摘要:利用敲擊錘對建筑用磚施加敲擊力,根據物理學共振原理,敲擊會引起建筑用磚共振從而發(fā)出聲響。而由于敲擊不同品質的建筑用磚發(fā)出的聲音頻率不同,人通過耳朵分辨聲音的尖銳或低沉來判別建筑用磚品質的好壞,實際上就是在借助聲音信號所包含的頻率高低來判別。經過實驗研究發(fā)現:橫向缺損帶來的特征頻率的偏移要大于縱向缺損;完好的建筑用磚的共振頻率在3606Hz左右,缺損的建筑用磚的共振頻率分別穩(wěn)定在3709Hz和3584Hz左右,各自距離無缺損建筑用磚共振頻率3603Hz都有非常穩(wěn)定的差距,驗證了該實驗方法的可行性較好。此頻率的差別人耳可以捕捉到。而通過現場實驗發(fā)現,此頻率的差別人耳足以捕捉到。據此可以用共振頻率替代人耳定量表示建筑用磚的品質好壞,用于建筑用磚的自動化品質檢測。
關鍵詞:聲音信號;頻率;建筑用磚缺損檢測
近年來,利用聲學信號特性進行農產品的損傷和缺陷的自動檢測,國內外研究眾多:如Robinson等根據聲波的衰減特性研制出了西瓜成熟度測定儀[1];DeBelie等用聲脈沖響應技術檢測了生長中的梨在收獲后的變化[2];王樹才等利用敲擊聲音信號進行禽蛋破損檢測和模糊識別[3];王書茂用沖擊振動法對西瓜的成熟度進行了無損檢測[4];陳介余等則研制成功了利用西瓜的聲波響應特性對西瓜的內部裂紋和成熟度進行無損檢測的裝置[5]等。
事實上,聲音特性的應用涵蓋了我們生活的很多方面。如目前許多建筑材料的生產現場是主要依靠人工敲擊辯聲,即工人們依靠敲擊材料發(fā)出的不同聲音來判別其是否含有缺損或是否生產達標。隨著工業(yè)生產節(jié)奏的逐步提高,對生產強度的要求在不斷提高,同時,對操作工人的技能水平要求也不斷提升。單純依靠人耳在線聽聲判別建筑用磚質量的好壞,已經難以滿足生產的要求,漏檢、錯檢現象頻繁發(fā)生,給生產企業(yè)帶來了不小的麻煩;诖爽F象,可以將這種人耳斷聲的方法的聲學原理與所學的物理知識聯(lián)系起來。通過現場實地了解,現場工人人耳主要聽的是聲音的品質,用聲學原理解釋即主要依靠聲音頻率的高低來對產品質量做出判別。因此,本研究計劃利用一種物理可實現的方法,用聲學檢測獲取準確聲音頻率從而判別損傷是否發(fā)生的方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人耳斷聲方法,期待可以解決長時間在線連續(xù)檢測運行和減小失誤、錯判的次數。本文以高鋁質建筑用磚為研究對象,通過設計一個聲學測量實驗:1組完好建筑用磚;1組橫向缺陷的建筑用磚,1組縱向缺陷的建筑用磚,借助木槌敲擊產生聲音信號,之后借助聲學傳感器接收信號并分析信號特征頻率來對結果做出對比和判斷,研究材料損傷的發(fā)聲規(guī)律,找到能夠有效替代人耳判別的新方法。
1材料與方法
1.1實驗材料
實驗材料為目前生產玻璃窯爐最常使用的高鋁質建筑用磚,建筑用磚磚的密度為2162kg/m3,磚的各項尺寸分別為:長232mm,高115mm,上寬54mm,下寬64mm。實驗所用的建筑用磚分為三類:1類(號)建筑用磚為完好的建筑用磚,作為對比組;2類(號)為在其橫向方向人為地做出缺損,切入30mm深的槽,代替模擬橫向方向的各種類型缺陷;3類(號)為在其縱向方向人為地做出缺損,切入40mm深的槽,代替模擬縱向方向的各種類型缺陷。對比組和缺陷組的磚切好加工后如圖1所示。
1.2實驗裝置
實驗裝置由虎鉗試驗臺、木質敲擊錘、麥克風以及電腦采集系統(tǒng)4部分組成,其中虎鉗是用來夾住建筑用磚的,敲擊錘為普通的木質錘子,如圖2所示。
1.3實驗步驟與方法
(1)將1號建筑用磚夾在虎鉗上面;
(2)利用木質敲擊錘敲擊建筑用磚的上表面,將聲卡的采樣頻率設置為48kHz,通過麥克風采集聲信號,并將聲信號以xlsx格式文件保存;
(3)重復敲擊10次,并記錄數據,得到10個xlsx格式文件;
(4)對破損的2、3號建筑用磚重復以上1-3步實驗步驟;
(5)利用matlab對得到的數據進行分析[6],將其進行傅里葉(FFT)變換,得到聲信號的頻譜圖,記錄建筑用磚的共振頻率。
2結果與分析
2.1敲擊聲音的特性
利用Matlab分析軟件對接收到的聲音信號進行FFT變換,將時域信號轉換為頻域信號以獲取共振特征頻率,取其中之一的轉換結果如圖3所示。
借助軟件可以獲得每組磚每次敲擊的共振頻率,將每塊建筑用磚對應的10組共振頻率數據記錄如表1所示。
2.2結果分析
由表1可以看出,對3塊實驗磚敲擊得到的結果都很穩(wěn)定,說明實驗的可重復性很好,測試出來的數據是科學可用的。通過敲擊錘敲擊無缺損的1號建筑用磚的上表面時,分析得到的共振頻率在3606Hz左右。在敲擊具有縱向缺陷建筑用磚時獲得并計算得到的建筑用磚的共振頻率在3710Hz左右,浮動在1Hz以內;在敲擊具有橫向缺陷建筑用磚時獲得并計算得到的建筑用磚的共振頻率在3583Hz左右,浮動在1Hz以內。和無缺陷的建筑用磚敲擊結果對比,2號磚的共振頻率比1號磚大104Hz,有3%的浮動,3號磚的共振頻率比1號磚小23Hz,有0.7%的浮動。由于有缺陷和無缺陷各自表現出的共振頻率非常穩(wěn)定,因此以上頻率的變化足以被人耳獲取,這也在實驗室里進行了驗證。
3結論
(1)完好的建筑用磚的共振頻率在3606Hz左右,缺損的建筑用磚的共振頻率分別在3709Hz和3584Hz左右,各自距離無缺損建筑用磚共振頻率3603Hz都有非常穩(wěn)定的差距。而通過現場實驗發(fā)現,此頻率的差別人耳足以捕捉到,據此可以用共振頻率替代人耳定量表示建筑用磚的品質好壞,用于建筑用磚的自動化品質檢測方面;
(2)多組實驗得到的特征頻率差異性不大,說明此方法可行性較好;
(3)橫向缺損帶來的特征頻率的偏移要大于縱向缺損。
參考文獻:
[1]ROBINSONBE.Anevaluationofacousticaldecaytimeasameasureofwatermelonmaturity[D].Athens:UniversityofGeorgia,1976.
[2]DEBelieN.Firmnesschangesofpearfruitbeforeandafterharvestwiththeacousticimpulseresponsetechnique[J].JournalofAgriculturalEngineeringResearch,2000,77(5):343.
[3]王樹才,任奕林.利用敲擊聲音信號進行禽蛋破損檢測和模糊識別[J].農業(yè)工程學報,2004,20(4):130.
[4]書茂.西瓜成熟度無損檢驗的沖擊振動方法[J].農業(yè)工程學報,1999,15(3):241.
[5]陳介余,宮里滿,等.利用聲波響應特性檢測農產品內部質量的研究[J].農業(yè)機械學會志,1993,55(3):65.
[6]張濤,齊永奇,李恒燦.MATLAB基礎與應用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2017.