使用声学信号的时频特征对瓷器裂纹进行识别研究.docx

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使用声学信号的时频特征对瓷器裂纹进行识别研究

使用声学信号的时频特征对瓷器裂纹进行识别研究

摘要

瓷器缺陷主要表现为裂纹，裂纹是一种常见的结构损伤形式，目前裂纹检测方法主要有射线诊断、光学诊断、漏磁检测以及声学检测等，其中声学检测具有操作简单、快捷、经济和安全等优点，更适合本课题研究对象的裂纹检测。

本文利用声学信号的时频特征对瓷器裂纹进行识别研究。

研究内容如下：

（1）基于声学的瓷器纹检测信号试验装置设计。

在对声学裂纹检测原理分析的基础上，设计瓷器裂纹检测试验装置。

该装置主要解决声音信号数据采集问题。

初步研究信号特性参数，确定最佳实验方案。

（2）采集信号的数据预处理。

应用MATLAB设计高通滤波器以尽可能消除提取信号内所含的噪声。

（3）瓷器信号特征参数的提取。

分别从时域、频域对瓷器激励声音信号进行分析，提取完好瓷器和裂纹瓷器的时、频特征参数，综合各参数特性优点对裂纹进行识别。

另外对信号进行时频分析（4）系统应用软件设计。

从模块化的角度，对系统软件进行设计。

设计的模块主要包括数据采集保存、文件读取、信号预处理与特征提取、裂纹识别等。

关键词：

声发射学；裂纹；信号处理；傅里叶变换；概率密度

ABSTRACT

Nicksisoneofthemostcommonformsinporcelaindefect,anditisakinofstructuredamage.Raydiagnosis,opticaldiagonsis,leak-porcelaindiagonsisandacousticdiagonsisetcarethemainmethordsofporcelaindetectiontoday.Andacousticdiagonsishastheadvantageofeasy-operate,fast,economicandsafeanditistheconsortofflawdetctioninthispaper.

Thispaperisasutudyondetctionofnicksinsideofporcelainwithacousticsignalinfrequencydomain.Thecontantsasfollowing

（1）aexperimetationdesign（set）onsignaldetectionofporcelainbasicatacoustic.ThissetistoselcetacousticsignalandTostudythespecialparametersthereforbeagoodexperimentdesigen

（2）pre-prccessdeteofscelectedsignal.Toexpectfromthesignalwithnoisewithstatisticbepresentedinordertopick-upomformation.（3）pick-upporcelainspecialsignalparameters.Toanalyseacousticsignalfromtime-domain,frequency-domainandpick-uptime-dimainparameterandfrequency-domainparameterbothfromperfectandnickporcelains,tellnicksfromtheparameters.（4）systermsoftwaredesigen.Frommoduleaspecttodesignforthesystemsoftware.Designedmoudlesinculdingseclecteddatesrecorded,documentsrade.Pre-processsignal,pick-upcharacters,andnicksidentify.

Keywords:

AE;nicks;signalprocess;Fouriertransformation;probabilitydensity

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1课题研究背景1

1.1.1国外研究现状1

1.1.2国内研究现状2

1.2课题研究目的及意义3

1.3课题主要研究内容3

2基于声发射学裂纹检测原理及检测系统5

2.1裂纹检测原理5

2.1.1声学基础知识5

2.1.2无损检测7

2.2检测系统实验设备组成8

2.2.1检测系统组成8

2.2.2声音信号的采集8

2.2.3影响声音信号特性的因素9

2.2.4实验参数的确定9

2.3MATALB软件平台介绍10

2.3.1MATLAB的简介10

2.3.2MATLAB特点11

3系统总体设计12

3.1系统总体流程图12

3.2检测信号噪声来源分析13

3.3检测信号的噪声的处理方法13

3.3.1有限冲激响应滤波器（FIR）13

3.3.2无限冲激响应（IIR）15

3.3.3数字高通滤波器的设计16

3.4检测信号的端点检测17

4信号特征参数提取与实验结果分析19

4.1瓷器时域特征参数提取与裂纹检测19

4.1.1概率密度直方图法19

4.1.2程序结果20

4.1.3结果分析23

4.2瓷器频域特征参数提取与裂纹检测23

4.2.1傅里叶变换频域分析法23

4.2.2程序结果24

4.2.3结果分析26

4.3实际应用26

5结论28

致谢29

参考文献30

附录31

附录部分程序代码31

1绪论

1.1课题研究背景

裂纹是最常见的一种结构损伤形式。

对裂纹的监测，可以提高瓷器产品的合格率及企业信誉具有重要意义。

目前结构裂纹的无损检测主要有射线诊断、光学诊断、漏磁检测以及声发射学检测等，近年来，这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大的进展，特别是用于航天航空领域的陶瓷基复合材料构件的制造中发挥着极为重要的作用。

以声学技术的完整理论为基础。

裂纹检测在国外已有较成熟的研究经验。

由瓷器本身结构的物理声学特性应用声波的时域分布、频域分布、传播速度、相位变化、声波的强度（振幅）、衰减等特征检测（本文利用前两种特性）。

这为声学检测技术奠定了完好的理论基础，同时声学裂纹检测具有便捷、经济及科学等特点。

1.1.1国外研究现状

多年来，国外学者应用各种技术，研究了结构裂纹缺陷的方法。

利用结构动态特性的改变来识别裂纹至少已经有超过30年历史。

Dimarogonas认为最早可以追溯到上世纪40年代Kirmsher和Thomson的研究[1]，然而系统研究还是从上世纪70年代以后，面对裂纹转子、海洋平台以及飞行器损伤检测的实际需要而开始的。

这种方法的基本思想是结构模态参数（固有频率、模态振型等）是结构物理属性（质量、阻尼和刚度）的函数。

物理属性上的重要变化，如裂纹的出现将导致模态参数的变化。

在声学检测技术方面，BrusewitzG等（1986-1988）[2]通过分析同类谷物（小麦、玉米、高粱、大豆等）之间撞击发出的声音，检测谷物的水分含量。

研究人员测定谷物下落到谷物堆上所产生的等量连续声压水平值，该值随谷物含水量的降低、谷物流速的增大、麦克风与谷物距离的减小而增加。

基于谷物流下落到填满谷物的漏斗里产生的声压水平，研究人员还开发了一种在线、连续的谷物水分测定仪表。

LauraLuz等（2001）[3]研究了4种大豆的声学特性与水分含量的关系。

他们将大豆置于金属圆筒内，电动机带动圆筒旋转，于是大豆撞击筒壁产生声音，结果表明，通过分析一定频率波段内的频域信息，可以预报大豆的水分含量。

T.C.Pearson（2001）[4]开发了一种声学分类系统，利用撞击声学原理，分离未开口的开心果和开口的开心果。

针对撞击声音信号的最初1.4ms，他提取了3种特征值。

A.E.Cetin等利用语音识别技术来区分未开口的开心果和开口的开心果。

首先将声音信号的自相关矩阵进行主成分分析得到特征值，然后对该特征值和梅尔倒频谱系数进行分类分析。

I.Onaran等利用撞击声学原理，区分空心榛子和实心榛子。

采用5种不同的方法处理声音信号：

时域信号建模、计算短时窗的时域信号方差、频谱幅值分析、短时窗最大幅值以及线频谱分析，利用支持向量机选择特征子集并完成分类。

T.C.Pearson等开发了一种装置，通过分析籽粒撞击钢板后产生的声音信号，可以在线、无损地检测小麦籽粒中的虫蚀粒、生芽粒和病斑粒。

研究人员采用4种不同的方法处理声音信号：

时域信号建模、计算短时窗的时域信号方差和最大幅值、频谱幅值分析以及导数光谱分析，利用神经网络进行识别。

这种方法还可用于区分完好粒、虫蚀粒、生芽粒和病斑粒。

1.1.2国内研究现状

东北大学轧钢机的万向接轴为例来探讨转轴设备诊断工程中心的原培新、虞和济等在《转轴裂纹故障诊断》一文中，以的裂纹诊断，应用时间序列建模分析法和谱分析技术，从理论和实验分析两方面研究了轧机万向接轴裂纹故障的诊断问题。

文中以小四辊轧机万向接轴为例，用线切割机制造了两类8种不同深度的裂纹故障，从信号采集、时序建模到数据分析构成了一整套诊断方法。

在技术已经较成熟的转子叶片裂纹诊断中，有应用小波时频分析技术、小波有限元建模方法等研究成果出现。

像华中科技大学机械科学与工程学院的刘晓波、黄其柏在《转子叶片裂纹扩展故障诊断实验研究》[5]一文中，设计了旋转机械振动监测实验台，通过实验采集了不同裂纹宽度的转子叶片裂纹振动信号，应用小波包分析技术对采集到的振动信号从低频到高频作4尺度小波分解，通过信号的小波包分析谱、信号的小波包分解频段细化图、信号频段小波重构波形对叶片裂纹扩展进行识别、分析，结果表明：

叶片裂纹存在高频冲击，并且表现为轻微的颤动、裂纹扩展、振动加剧，当裂纹宽度为叶片宽度的一半时，裂纹迅速扩张，叶片很快断裂。

这就为转子叶片裂纹故障的监测与诊断提供了依据。

上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室的邹剑、陈进、邹军等，在《裂纹转子故障诊断的小波时频分析方法》一文中，基于局部柔度理论和铰链裂纹模型，建立了裂纹转子的动力学模型，得到了裂纹转子与无裂纹转子的数值仿真解。

利用连续小波时频分析方法，讨论了裂纹转子与无裂纹转子的小波时频特性，提出了利用小波时频分析方法识别裂纹的新方法；数值仿真研究了采样频率对小波时频分析方法的准确性和有效性的影响，并给出了建议性的采样频率。

最后实验验证了该方法的有效性和实用性。

在声学检测技术方面，吉林大学对玉米籽粒应力裂纹的检测利用到了现代声学技术。

方建军（2000）[6]设计了简易的实验装置，研究了粮食水分与声压之间的关系。

实验结果表明，当频率在10～20kHz范围内时，粮食水级之间存在统计线性关系。

李建平等（2005-2006）利用声学测试系口松子与未开口松子声学特性进行测试，发现开口与未开口松子的波谱图有明显区别，可以利用开口松子与未开口松子的声学特性不同进类。

他们还发现：

松子波形和频谱的分形维可以作为用于判别松子是一个指标。

从以上研究结果来看，利用撞击声学检测瓷器裂纹是可行的。

然而我国对这方面的研究起步比较晚，而且目前对此的重视还不够，研究还不多。

1.2课题研究目的及意义

目前瓷器存在的质量问题主要为裂纹。

由于密度不均匀和受潮等因素，使瓷器受高温烘烤时产生裂纹。

现在阶段是由有经验的员工根据自己积累的经验，依靠听辨手动锤击瓷器产生的声音来识别出不合格瓷器，然而由于人自身的主观因素，无客观准确的判定标准，识别误差大且效率低。

因此，本文以碗为研究对象，探讨瓷器有无裂纹与其声学信号特性之间的关系，最终实现瓷器裂纹的声学快速检测法。

1.3课题主要研究内容

1、声音信号的采集：

设计了一套声音敲击装置，用胶皮锤，铁锤，及自制单摆对瓷器（本实验研究对象为碗）进行敲击实验，录制声音信号。

2、声音信号处理：

首先对声音信号进行处理，包括滤波，端点检测，傅里叶变换；然后对信号进行时域，频域和时频域分析，提取可用的特征参数。

3、特征参数筛选：

通过大量实验，以及数据分析方法，筛选出可以提取裂纹瓷器的声音信号特征参数，并应用于裂纹瓷器识别。

2基于声发射学裂纹检测原理及检测系统

2.1裂纹检测原理

物体的声学特性随物体内部结构组织的变化而变换，不同物体的声学特性不同，同一种类的物体因品质的不同物体的声学特性往往也存在差异。

根据这一原理，如果能够寻找出瓷器的声学特性与其结构特性（有无裂纹）之间的关系，就可以通过测定瓷器的声学特性来检测瓷器的裂纹。

目前瓷器的裂纹的检测主要采用人工耳听目测的方法进行，如果能够应用计算机信号分析处理技术来模拟人工耳测的过程，就可以快速、准确地进行瓷器裂纹的检测。

根据现代声学技术，瓷器的声学特性随其内部结构的变化而变化，不同材料的瓷器的声学特性不同，同一类材料的瓷器如果品质不同，其声学特性也存在差异，所以可以根据瓷器的声学特性判断其品质。

2.1.1声学基础知识

1、声发射的概念

材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射（AcousticEmission,简称AE），有时也称为应力波发射[7]。

材料在应力作用下的变形与裂纹扩展，是结构失效的重要机制。

这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。

近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，被称为其它或二次声发射源。

声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20Hz～20KHz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。

如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。

大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。

用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。

2、声发射检测的原理

声发射检测的原理如图2.1所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。

固体材料中内应力的变化产生声发射信号,在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。

人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。

图2.1声发射检测的原理

3、声发射检测的主要目的是：

（1）确定声发射源的部位；

（2）分析声发射源的性质；

（3）确定声发射发生的时间或载荷；

（4）评定声发射源的严重性。

一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。

4、声发射的特点：

（1）声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；

（2）声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号；

　　（3）在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态；

　　（4）可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；

　　（5）由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；

　　（6）对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；

　　（7）对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力；

（8）由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。

2.1.2无损检测

无损检测[8]，简称NDT（Non-destructivetesting），是指对材料或工件实施一种不损害或不影响其未来使用性能或用途的检测手段。

在不损伤被测材料的情况下，检查材料的内在或表面缺陷，或测定材料的某些物理量、性能、组织状态等的检测技术。

广泛用于金属材料、非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测。

常用的无损检测技术有：

1、射线探伤（radiographictesting）。

利用X射线或γ射线在穿透被检物各部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。

若将受到不同程度吸收的射线投射到X射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。

如用荧光屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。

2、超声检测（ultrasonictesting）。

利用物体自身或缺陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理特性。

在超声检测中常用的超声频率为0.5～5兆赫（MHz）。

最常用的超声检测是脉冲探伤。

3、声发射检测（acousticemissiontesting）。

通过接收和分析材料的声发射信号来评定材料的性能或结构完整性。

材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起应变能快速释放而产生应力波的现象称为声发射。

材料在外部因素作用下产生的声发射，被声传感器接收转换成电信号，经放大后送至信号处理器，从而测量出声发射信号的各种特征参数。

4、渗透探伤（penetranttesting）。

利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性来探测表面缺陷。

常用的渗透液为含有有色染料或荧光的液体。

5、磁粉探伤（magnetictesting）。

通过磁粉在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或近表面处的缺陷，被检测物体必须具有铁磁性。

此外，中子射线照相法、激光全息照相法、超声全息照相法、红外检测、微波检测等无损检测新技术也得到了发展和应用。

2.2检测系统实验设备组成

2.2.1检测系统组成

系统组成如图2.2所示，按照编号分别为1传送设备，2陶瓷产品（碗），3声音接收器，4敲击设备（铁棒），5电脑。

图2.2系统组成示意图

检测系统运行流程为瓷器2经铁棒4敲击后，产生的声音由声音接收器3对声音信号进行采集，然后保存到电脑5之后再由电脑进行处理。

2.2.2声音信号的采集

利用信号激励设备激励碗产生声音，由音频信号获取单元获取后储存于电脑（wav格式），经MATLAB显示，如图2.3所示：

图2.3声音信号的波形

2.2.3影响声音信号特性的因素

裂纹声音信号是激励内部存在断裂的瓷器产生的。

所有影响材料内部结构以及声音信号的产生的因素，都会导致声音信号特性变化，原因主要包括：

1、材料特性：

不同材料的激励声音特性差异很大，同一材料不同的质量也是有差异的，材料的均匀性也会影响声音特性。

2、敲击物：

瓷器激励信号的特性还与其敲击设备有很大关系，本文应用铁棒进行实验，使录制的声音信号很好。

3、环境：

主要是周围的噪声，如在实际应用中还存在各种机器摩擦索产生的噪声，应尽可能的避免或降至最低。

2.2.4实验参数的确定

实验研究发现，在敲击瓷器的实验中，敲击瓷器的部位以及铁棒敲击瓷器的力度等参数对声音信号的影响显著。

本文为了实现更好的对比敲击的部位都是碗沿，并通过大量实验减少由于力度的差异而产生的影响。

对于存在裂纹的瓷器，敲击点与信号采集点离裂纹越近，越与敲击完好的瓷器产生的信号差别越大。

2.3MATALB软件平台介绍

2.3.1MATLAB的简介

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件[9]，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和simulink两大部分。

MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，和mathematica、maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用应用。

MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：

1、数值分析；

2、数值和符号计算；

3、工程与科学绘图；

4、控制系统的设计与仿真；

5、数字图像处理；

6、数字信号处理；

7、通讯系统设计与仿真；

8、财务与金融工程。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域Matlab的优势和特点。

2.3.2MATLAB特点

1、此高级语言可用于技术计算；

2、此开发环境可对代码、文件和数据进行管理；

3、交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题；

4、数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等；

5、二维和三维图形函数可用于可视化数据；

6、各种工具可用于构建自定义的图形用户界面；

7、各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成。

3系统总体设计

基于声学的裂纹检测中不可避免地要面对大噪声环境、采集周期长等的问题，而声学检测又极易受到环境噪声的干扰，导致分析困难。

因此，要将声学技术应用到瓷器裂纹检测中去，首先应识别与抑制严重的噪声干扰，这正是目前声学优劣检测技术在试验研究中的难点。

本文结合实际应用，从软件补偿技术方面对噪声的剔除进行研究。

3.1系统总体流程图

图3.1系统流程图

3.2检测信号噪声来源分析

本实验设计相对简单，噪声较少（主要来自电脑及轻微环境噪声），但实际现场环境较恶劣，噪声大、来源分布复杂。

噪声包括试验装置电源的工频干扰、试验件两端夹具摩擦试验件的干扰噪声、加载点噪声与裂纹面的闭合或摩擦噪声等。

总的来说，噪声的类型可分成两大类：

机械噪声和电磁噪声。

机械噪声，是指由于物体间的撞击、摩擦、振动所引起的噪声；而电磁噪声，是指由于静电感应、电磁感应所引起的噪声。

如此复杂的噪声给敲击瓷器的声音信号的采集辨别分析带来比较大的困难，解决噪声干扰问题是试验过程中运用好声学裂纹检测技术的关键。

3.3检测信号的噪声的处理方法

本文噪声的处理方法是应用软件编辑滤波器，下面介绍