陳 剛 中國鐵路上海局集團有限公司車輛部

鐵路車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（以下簡稱TADS）采用軌邊聲學(xué)探測及計算機診斷技術(shù)對通過的鐵路車輛的滾動軸承聲學(xué)信號進行采集分析和處理，實現(xiàn)對軸承內(nèi)外圈滾道、滾子等部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障分類、分級報警，提前對故障車輛進行預(yù)警或攔停，保障客貨車輛及動車組運行的安全。

TADS 有兩項關(guān)鍵技術(shù)，第一是如何在列車高速通過時獲得足夠時長的軸承運行聲學(xué)信號；第二是如何對軸承運行聲學(xué)信號進行分析，判別軸承是否存在故障以及故障類型和等級。其中第二項技術(shù)國內(nèi)外的研究成果很多，核心方法已經(jīng)以專利、論文等多種形式公開。但是，第一項技術(shù)難度要大得多，只被美國TTCI公司和澳大利亞TrackIQ 公司掌握并視為機密，至今無任何專利、論文詳細論述其技術(shù)原理。目前以哈爾濱科研所為代表公司生產(chǎn)的TADS 主要采用美國TTCI 公司技術(shù)，以北京康拓紅外、成都主導(dǎo)公司為代表生產(chǎn)的TADS主要采用澳大利亞TrackIQ 公司技術(shù)。

TADS 設(shè)備對軸承運行聲學(xué)信號的拾取采用聲學(xué)傳感器陣列實現(xiàn)。對每個采集的軸承運行聲學(xué)信號時間越長，獲得的結(jié)果越準確。為了避免外界噪聲干擾判別，需要在車輪轉(zhuǎn)動至少兩圈的距離內(nèi)連續(xù)采集聲音信息。以車輪直徑840 mm 為例計算，探測區(qū)域需5.3 米，因此，TADS 設(shè)計探測區(qū)域約6 m。列車同一轉(zhuǎn)向架上同側(cè)兩軸承間距最小只有約1.4 m，因此在6 m 探測區(qū)域內(nèi)會同時出現(xiàn)多個軸承的聲音信號。如果只用一個麥克風來采集軸承的聲音，是難以準確定位故障軸承聲學(xué)信號的，所以TADS 設(shè)備均采用聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)來獲取軸承的聲學(xué)信號。但是TTCI公司和TrackIQ公司的TADS采用的是兩種不同的聲學(xué)傳感器陣列采集技術(shù)。

1 接力探測方式

基于TTCI 技術(shù)的TADS 設(shè)備采用接力探測方式，在軌邊每側(cè)采用6 個相互間隔1m 放置的超指向性麥克風（如圖1 所示），每個保護箱中放置一個麥克風對列車軸承的聲學(xué)信號進行接力采集。

圖1 接力式聲學(xué)傳感器陣列

通常，TADS 麥克風安裝在距離軌外側(cè)約2 m 處，列車同一轉(zhuǎn)向架上同側(cè)兩軸承間距最小只有約1.4 m。麥克風對一個軸承運行的聲音的響應(yīng)需比對另一個軸承運行聲音的響應(yīng)大10 dB 左右才能有效的將兩個軸承的聲音分離。為此需要麥克風具有非常好的指向性，因此這種類型的TADS 設(shè)備都采用超指向性麥克風。

超指向性麥克風對聲音的方向性極其敏感，只有正前方非常小的夾角內(nèi)傳播來的聲音有較大的響應(yīng)，這個范圍之外的聲音可以被有效的衰減，圖2 左圖給出了一個典型的超指向性麥克風的照片，右圖是該麥克風對聲音信號的空間響應(yīng)。圖2 中可以看出，對麥克風正前方傳來的信號有最大的靈敏度，±30度方向傳來的信號的響應(yīng)要低約10 dB。

圖2 超指向性麥克風和空間響應(yīng)

每個麥克風分別放在一個保護箱中。保護箱正前方開有一個長方形開口，開口寬度可以保證前方鋼軌處約1 m 范圍內(nèi)的軸承聲音可以被麥克風采集到，并對1 m 范圍之外的聲音有一定的衰減。保護箱內(nèi)壁四壁貼有吸音材料，可以吸收列車通過時振動等產(chǎn)生的干擾噪聲。同時保證有效探測區(qū)域外的聲響不會穿透保護箱干擾麥克風對軸承信號的采集（圖3）。

圖3 麥克風保護箱與鋼軌的位置示意圖

利用高指向性麥克風加特殊設(shè)計的保護箱后，可以保證每個麥克風只采集1 m 左右范圍內(nèi)的軸承聲音。這樣6 個麥克風采集到的信號經(jīng)過軟件合成處理后可以獲得軸承在6 m范圍內(nèi)運動的聲音。

2 短間距陣列探測方式

基于TrackIQ 公司的TADS 采用另一種類型的聲學(xué)傳感器陣列，類似“聲吶追蹤”技術(shù)，8個麥克風相對集中地安裝在軌邊保護機柜內(nèi)，當車輪進入探測區(qū)域時，所有麥克風同時工作，系統(tǒng)處理軟件根據(jù)不同麥克風采集的聲音信號的相位的不同，追蹤軸箱所處的探測位置，從而實現(xiàn)軸箱的定位和信號綜合處理，此技術(shù)被稱之為“波束形成”技術(shù)。圖4 是采用這種技術(shù)的保護機柜及聲學(xué)傳感器陣列。

圖4 短間距聲學(xué)傳感器陣列

“波束形成”技術(shù)要求單個麥克風無指向性（圖5）。因此，短間距陣列中一般采用的是小型的無指向性麥克風。這種類型的麥克風直徑通常在5 mm-10 mm，長度在10 mm-20 mm之間。

圖5 無指向性麥克風

所謂“波束形成”技術(shù)是通過聲波抵達陣列中每個麥克風之間的微小時差的相互作用，利用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，將某個或某幾個特定方向傳播來的聲音信號增強，對其余方向的聲音信號進行抑制的一種空間降噪技術(shù)。簡單的說這種技術(shù)可以將多個麥克風合成為一個“虛擬”的高指向性麥克風，并且這個“虛擬”的麥克風的朝向和對信號的有效張角是可以通過軟件來實時調(diào)整。圖6實線給出的是“虛擬”麥克風指向正前方時對不同方向傳播來的信號的增益變化，虛線是“虛擬”麥克風指向左450時的方向增益。

圖6 短間距麥克風陣列的指向性示意圖

圖7 短間距陣列的探測區(qū)域示意圖

短間距聲學(xué)傳感器陣列中使用的8 支麥克風依次間隔110mm-20mm 排列成一條直線，并放置于一個特殊設(shè)計的反射腔中。反射腔的內(nèi)壁水平方向設(shè)計為雙曲線型，垂直方向設(shè)計為拋物線型。雙曲線的兩條漸近線的夾角約為1200，以保證軸承在6m 有效探測區(qū)域內(nèi)時的聲音信號都能進入反射腔被8 支麥克風采集到。垂直方向上麥克風位于拋物線的焦點，只有與麥克風等高的軸承聲音信號能被反射腔拋物面反射后進入麥克風，其余高度發(fā)出的噪聲被有效的屏蔽掉（圖7）。

3 兩種技術(shù)的比較

兩種聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)可以用下圖來形象的說明。

圖8 聲學(xué)傳感器陣列工作方式

（1）基于TTCI 公司技術(shù)所采用的是接力探測方式，當軸承快速通通過時，6個麥克風依次工作，最后通過軟件算法將6段聲音信號拼接為一個完整的軸承聲音信號。

接力探測方式的優(yōu)點：這種方式的麥克風陣列可以通過變更麥克風的數(shù)量來調(diào)整探測的有效距離。簡單計算可知，平輪故障，軸承每旋轉(zhuǎn)一周只有一聲故障聲響。保持架故障，軸承旋轉(zhuǎn)約兩周才會有一聲故障聲響。對于這些故障，6m的探測區(qū)域只能采集到1到2聲故障聲響，樣本偏少，判別準確率較內(nèi)外圈故障的準確率略低。通過增加麥克風數(shù)量延長探測區(qū)域，可以拓展TADS 的探測功能和提高判別準確率。

接力探測方式的缺點：單個麥克風要想有很好的指向性，必須要設(shè)計的細而長。麥克風安裝于保護箱內(nèi)，麥克風較長，保護箱的厚度相對也會較厚。對于軌道間距較窄的線路，安裝起來會有不便。這種方式軌邊聲學(xué)傳感器陣列的分布較長，安裝工作量稍大。另外，此種工作方式，要求所有麥克風均正常工作，每單個麥克風失效都會影響軸承聲學(xué)信號采集的完整性，造成系統(tǒng)無法正常工作，因此此種方式的對每個麥克風可靠性較高，同時但某個麥克風性能不良或故障時存在一定的漏探風險。

（2）基于TrackIQ 公司所采用的是跟蹤探測方式，利用“波束形成”技術(shù)形成一個虛擬的高指向性麥克風，時刻跟蹤并指向軸承所在位置。

跟蹤探測方式的優(yōu)點：優(yōu)點：但聲學(xué)傳感器的安裝相對集中，室外安裝工作量較小。麥克風體積較小，因此保護機柜設(shè)計也可以更為小巧，更適合軌道間距較窄的線路上安裝。另外，聲學(xué)傳感器陣列采用了冗余設(shè)計，8個麥克風中只要有6 個正常工作，就可以形成“波束通道”。因此單個傳感器失效不會影響軸承聲學(xué)信號采集的完整性，系統(tǒng)的可靠性更高。

跟蹤探測方式的缺點：短間距聲學(xué)傳感器陣列方式由于傳感器較為集中，當軸承離傳感器陣列較遠時信號相對較弱。實驗表明單個傳感器陣列的探測范圍最長大約為7 m-8 m。如果TADS設(shè)備擴展功能需要更長的探測距離，則需增加更多的短間距傳感器陣列，而不能通過簡單的增加一兩個麥克風來解決。因此在探測范圍上擴展能力相對差一些。但是對于我國鐵路TADS 應(yīng)用場景來說，現(xiàn)有的短間距傳感器陣列的探測距離已經(jīng)能完全滿足使用要求。

綜上所述，現(xiàn)有TADS兩種聲音采集方式各有特色，均能滿足車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷要求。但是從現(xiàn)場施工量和設(shè)備冗余可靠性等角度來說，短間距傳感器陣列技術(shù)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，今后在高鐵線路正線上大面積推廣使用時，可根據(jù)線路具體情況選擇。