陈 刚 中国铁路上海局集团有限公司车辆部

铁路车辆滚动轴承故障轨边声学诊断系统（以下简称TADS）采用轨边声学探测及计算机诊断技术对通过的铁路车辆的滚动轴承声学信号进行采集分析和处理，实现对轴承内外圈滚道、滚子等部位的裂纹、剥离、磨损、侵蚀等故障分类、分级报警，提前对故障车辆进行预警或拦停，保障客货车辆及动车组运行的安全。

TADS 有两项关键技术，第一是如何在列车高速通过时获得足够时长的轴承运行声学信号；第二是如何对轴承运行声学信号进行分析，判别轴承是否存在故障以及故障类型和等级。其中第二项技术国内外的研究成果很多，核心方法已经以专利、论文等多种形式公开。但是，第一项技术难度要大得多，只被美国TTCI公司和澳大利亚TrackIQ 公司掌握并视为机密，至今无任何专利、论文详细论述其技术原理。目前以哈尔滨科研所为代表公司生产的TADS 主要采用美国TTCI 公司技术，以北京康拓红外、成都主导公司为代表生产的TADS主要采用澳大利亚TrackIQ 公司技术。

TADS 设备对轴承运行声学信号的拾取采用声学传感器阵列实现。对每个采集的轴承运行声学信号时间越长，获得的结果越准确。为了避免外界噪声干扰判别，需要在车轮转动至少两圈的距离内连续采集声音信息。以车轮直径840 mm 为例计算，探测区域需5.3 米，因此，TADS 设计探测区域约6 m。列车同一转向架上同侧两轴承间距最小只有约1.4 m，因此在6 m 探测区域内会同时出现多个轴承的声音信号。如果只用一个麦克风来采集轴承的声音，是难以准确定位故障轴承声学信号的，所以TADS 设备均采用声学传感器阵列技术来获取轴承的声学信号。但是TTCI公司和TrackIQ公司的TADS采用的是两种不同的声学传感器阵列采集技术。

1 接力探测方式

基于TTCI 技术的TADS 设备采用接力探测方式，在轨边每侧采用6 个相互间隔1m 放置的超指向性麦克风（如图1 所示），每个保护箱中放置一个麦克风对列车轴承的声学信号进行接力采集。

图1 接力式声学传感器阵列

通常，TADS 麦克风安装在距离轨外侧约2 m 处，列车同一转向架上同侧两轴承间距最小只有约1.4 m。麦克风对一个轴承运行的声音的响应需比对另一个轴承运行声音的响应大10 dB 左右才能有效的将两个轴承的声音分离。为此需要麦克风具有非常好的指向性，因此这种类型的TADS 设备都采用超指向性麦克风。

超指向性麦克风对声音的方向性极其敏感，只有正前方非常小的夹角内传播来的声音有较大的响应，这个范围之外的声音可以被有效的衰减，图2 左图给出了一个典型的超指向性麦克风的照片，右图是该麦克风对声音信号的空间响应。图2 中可以看出，对麦克风正前方传来的信号有最大的灵敏度，±30度方向传来的信号的响应要低约10 dB。

图2 超指向性麦克风和空间响应

每个麦克风分别放在一个保护箱中。保护箱正前方开有一个长方形开口，开口宽度可以保证前方钢轨处约1 m 范围内的轴承声音可以被麦克风采集到，并对1 m 范围之外的声音有一定的衰减。保护箱内壁四壁贴有吸音材料，可以吸收列车通过时振动等产生的干扰噪声。同时保证有效探测区域外的声响不会穿透保护箱干扰麦克风对轴承信号的采集（图3）。

图3 麦克风保护箱与钢轨的位置示意图

利用高指向性麦克风加特殊设计的保护箱后，可以保证每个麦克风只采集1 m 左右范围内的轴承声音。这样6 个麦克风采集到的信号经过软件合成处理后可以获得轴承在6 m范围内运动的声音。

2 短间距阵列探测方式

基于TrackIQ 公司的TADS 采用另一种类型的声学传感器阵列，类似“声呐追踪”技术，8个麦克风相对集中地安装在轨边保护机柜内，当车轮进入探测区域时，所有麦克风同时工作，系统处理软件根据不同麦克风采集的声音信号的相位的不同，追踪轴箱所处的探测位置，从而实现轴箱的定位和信号综合处理，此技术被称之为“波束形成”技术。图4 是采用这种技术的保护机柜及声学传感器阵列。

图4 短间距声学传感器阵列

“波束形成”技术要求单个麦克风无指向性（图5）。因此，短间距阵列中一般采用的是小型的无指向性麦克风。这种类型的麦克风直径通常在5 mm-10 mm，长度在10 mm-20 mm之间。

图5 无指向性麦克风

所谓“波束形成”技术是通过声波抵达阵列中每个麦克风之间的微小时差的相互作用，利用先进的数字信号处理技术，将某个或某几个特定方向传播来的声音信号增强，对其余方向的声音信号进行抑制的一种空间降噪技术。简单的说这种技术可以将多个麦克风合成为一个“虚拟”的高指向性麦克风，并且这个“虚拟”的麦克风的朝向和对信号的有效张角是可以通过软件来实时调整。图6实线给出的是“虚拟”麦克风指向正前方时对不同方向传播来的信号的增益变化，虚线是“虚拟”麦克风指向左450时的方向增益。

图6 短间距麦克风阵列的指向性示意图

图7 短间距阵列的探测区域示意图

短间距声学传感器阵列中使用的8 支麦克风依次间隔110mm-20mm 排列成一条直线，并放置于一个特殊设计的反射腔中。反射腔的内壁水平方向设计为双曲线型，垂直方向设计为抛物线型。双曲线的两条渐近线的夹角约为1200，以保证轴承在6m 有效探测区域内时的声音信号都能进入反射腔被8 支麦克风采集到。垂直方向上麦克风位于抛物线的焦点，只有与麦克风等高的轴承声音信号能被反射腔抛物面反射后进入麦克风，其余高度发出的噪声被有效的屏蔽掉（图7）。

3 两种技术的比较

两种声学传感器阵列技术可以用下图来形象的说明。

图8 声学传感器阵列工作方式

（1）基于TTCI 公司技术所采用的是接力探测方式，当轴承快速通通过时，6个麦克风依次工作，最后通过软件算法将6段声音信号拼接为一个完整的轴承声音信号。

接力探测方式的优点：这种方式的麦克风阵列可以通过变更麦克风的数量来调整探测的有效距离。简单计算可知，平轮故障，轴承每旋转一周只有一声故障声响。保持架故障，轴承旋转约两周才会有一声故障声响。对于这些故障，6m的探测区域只能采集到1到2声故障声响，样本偏少，判别准确率较内外圈故障的准确率略低。通过增加麦克风数量延长探测区域，可以拓展TADS 的探测功能和提高判别准确率。

接力探测方式的缺点：单个麦克风要想有很好的指向性，必须要设计的细而长。麦克风安装于保护箱内，麦克风较长，保护箱的厚度相对也会较厚。对于轨道间距较窄的线路，安装起来会有不便。这种方式轨边声学传感器阵列的分布较长，安装工作量稍大。另外，此种工作方式，要求所有麦克风均正常工作，每单个麦克风失效都会影响轴承声学信号采集的完整性，造成系统无法正常工作，因此此种方式的对每个麦克风可靠性较高，同时但某个麦克风性能不良或故障时存在一定的漏探风险。

（2）基于TrackIQ 公司所采用的是跟踪探测方式，利用“波束形成”技术形成一个虚拟的高指向性麦克风，时刻跟踪并指向轴承所在位置。

跟踪探测方式的优点：优点：但声学传感器的安装相对集中，室外安装工作量较小。麦克风体积较小，因此保护机柜设计也可以更为小巧，更适合轨道间距较窄的线路上安装。另外，声学传感器阵列采用了冗余设计，8个麦克风中只要有6 个正常工作，就可以形成“波束通道”。因此单个传感器失效不会影响轴承声学信号采集的完整性，系统的可靠性更高。

跟踪探测方式的缺点：短间距声学传感器阵列方式由于传感器较为集中，当轴承离传感器阵列较远时信号相对较弱。实验表明单个传感器阵列的探测范围最长大约为7 m-8 m。如果TADS设备扩展功能需要更长的探测距离，则需增加更多的短间距传感器阵列，而不能通过简单的增加一两个麦克风来解决。因此在探测范围上扩展能力相对差一些。但是对于我国铁路TADS 应用场景来说，现有的短间距传感器阵列的探测距离已经能完全满足使用要求。

综上所述，现有TADS两种声音采集方式各有特色，均能满足车辆滚动轴承故障轨边声学诊断要求。但是从现场施工量和设备冗余可靠性等角度来说，短间距传感器阵列技术具有一定的技术优势，今后在高铁线路正线上大面积推广使用时，可根据线路具体情况选择。