號幀的數(shù)據(jù)各自拼接在一起，構成疑似介質球撞擊襯板的信號段，該信號段是一個m行，nt×fr列矩陣，其中m是麥克風陣列的通道數(shù)，nt是挑選后的幀數(shù)，fr是每一幀中采樣點數(shù)(即，幀長)。

步驟2、采用非相干信號子空間方法對所述疑似介質球撞擊襯板的信號段進行聲源定位，獲得相應的撞擊角度信息。

如圖2所示，為滾筒內撞擊信號與弧形麥克風陣列接收信號模型示意圖。球磨機設備的滾筒是圓柱形的，所獲得的疑似介質球撞擊襯板的信號段均來自于與弧形的麥克風陣列在同一平面的橫截面上；弧形的麥克風陣列擺放位置與滾筒橫截面形成同心圓，以陣列最上端的麥克風作為參考點，以參考點與圓心的連線作為y軸，以在同一平面并與y軸垂直的線作為x軸；

第i個麥克風的位置為：

loci＝[r×cos((i-1)×d/r),r×sin((i-1)×d/r)]；

式中，r為弧形的麥克風陣列的半徑，d為相鄰麥克風的弧長；

由于撞擊的聲源位置只可能在滾筒表面的圓周上，從第i個麥克風挑選出疑似介質球撞擊襯板的信號中包含了多個數(shù)據(jù)幀，假設一個數(shù)據(jù)幀中只有一個聲源，以y軸與滾筒表面交點處的聲源位置為0度，向下方向為角度增加的方向，如果某一數(shù)據(jù)幀中的聲源角度為θ，滾筒的半徑為r，聲源對應的坐標為：

obj＝[r×cos((π/180)×θ),r×sin((π/180)×θ)]；

聲源與第i個麥克風之間的距離為：

假設聲音在當前條件下傳播的速度為c，則聲源到達第i個麥克風的時間為：

ti＝disi/c；

從而得到聲源到達第i個麥克風與到達參考麥克風之間的時延為：

τi＝ti-t1；

式中，t1為當前聲源到達參考麥克風的時間；

因為聲信號為帶寬為b的寬帶信號，將疑似介質球撞擊襯板的信號段分成nt個幀長為fr的子信號段，對每個子信號段(每幀)進行fr點的離散傅里葉變換，得到如下的寬帶信號模型：

xs(fl)＝a(fl,θ)ss(fl)+ns(fl),l＝1,2,...,fr；s＝1,2,...,nt；

其中，xs(fl)和ns(fl)是m×1維矢量，其元素分別是由第s幀中麥克風陣列接收信號xs(t)和噪聲ns(t)在頻率fl處的離散傅里葉系數(shù)構成，而ss(fl)的元素是由無噪聲的信號ss(t)的離散傅里葉系數(shù)構成；

當聲源角度為θ時，麥克風陣列在fl頻率點處的導向矢量為：

利用非相干信號子空間方法估計聲源方向，首先估計fl頻率點數(shù)據(jù)xs(fl)的協(xié)方差矩陣：

rs(fl)＝e[xs(fl)xs(fl)^h]；

其中，e[·]表示求期望的操作；

接著對其進行特征分解，得到正交的信號子空間us(fl)和噪聲子空間un(fl)；最后，綜合利用所有頻率點的噪聲子空間，采用music算法估計聲源方向：

根據(jù)球磨機設備實際的運作狀態(tài)，球磨機設備內介質球只可能在某個角度范圍內與襯板撞擊，在對空間譜搜索的過程中，設定搜索的角度間隔以及角度范圍，找出空間譜的峰值對應的角度，即得到最終的撞擊角度信息。

需要說明的是，上文將帶寬為b的信號劃分為fr個窄帶分量，由于低頻和高頻中的信息對測角的結果影響很小，為了提高算法的運算速度，可以選擇帶寬范圍，記為b1～b2，其中b1表示選擇的最低頻率，b2表示選擇的最高頻率。

此處，獲得的撞擊角度信息的數(shù)量與步驟1中疑似介質球撞擊襯板的信號段中各個麥克風數(shù)據(jù)幀的數(shù)量相同，因為一個數(shù)據(jù)幀只有一個聲源。本步驟的定位算法是針對多通道麥克風陣列的，即只有同時使用不同麥克風通道的相同幀數(shù)據(jù)，才能定位一個結果，因此最終得到nt個撞擊角度信息。

步驟3、根據(jù)撞擊角度信息與物料線的關系，檢測球磨機設備的工作狀態(tài)。

球磨機設備的工作原理簡述如下：球磨機設備的內壁裝有很多襯板，待磨物料和介質球同時在球磨機內隨球磨機轉動。由于介質球和物料的差異性，在離心力的作用下，大部分介質球在被滾筒內的襯板帶到一定高度后沿著內壁滑落至底部，還有一部分介質球經(jīng)過拋物運動，砸在物料以及沒有物料覆蓋的襯板上。其中，在介質球撞擊物料以及介質球研磨物料的過程中，達到了球磨機對物料的粉碎處理。

定義經(jīng)過拋落的介質球與滑落的物料形成的交界線為物料線。球磨機的工作狀態(tài)如圖3所示，可以分為三種，即低速狀態(tài)、正常轉速狀態(tài)和高速狀態(tài)。在正常轉速狀態(tài)下，拋落的介質球主要分布在物料線的附近，而低速狀態(tài)是介質球主要分布在物料線下方，高速狀態(tài)是介質球主要分布在物料線上方?？紤]到工作效率和維護成本的原因，應該使球磨機一直工作在正常轉速狀態(tài)。

根據(jù)分析，在保持球磨機設備內物料和介質球體積一定的情況下，物料線的位置是球磨機滾筒轉速的函數(shù)，可將這個函數(shù)假設為線性函數(shù)，在每一個滾筒轉速條件下，都有一個相應的物料線位置；根據(jù)實際生產過程中積累的先驗知識，在固定的一段時間內正常轉速下介質球撞擊襯板的次數(shù)在(v1,v2)范圍內；根據(jù)撞擊角度信息，統(tǒng)計在該固定時間內撞擊角度在物料線上方的次數(shù)，如果大于v2，則表明當前球磨機設備處于高速狀態(tài)，需要降低球磨機轉速；如果統(tǒng)計的撞擊次數(shù)小于v1，則表明當前球磨機設備處于低速狀態(tài)，需要提高球磨機轉速；如果統(tǒng)計的撞擊次數(shù)在(v1,v2)范圍內，則表明當前球磨機設備處于正常轉速狀態(tài)，維持當前轉速即可。

本發(fā)明上述方案，首先挑選出疑似介質球撞擊襯板數(shù)據(jù)，不僅節(jié)省了算法的時間，也增加了算法的準確度。根據(jù)物料線的定義，簡化了對檢測球磨機工作狀態(tài)的理解，更方便地實現(xiàn)本發(fā)明的功能。

通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到上述實施例可以通過軟件實現(xiàn)，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)?；谶@樣的理解，上述實施例的技術方案可以以軟件產品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產品可以存儲在一個非易失性存儲介質(可以是cd-rom，u盤，移動硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網(wǎng)絡設備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述的方法。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。