经典低应变反射波法的基本原理复习课程文档格式.docx

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一般情况下，桩头的处理以露出新鲜含骨料的混凝土面为止，而且要尽量平整、干净（桩头不要破碎、不要有杂物、不要有水）；

这可以通过随身携带凿子以凿平安装点和锤击点或委托施工方在测试前帮忙进行桩头处理，这样有利于传感器的安装和力棒的锤击。

2、传感器

传感器的安装对现场信号的采集影响较大，理论上传感器越轻、越贴近桩面、与桩面之间接触刚度越大，传递特性越好，测试信号也越接近桩面的质点振动。

所有动测均要求如此。

对实心桩的测试，传感器安装位置宜为距桩心2/3～3/4半径处；

对空心桩的测试，锤击点与传感器安装位置宜在同一水平面上，且与桩中心连线形成90°

夹角，传感器安装位置宜为桩壁厚的1/2处。

传感器的安装技巧以及耦合剂的选择对加速度计和高阻尼速度计很重要。

安装之前，应找到1-2块平整面（不太平整时可用斧头、凿子等工具修理或用调好的石膏填充）；

安装面有灰时，应吹尽、揉尽或洗尽以确保安装时粘接紧密。

桩头不平时，以石膏安装最好。

稠度低的黄油、油性橡皮泥、粘性低的口香糖和泡泡糖、颗粒粗的粘土均不能使用。

有一种罐装橡皮泥弹性太好，用它安装传感器往往有寄生振荡存在，不少人吃过这方面的亏，下列几种耦合剂值得选用：

①牙膏：

干净方便、快速实用；

②黑色黄油（或粘性好的黄油）或凡士林：

粘性好的黄油经济实用，但太脏，夏天效果亦不甚理想；

凡士林经济实用，较干净；

③粘性好、弹性差的橡皮泥，以捏成团用力扔到墙上不掉下为选择标准；

④石膏：

较适合于不平整的桩头；

口香糖：

用口加工后使用。

可以多置粘接剂于安装面，然后单方向用力旋转传感器，使其紧贴安装面。

加速度计的质量较轻，安装后应防止倾倒，石膏粘接时还应待其凝固。

传感器是否装好，可用弹指方式判断，如果弹敲侧面（劲不可太大）纹丝不动，说明已经装好。

打眼安装速度计时，不要将孔中的灰吹掉，应恰到好处地将锥形杆尽量全部楔入，并利用砼灰耦合用力单方向旋转，直至牢固时为止。

有的测试人员为了测试简便，经常不用耦合剂或少用耦合剂，致使耦合剂的作用减少或消失，导致测试信号振荡很明显，不利于对基桩的分析判断，这样是不可取的。

传感器经安装后，一般存在谐振，精确测量幅值时，其测试范围往往取至安装谐振频率的1/3乃至1/5以下。

以加速度计为例，如其安装谐振频率为14kh，则频率上限只能达到3-4kh。

由于桩基动测对幅值的定量要求不高，可以放宽限度，但也绝不能使谐振频率接近甚至位于要求的频率范围内。

然而，地震检波器的使用者却不同程度地犯了这个错误，以28hz和38hz的速度检波器为例，研究表明，当锥形杆被手按于混凝土表面，且用铁锤激发时，谐振频率在830hz左右；

通过钻孔方式将锥形杆紧紧地全部插入孔中或取下锥形杆用石膏粘固在混凝土表面时，如用铁锤敲击，谐振频率多在1200hz以上，此时如用尼龙锤或铁锤垫橡皮等低频锤敲击则可完全排除安装谐振频率的影响。

显而易见，正确安装方式应以后者为宜。

理论推导表明，传感器的安装谐振频率与传感器的安装刚度和传感器底座质量有关。

一般可以减化理解为：

安装刚度越高，基座质量越小，安装谐振频率就越高，而安装刚度与安装的松紧程度、传递杆（锥形杆）长短有关。

正因如此，一般要求取消锥形杆（或全部埋入被测连续介质中），也要求传感器基座越轻越好。

　　对于位移型惯性传感器而言（如速度计），安装谐振频率有f1，f2两个，f1比传感器的自然谐振频率还低，在40Hz以内，一般对测试没有影响；

f2即是所讲安装谐振，处理较好时应在1200Hz以上。

加速度型惯性传感器也有两个安装谐振频率，但均位于高频段，引起我们关注的是第一谐振频率，处理较好时在大几千赫兹至几万赫兹变化，但是，如用弹性较好的橡皮泥安装将只有1-2kHz。

在对基桩进行低应变反射波法测试时选用速度或加速度传感器。

其中速度计在低频段的幅频特性和相频特性较差，在信号采集过程中，因击振激发其安装谐振频率，而产生寄生振荡，容易采集到具有振荡的波形曲线，对浅层缺陷反应不是很明显。

同速度计相比，加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均具有巨大优势，并且它还具有高灵敏度的优点，因此用高灵敏度加速度计测试所采集到的波形曲线，没有振荡，缺陷反应明显。

所以建议在对基桩进行低应变反射波法测试时选用高灵敏度加速度计检测。

理论上讲位移计型惯性传感器包括速度计（所谓高阻尼速度计和地震检波器）的高频部分是完全满足应力波反射法测试要求的，但由于生产工艺等方面的原因，其高频部分往往受到很大的限制，有的仅几百赫兹，最高一般亦在2kHz左右会掉下来。

在现场测桩时，传感器的安装刚度又会导致安装谐振的出现，进一步使传感器的可测范围变窄，那么怎样判断传感器的优劣呢？

利用牙膏、石膏、黄油、橡皮泥等粘接剂将不含锥形杆的速度计紧紧地粘贴在被正确清理干净，满足测试要求的桩头上或用冲击电锤打孔，将有锥形杆的速度计牢牢地插入孔中，确保安装方法正确后，利用小铁锤直接敲击砼表面，仪器的模拟滤波档置2.5kHz以上。

对被测信号进行谱分析，如果此桩两米内没有毛病，其幅值谱最高峰（一般为传感器的安装谐振峰）频率大于1200Hz，此传感器即可满足测试要求。

频率越高在以后的测试过程中浅部测试效果将越好；

分析幅值谱的低频部分（固有频率以下）还可判断出低频特性的好坏。

换用低频锤，如力棒、尼龙锤（桩头再垫层橡皮更好）或铁锤＋汽车外胎垫测试，如无振荡或振荡很小，这类传感器将更好。

如果传感器的谐振峰仅几百赫兹，用低频锤时又不能消振，那么这种传感器是满足不了测试要求的。

需要指出的是，这种测试方法与桩头强度、砼龄期、浅部缺陷以及安装紧凑程度很有关系，以预制桩桩头测试效果最好，而如果在素混凝土上测试，效果将最差，最不能说明问题。

速度计是自生电动势型的，虽然价格低廉，但也应注意保护，一般的保护方法是将其输出端短路或两个传感器对接。

开路贮放将减少传感器寿命，是不合适的。

测桩界较流行的速度计：

灵敏度大约为280mV/cm/s，固有频率：

10~28Hz，阻尼系数ξ=0.6~1.0。

如果判断速度计测试效果的好坏？

从传感器频响，特别是安装后的频响特性来考虑，速度计用于测桩是应当慎重的，因此从某种意义上讲，提高速度计的安装刚度，降低安装质量从而整体提高安装谐振频率，延拓其测试带宽是速度计测桩的关键，或者说安装谐振频率的大小是用于判断速度计测试效果好坏的主要指标。

使用铁锤敲击，如果速度计的谐振频率低于1200Hz，便不合要求，高于1500Hz非常理想。

除使用的速度传感器有问题外，谐振频率低的原因均与桩头处理及安装技巧有关。

进一步用低频锤测试（过低频率不好），如无振荡，那么本次测试的效果无论是有振荡的信号（主频大于1200Hz），还是没振荡的信号都满足要求，前者经数字滤波处理会得到与后者完全相同的效果。

在判断谐振效果的同时，还应判断信号中有无50Hz干扰，对信号进行谱分析，观察50Hz左右是否有共振峰存在，如有应予以排除，否则测试效果较差，不利于分析。

什么时候需要用加速度计复测？

笔者建议大家长期用加速度计测桩，本条目专就喜欢用速度计的人士而言。

测试40米以下部位缺陷或桩底反射时需要用加速度计，因为速度计在低频段幅频特性和相频特性均较差。

分析速度计测试信号的幅值谱，当感觉到800Hz以上的频率成份不好解释或不正常时，一般往往意味着存在浅部缺陷，需要用加速度计复测验证。

如若要进行低应变曲线拟合分析，速度计测试信号将无法使用，必须使用加速度计测试。

速度计测试信号中的振荡不好解释或无法消除时必须用加速度计复测。

加速度计无论是在频响特性还是输出特性方面均有巨大优势，更适合于低应变测桩，但什么样的加速度计更适合于使用呢？

从国际上流行的趋势看，大家都倾向于选择内装式加速度计，因为这种传感器无电荷放大器约束，频响更宽，由于已变成电压量和低阻输出，对联线要求低，更适合于野外工程需要，也更便于人们对联线进行加固处理。

岩海公司已将国产的这类传感器作为主选传感器之一推荐使用。

这类传感器有时会出现阻塞或基线漂移，正常情况下，灵敏度不可太高，测试时亦以低频锤为宜。

内装式加速度计要求主机提供直流电源，主机滤波档不宜低于2.5k。

除灵敏度极低或高频严重不够以外，电荷输出型加速度一般都满足测试要求，以1200pc/g的高灵敏度加速度计为例，它的低频特性相当好，对振源的要求也相对弱很多，用于测桩时不失为一种好的传感器，但是这种传感器当振源强烈时，容易得到削波信号（不能被积分），用于测试浅部缺陷时，高频部分也可能略显不够（尽管如此，也比速度计强）。

电荷输出型加速度计为高阻输出型，必须使用电荷放大器、低噪声电缆线和专门接头，这些都是它的不利因素，接头部分极易脱开，电荷放大器的应用和外壳即是信号地的方式也不利于干扰的防治。

现场测试时电荷放大器和主机的低通滤波器不能低于2.5k，高通以0.1Hz以下为宜。

对于内装式加速度计而言，如用于普通中短桩测试以100mV/g为宜，而若用于25m以上的长大桩深部和桩底则宜用500mV/g的。

如何判断加速度计的好坏？

加速度计的好坏，主要指其频响特性、漂移特性、量程、灵敏度、分辨率以及稳定性等方面。

稳定性主要观察加速度计及其联线是否抗拉、抗折、抗冲击、耐用，这里要注意，一般加速度计，尤其内装式加速度计抗冲击有限，抗不住几米高跌落至水泥地面的撞击；

加速度计的频响特性一般均能满足测桩要求，但较高灵敏度（≥1500pc/g）、低频特性较好的加速度计，其高频截止频率未必能满足测桩上限要求；

由于仪器量程（±

5V）限制了传感器的测量范围，传感器的量程和灵敏度可以作为同一指标考虑，一般要求传感器量程须达50g（对应灵敏度100mV/g）方可满足正常测量，显然高灵敏度的传感器是难以满足此项要求的，但是在长桩桩底的分辩方面，高灵敏度加速度计却具有更大的优势,对于这类桩，同时备有普通灵敏度的加速度计和高灵敏度加速度计（≥500mV/g或1500pc/g）不失为一种好的办法，其中后者专用于测长桩桩底和深部缺陷。

将仪器的采样间隔打至≥200us，传感器良好地固接在一大基座（宽而厚实的水泥墩）上，用锤轻击基座，观察仪器记录的原始记录，如尾部（200ms以后）信号的幅值能限制在1mV以内，该传感器的漂移特性和分辨率方面即能满足要求，而且幅值越低，分辨率越高，越能检测到长桩桩底和深部缺陷。

3、击振点及击振方式的选择

击振信号的强弱对现场信号的采集同样影响较大，对实心桩的测试，击振点位置应选择在桩的中心；

夹角，击振点位置宜在桩壁厚的1/2处。

经常有测试人员拿把小锤去测长大桩，并反映很难测到桩底反射。

按以上的原理，这样的测法是不正确的。

由于小锤重量小、能量小、脉冲窄、频率高、衰减快，因此信号在桩身中传播有可能未到桩底就衰减完或即使传到桩底反射回来的信号也很微弱极难分辨。

相应桩底反射回来的信号太弱，另外锤轻频率高，而信号频率越高桩土阻尼越大，反射回来的信号极难辨识，测试结果信噪比不够，真实信

号被噪声淹没，在这种基础上进行指数放大，企望得到桩底反射，大多数情况下是徒劳的。

对长大桩测试一般应当用力棒或大铁球或击振，其重量大、能量大、脉冲宽、频率低、衰减小，适宜于桩底及深部缺陷的检测，桩底及深部缺陷的信号反射较强烈。

但由此很容易代来浅层缺陷和微小缺陷的误判和漏判。

当根据信号发现浅层部位异常时，建议用小钉锤或钢筋进行击振，因其重量小、能量小、脉冲窄、频率高，可较准确的确定浅层缺陷的程度和位置。

有RS仪用户曾用力棒得到φ1.2m，l=68m的桩底反射，据反映，也有RS仪用户用大铁球得到了φ1.5，l=80m钻孔灌注桩桩底反射。

岩海公司新近改进后的力棒锤体3-10kg，基本含盖了各种桩型完整性检测需要。

安装面、击振点、激振方式的选择与优劣判断！

选择多个安装面和击振点非常必要，浅部缺陷反射的应力波大小与敲击点和安装点很有关系，当发现浅部有缺陷时，应尽量在各个方位测试一下。

多点选择还有利于排除邻近安装与敲击点的局部微小缺陷和其它因素引起的干扰。

大多数情况下，现场测试时，最好选择两个以上安装面，桩头较差或信号不一致时更应如此。

振源对测试效果的影响也很大，一般来说，锤越重，接触面积越大，材料越软，提升高度越低，桩头龄期越短，敲击越正，振源频率就越低。

对比表明，铁锤直接敲击效果最差，采用软激发方式效果较好，当然，太软的激发方式会因波长过大、分辨率偏低、形成绕射而导致浅部缺陷和微小缺陷的漏判（单纯使用力棒或橡皮锤易犯这种错误）。

振源主频和振幅是衡量激振效果的两个主要指标，振源主频和振幅过高，加速度计的输出特性容易恶化，信号出现漂移；

速度计则很可能会激发其安装谐振频率，产生寄生振荡。

绝大多数速度计使用者提交的振荡曲线和加速度计使用者提交的不归零速度曲线多半是这样造成的。

虽然对于速度计而言，只要后处理得当，使用铁锤未偿不可，但实际上，无论哪种传感器，仍以低频振源为宜，长桩或深部缺陷用力棒检测，桩越长、缺陷越深，力棒重量就应越大；

一般部位则应用尼龙锤或铁锤垫橡皮测试；

当发现浅部异常时，最好用小质量铁锤甚至钢筋敲击，借以进一步确定浅部缺陷的程度与部位。

采用铁锤垫的方式测试时，硬橡胶垫是不适宜的，只有弹性好、强度高的橡胶垫（如汽车外胎皮）好用，太小的橡胶垫容易反弹，在橡胶垫的厚薄选择时，应自薄而厚地改变，以恰好消除速度信号振荡为宜，垫垫的最大弱点是频繁改变敲击点较麻烦。

4、桩周土层的影响

在对基桩进行低应变反射波法测试时，要充分考虑到桩周土层对所采集波形曲线的影响。

检测人员往往只注意到桩身波阻抗变化造成的信号反射，而忽略了应力波在桩身中传播时，不仅受到桩身材料、刚度及缺陷的影响，还受到桩周土层的土模量大小的影响。

当桩周土从软土层变化到硬土层时，采集的波形曲线会在相应位置处产生类似扩径的反射波，而当桩周土从硬土层变化到软土层时，采集的波形曲线会在相应位置处产生类似缩径的反射波。

如果不考虑桩周土对采集波形曲线的影响，不了解桩侧的地质情况，容易对基桩产生误判。

5、波形指数放大的优缺点

在现场信号采集过程中，桩底反射信号不明显的情况经常发生，这时指数放大是非常有用的一种功能，它可以确保在桩头信号不削波的情况下，使桩底部信号得以清晰地显现出来。

这一点对于16位A/D转换的测桩仪尤为重要（8位A/D者意义不大）。

笔者曾有20~30倍的放大记录。

但往往有人对指数放大不以为然，认为它将使波形失真，过份突出了深部的缺陷，这种观点有一定道理，错误的指数放大方式甚至可能会人为地造出一个桩底反射！

但是如果应用者充分结合原始曲线、线性放大和指数放大分析，或者仅将指数放大作为显示深部缺陷和桩底的一个手段，它的缺陷还是不难克服的。

6、滤波的影响

滤波是波形分析处理的重要手段之一，是对采集的原始信号进行加工处理，它是为了将测试信号中无用的或次要成分的波滤除掉，使波形更容易分析判断，在实际工作中，多采用低通滤波，而低通滤波频率上限的选择尤为重要，选择过低，容易掩盖浅层缺陷，选择过高，起不到滤波的作用。

对于速度计的安装谐振振荡而言，恰当的数字滤波可以与之互补，从而延拓传感器的使用频率范围，因此对于这种信号的数字滤波方式，以在频域分析的基础上，恰好滤去安装谐振场振荡的原则。

可以通过比较滤波前后幅值谱曲线的方式来验证滤波恰当否，但一般来说以选择安装谐振峰左侧第一谷处频率作为低通截止频率为宜，大体上速度计的该频率不宜低于800Hz；

数字滤波也可以用于加速度计，使用原则与速度计一样，但其滤波宜在积分后进行，且不宜低于1500Hz，数字平滑虽与滤波功能近似，但也不能完全对等，用于加速度计的积分信号较为理想，一般以正好消去高频毛刺为原则。

7、对砼强度的判断

低应变反射波法测出的波速为整桩的平均波速，其准确性依赖准确的桩长和桩底反射时间，波速与砼强度之间没有一一对应的关系，因此不能给出每根桩对应的砼强度，但是我们可以根据同一工程所有测试桩的波速平均值来估计砼强度等级。

有相关性，呈正相关关系，但不是一一对应关系，也不是线性关系。

因地区不同而不同，和粗骨料等有关系。

自由桩试验结果（粗骨料：

武汉地区的石料）仅供参考

1，电线杆：

4100～4650m/s 

2，标称C60、C80PHC预应力混凝土管桩：

4100～4200m/s

3，标称C25～C30预制方桩：

3700m/s左右

对于同一根桩，检测方法不同，波速关系如下：

声波透射法波速>

低应变实测波速>

高应变实测波速。

超声波检测混凝土强度的方法和声波透射法基本一致。

8、联线接头及信号线的保护

仪器与传感器之间通过联线进行连接，接头部位是最容易出问题的地方，无论是传感器接头、信号线接头和电源线接头，都存在硬软交接现象，一般均通过焊接、硅胶和线卡固定，承重能力和抗折拉能力较差，因此对于这些部位在加强衔接、增大接触部位摩擦力、延长硬软变换缓冲带（一般由厂家负责）的同时，实际使用过程中，应尽量避免承重和大力折拉，转场时应用手握住传感器，如果将传感器吊在半空，极容易导致接头处脱落。

信号线除重点保护接头外，自身的老化和折拉变形也会严重降低寿命和使用的可靠性，贮存和装箱时信号线不应长期处于折拉状态，也不应长期与易腐蚀物质相处，泥砂、盐碱、污渍应及时清洗，利用小型辘轳或线盘收放信号线是合适的，现场测试时，还应尽量避免大力牵拉和甩动信号线；

为防止行人拌动，信号线接头部的前端务必固定。

一旦绝缘电阻降低或接触不良以至无法使用的信号线最好弃旧购新。

对于速度计而言，普通（橡胶外套含双屏蔽的）音频线可以代用。

加速度计必须购买低噪声电缆线，接头也必须用专门工具安装，非常麻烦。

正因如此，现场保护联线和接头十分重要。

实际使用中，一些人员忽略了对联线和接头的保护，往往造成信号线的损坏，然后自行联接信号线，并用普通电工用黑纱布进行包箍，实测结果表明，在潮湿地区它们均存在严重的干扰，拆开后发现，绝大部分被包箍的线头均存在不同程度的锈蚀，这说明普通电工纱布不能防水，因而在野外工程试验中也不能起到较好的绝缘作用。

因此应该说，单纯用这类纱布包线不合适甚至适得其反的。

正确的处理办法是选用防水绝缘胶布包箍连接部位，正确的接线方式应当如下：

①焊好芯线和屏蔽线，各自裹数层绝缘防水胶布。

②在二线的外边，屏蔽层未达到的部位包一层锡箔纸，然后再用防水胶和黑纱布箍紧。

③打结或其它办法处理，提高连接处的抗拉能力。

低噪声电缆线连接更加麻烦，一般尽量不要增加中间环节，一根线捅到底最好。

9、仪器自触发、不触发的检查

经常有测试人员反映RSM—24FD浮点工程动测仪老是自触发，有时又不触发，事后检查，仪器没有任何毛病，工作状态一切良好，那么到底应当怎样检查仪器的触发是由仪器故障还是传感器故障还是联接电缆故障造成的呢？

首先谈谈传感器故障对仪器触发的影响：

①速度计用万用表测量其内阻一般在500-600Ω之间。

当速度计内阻为0Ω（即短路）时，仪器采样时应不触发；

当速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应自触发。

②加速度计用万用表很难测量其内阻阻值。

但当加速度计内阻为0Ω（即短路）时，仪器采样时应自触发；

当加速度计内阻为无穷大（即开路）时，仪器采样时应该不触发。

其次谈谈联接电缆故障对仪器触发的影响：

①当速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该不触发；

当速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该自触发。

②当加速度计联接电缆中信号线短路时，仪器采样时应该自触发；

当加速度计联接电缆中信号线断开时，仪器采样时应该不触发。

那么当仪器出现自触发或不触发现象时，我们首先应将传感器及其联接电缆联接到其它的相应通道上测试，看是否有同样的现象发生，若没有同样的现象发生则表示前面那个通道出现问题，此时按RSM动测仪说明书上的联接图，量一量六合一接头联线相应通道的两根信号线是否通断或是否短路开路，若联线有问题可修理六合一接头联线或另购一根，若联线没有问题则表示仪器相应通道出现故障。

若接到其它的相应通道上测试，仍出现同样的现象，则有可能是传感器及其联接电缆出现故障，也有可能是仪器的几个通道都出现故障，按上面的方法用万用表对传感器及其联接电缆进行测试，若有问题则对传感器及其联接电缆进行修理或另购，此时最好用一正常的传感器及联接电缆对仪器测试一下；

若传感器及其联接电缆没有问题，则表示仪器的所有通道都出现故障，必须进行修理。

10、时域、频域分析

如何利用频域分析判断桩身完整性？

先将时域信号进行适当压缩，然后作幅值谱（加速度信号系数为积分谱），确保频域曲线的分辨率。

其次，排除干扰峰，一般来说，高频端（谷侧）如凸显单一高峰，而测试系统又有出现安装谐振之可能，那么该峰当为安装谐振峰，一般来说，此峰属50Hz干扰，也不应参与完整性分析。

再次，寻找桩底，亦即整桩谐振峰，排除干扰后，屏幕左侧的第一（对于小桩或柔性桩而方，如桩土系统出现如动力参数法假定的那种桩土系统共振，其频率最低，因而整桩谐振峰当为第二）峰，对应的频率即为整桩谐振基频，对于明显的端承桩而言，该频率所对应的深度大约为2倍桩长（此时，该峰幅值远高于其它峰），而绝大部分情况下与桩长对应，观察谱图中是否有形态类似的谐振峰，利用相邻峰间差等于桩长和阶数增加幅值减少（它排除干扰路线后）的关系进一步判断整桩谐振峰。

如谱图中有凸的谐振峰出现，读出其对应的深度（以基频待），并在时域加以验证，判明其是否为一缺陷。

频域分析中，扩颈、缩颈、裂隙、离析缺陷有以下几点区别：

①扩颈：

基频约为频差的1/2，但相应幅值远高于一阶谐振峰（一般为2倍以上）；

②离析：

基频约等于频差，谐振峰较平缓（宽）；

③裂隙：

基频约等于频差，可见较多谐振峰，谐振峰较窄；

④缩颈：

谐振峰特征介于裂隙与离析之间。

与时域分析相比较，频域除易于判明和排除干扰源外，对于深部缺陷（包括桩底）也较时域为优。

怎样利用频域时域互补分析？

频域和时域分析的理论基础都来自一维波动方程（振动方程），只不过是求解方式和分析侧重点不同，前者以傅利叶展开和频域分析为主，后者则通过特征线及特征线上相