旋转机械微弱故障特征增强的线缺陷声子晶体传感方法研究

作者及机构
本研究的通讯作者为重庆大学机械与车辆工程学院的Xiaoxi Ding（邮箱：dxxu@cqu.edu.cn），合作者包括Jiawei Xiao、Wenbin Huang（重庆大学机械传动国家重点实验室）、Qingbo He（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室）以及Yimin Shao。研究成果发表于期刊《Mechanical Systems and Signal Processing》第220卷（2024年），文章编号111657，于2024年6月27日在线发布。

学术背景
旋转机械（如齿轮、轴承）是工业设备的核心部件，其早期故障信号常被强噪声和无关谐波掩盖，导致传统诊断方法在低信噪比（SNR）条件下失效。尽管声学诊断技术因非接触、信息丰富等优势受到关注，但现有方法（如变分模态分解VMD、随机共振SR）存在信号能量损失或频率适用范围窄等问题。声子晶体（Phononic Crystals, PNCs）和声学超材料因其独特的带隙调控和缺陷态局域化特性，为故障特征的前端增强提供了新思路。本研究提出了一种基于线缺陷PNC的旋转机械故障特征增强方法，旨在绕过复杂后处理算法，直接在传感层实现噪声滤除与信号放大。

研究流程
1. 线缺陷PNC设计与理论分析
- 结构设计：采用光敏树脂管单元（5×5周期阵列），中间单元替换为12切缝管形成线缺陷（图1）。单元参数：晶格常数32 mm，管径30 mm，厚度4 mm，切缝宽度1 mm。
- 理论模型：基于Bloch定理和Floquet边界条件，通过有限元软件COMSOL求解声波控制方程（公式1-3），计算带隙与缺陷态（图2）。结果显示，线缺陷在1473 Hz处形成平坦缺陷带，实现声能局域化。
- 声压增益计算：引入边界层阻抗（BLI）方法模拟热黏损耗（公式6-7），优化结构参数后最大增益达143倍（图4）。

1. 数值验证

   • 谐波信号增强（案例I）：在1501 Hz缺陷频段，弱信号幅值从1 Pa提升至9.63 Pa，干扰信号（1701 Hz）衰减至0.06 Pa（图6）。
     
   • 齿轮故障模拟（案例II）：线缺陷PNC使啮合频率（1501 Hz）幅值增强20倍，包络谱中故障特征频率（10 Hz）清晰可见（图7）。对比VMD方法，其频域SNR提升2.46 dB（图8）。
     
   • 轴承故障模拟（案例III）：通过结构尺寸缩放（η=1/2），将共振峰调至轴承固有频率（3002 Hz），故障特征频率（58.46 Hz）幅值提升4倍（图16-17）。
     

2. 实验验证

   • 齿轮箱故障测试：驱动轮裂纹故障下，线缺陷PNC使2倍啮合频率幅值提升5倍，在-8 dB SNR条件下仍能识别故障特征（图13-14）。
     
   • 轴承故障测试：采用西安交通大学轴承数据集，线缺陷PNC在-4 dB SNR时成功提取外圈故障频率，而VMD方法失效（图17）。
     

主要结果
- 带隙与缺陷态调控：线缺陷PNC在1310–2145 Hz带隙内形成1473 Hz缺陷态，声压场局域化分布验证了共振腔效应（图5）。
- 参数可调性：通过等比例缩放结构尺寸（η=1, ³⁄₄, ²⁄₄, 1/4），共振峰频率与η成反比线性关系（1501 Hz→6007 Hz），但热黏损耗随尺寸减小而增加（图5）。
- 工程适用性：实验表明，该方法在强噪声环境下优于传统算法，且无需先验信号分解，保留了故障原始信息。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了线缺陷PNC通过缺陷态局域化增强声压的物理机制，提出了基于尺寸参数调谐的频带适配方法。
2. 应用价值：为旋转机械早期故障诊断提供了无需复杂算法的前端解决方案，可扩展至汽车变速箱、航空发动机等领域。
3. 局限性：单一结构难以覆盖变工况下的宽频需求，未来需结合多参数结构阵列与信号处理技术。

研究亮点
- 方法创新：首次将线缺陷PNC应用于旋转机械故障诊断，实现传感层直接特征增强。
- 技术突破：通过结构参数缩放适配不同故障特征频率（如齿轮啮合频率、轴承固有频率）。
- 性能优势：在-8 dB SNR下仍有效提取故障特征，优于VMD等后处理方法。

其他贡献
- 开发了基于MEMS麦克风的微型声压传感单元，适配PNC结构尺寸约束（图11）。
- 公开了齿轮与轴承实验数据，推动领域内可比性研究。

（注：文中图表及公式编号均引用原文献，术语如“声子晶体（PNC）”“变分模态分解（VMD）”首次出现时标注英文。）