本发明提供机械振动信号分离方法，属于机械信号处理技术领域，对采集的信号根据物理先验知识进行切片对齐，构造观测矩阵；对信号进行小波多尺度分解，对每一小波样本的观测矩阵进行稀疏性度量，根据稀疏性对样本进行排序，选取稀疏性好的样本矩阵输入低秩稀疏分解模型；对输入矩阵进行低秩稀疏分解，得到的低秩矩阵列列连接得到感兴趣的振源响应信号；稀疏矩阵与小波多尺度分解得到的稀疏性差的矩阵相加得到噪声矩阵，噪声矩阵列列连接形成噪声信号。本发明分解后的振源响应信号更为精确、彻底，可将原始信号中的噪声模型进行有效分离；不需要修改原有低秩稀疏分解的数学模型，将信号进行预处理后输入模型，保证了原有模型算法的有效性和快速性。