基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法

1.一种基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，包括步骤：S1、在轨道无缺陷病害路段布置振动加速度计和声压传感器，采集轨道无缺陷病害的区段的振动数据和声压数据；S2、分别提取S1中采集的振动数据和声压数据的频谱曲线特征，建立无缺陷病害钢轨数据库；S3、针对不同类型的轨道结构病害，选取存在单一缺陷病害的区段布置振动加速度计和声压传感器，分别采集每类缺陷病害对应区段内轨道的振动数据和声压数据；S4、提取S3中采集的每个区段数据的频谱曲线特征，建立用于判断是否存在该类缺陷病害的钢轨数据库；S5、基于相似理论提取S4频谱曲线特征中与S2频谱曲线特征中能量分布接近的频带作为归一化特征频带，分别建立各单一缺陷病害的振动及噪声声压归一化特征频带库；S6、利用S5中得到的归一化特征频带对S4中的频谱曲线特征进行归一化处理，得到归一化后的频谱曲线的数据；S7、将S6中得到的归一化后的频谱曲线的数据与无缺陷病害钢轨数据库中的各相应频谱曲线处的峰值做差，提取差值分别超过阈值I中的振动加速度阙值或者阈值I中的声压阈值的对应频带作为病害识别特征频带，分别建立各单一缺陷病害的病害识别特征频带；S8、在轨道待检测路段布置振动加速度计和声压传感器，采集待检测路段的轨道振动数据和声压数据；S9、提取S8中采集的数据的频谱曲线特征，利用S5建立的各单一缺陷病害的归一化特征频带及S7中建立的病害识别特征频带分别对所提取的待检测路段的频谱曲线特征进行归一化和滤波处理；S10、计算S9中在每一类病害识别特征频带处得到的处理后的频谱曲线的数据与S2建立的无缺陷病害钢轨数据库中的各相应频谱曲线处峰值的差值；S11、基于S10提取病害识别特征频带中对应的差值分别在阈值II中的振动加速度阙值或者阈值II中的声压阈值以上的频带，计算该频带对应的带宽占病害识别特征频带总带宽的百分比；S12、当病害识别特征频带中对应差值在阈值II的振动加速度阈值以上的频带占加速度频谱病害识别特征频带的百分比大于第一阈值或病害识别特征频带中对应差值在阈值II的声压阈值以上的频带占声压频谱病害识别特征频带的百分比大于第二阈值时，判断存在此类病害。 2.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括选择无缺陷病害的单股钢轨，将所述振动加速度计粘贴于钢轨轨腰处，沿线路纵向布置振动加速度计长度不小于6跨轨枕间距；选择无缺陷病害的单股钢轨，通过夹持架将所述声压传感器粘贴于轨道板上，其中，所述声压传感器探头距离钢轨轨腰中性轴横向距离0.3m，沿线路纵向布置声压传感器长度不小于6跨轨枕间距；将采集到的数据存储到数据采集仪，并传送至服务器。 3.根据权利要求1或2所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，通过对所述振动加速度计设置阈值控制所述声压传感器对声压数据的采集。 4.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S2包括对采集到的振动数据和声压数据进行频谱曲线特征的提取采用快速傅里叶变换法，分别得到加速度频谱曲线特征和声压频谱曲线特征；分别建立轨道结构的加速度频谱和声压频谱的主振频率及各谱峰值之间的关系；建立包括相应的无缺陷加速度频谱数据库和无缺陷声压频谱数据库的无缺陷病害钢轨数据库。 5.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S3包括选择有单一缺陷病害的单股钢轨，将所述振动加速度计粘贴于钢轨轨腰处，沿线路纵向布置振动加速度计长度不小于6跨轨枕间距；选择有单一缺陷病害的单股钢轨，通过夹持架将所述声压传感器粘贴于轨道板上，其中，所述声压传感器探头距离钢轨轨腰中性轴横向距离0.3m，沿线路纵向布置声压传感器长度不小于6跨轨枕间距；将采集到的数据存储到数据采集仪，并传送至服务器。 6.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S4包括对每类缺陷病害单独采集到的振动数据和声压数据进行频谱曲线特征的提取，采用快速傅里叶变换法，分别得到加速度频谱曲线特征和声压频谱曲线特征；分别建立单一缺陷病害类型下轨道结构的加速度频谱曲线特征和声压频谱曲线特征的主振频率及各谱峰值之间的关系；建立单一病害类型下的所述钢轨数据库。 7.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S5包括根据步骤S2和步骤S4中得到的钢轨振动及声压频谱曲线的频率分辨率和频率分布范围，定义适当长度的移动窗；针对步骤S2中的无缺陷钢轨振动和声压频谱曲线以及步骤S4中每一类单一病害下的钢轨振动和声压频谱曲线，在移动窗内对钢轨的振动频谱幅值及声压频谱幅值在相应频率点处做差，将差进行累加后得到该移动窗内钢轨振动频谱及声压频谱偏移值；取移动窗内钢轨振动频谱及声压频谱偏移值最小的对应频段作为归一化频率范围，建立针对每一类病害的归一化特征频带库。 8.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S6包括取归一化特征频带内钢轨振动频谱及声压频谱偏移值的平均值作为偏移量，以无缺陷钢轨振动和声压频谱曲线为基准，对每一类单一缺陷病害下的钢轨振动和声压频谱曲线进行归一化处理。 9.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S7包括将单一病害条件下经过归一化处理后的钢轨振动加速度和声压频谱曲线与无缺陷伤害的钢轨振动加速度和声压频谱曲线做差；提取频谱差值分别超过阈值I中的振动加速度阈值或阈值I中的声压阈值对应频带作为识别每一类病害的识别特征频带；针对每一类病害分别建立针对各类单一病害的病害识别特征频带库。 10.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S8包括将所述振动加速度计粘贴于轨道待检测路段的钢轨轨腰处，沿线路纵向布置振动加速度计，纵向长度不小于6跨轨枕间距；通过夹持架将所述声压传感器粘贴于轨道待检测路段的轨道板上，其中，所述声压传感器探头距离钢轨轨腰中性轴横向距离0.3m，沿线路纵向布置声压传感器长度不小于6跨轨枕间距；将采集到的数据存储到数据采集仪并传送至服务器。 11.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S9进一步包括对采集到的振动数据和声压数据进行频谱曲线特征的提取采用快速傅里叶变换法，分别得到振动加速度频谱曲线特征和声压频谱曲线特征；对提取到的频谱曲线特征利用步骤S5中建立的针对每一类病害的归一化特征频带库进行归一化处理；对归一化后的频谱曲线特征利用步骤S7中建立的针对各类单一病害的病害识别特征频带库进行滤波。 12.根据权利要求1所述的基于振动噪声频谱特征匹配的轨道结构力学性能评价方法，其特征在于，所述步骤S11进一步包括统计病害识别特征频带中对应差值分别大于阈值II中的振动加速度阈值或阈值II中的声压阈值的频带数量；计算该频带数量占步骤S7中建立的病害识别特征频带数量的百分比，作为判断存在病害的指标；当病害识别特征频带中对应差值在阈值II的振动加速度阈值以上的频带占加速度频谱病害识别特征频带的百分比大于第一阈值或病害识别特征频带中对应差值在阈值II的声压阈值以上的频带占声压频谱病害识别特征频带的百分比大于第二阈值时，判断存在此类病害。