毕业论文-基于音频检测原理的音频检测系统

1、本科毕业设计 第1章 绪论1.1 课题研究的目的及意义无损检测技术是一门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或损坏被检测 对象的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺 陷，判断缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化1。近年来，随着冶金、航空、造船、建筑等工业的发展，对一些受力复杂、工作条件苛刻的构件和零件，如：航空发动机叶片、船用螺旋桨、发动机曲轴、导弹壳休、尾翼等亦采用了工件，而铸造过程中又往往容易产生各种缺陷，为保证产品质量及降低生产成本，在生产流程的早期阶段及时检出缺陷是很必要的，这就

2、更迫切需要采用无损检测技术以确保产品的质量和安全可靠。采用无损检测可及时发现废品，并从工艺上采取措施，从而减少废品、避免材料浪费和提高生产效率，因而已成为工件缺陷检测的首选方法2。正因为如此，各国对无损检测都十分重视，已成为工业生产中一个十分重要的环节。例如：国外航空工业中无损检测费用约占总成本的14%。国内外目前使用的无损检测方法约有26种之多，对工件而言，主要有X射线检测、超 声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透等检验方法3。常规无损检测手段在检测工件时主要集中在缺陷的探测与诊断，它们用可 视化技术对缺陷迹象进行扫描，而对于一些工件检测公司，它们认为识别工件 有无缺陷比识别缺陷自身类型更为重

3、要。音频共振检测与传统无损检测的基本差异是它的扫描方法。常规无损检测手工扫描需要操作人员的主观判断，因此 要求操作人员要有一定的技术培训或资格认证，而音频检测与常规无损检测不同，通过检测工件的结构响应来对工件进行统计学评价，可以检测工件的整体，包括表面和内部的缺陷，提高了缺陷识别的灵敏度。在单次检测中，通过测量机械共振的结构响应来确定工件的结构特征。许多常规无损检测也能检测工件中的缺陷，但是只有音频共振检测能在单次测试中检测出遍及整个工件 (包括近表面缺陷)所有缺陷。本课题旨在研究音频检测方法在工件质量检测中的应用，该方法利用结构的共振响应对工件进行检测，不需要对工件进行预处理，能够对工件内部

4、质 量进行统计学评价。与其它检测方法相比，音频检测效率高，容易实现自动化 且检测成本较低，非常适合产品在线检测。1.2 常规无损检测研究现状1）渗透检测渗透检测方法简单，成本低廉，缺陷显示直观，检测灵敏度高，可检测的材料与缺陷范围广，一次操作可检测多个零件，同时不受工件形状和尺寸大小的限制，能检测出多种缺陷。但渗透检测效果的影响因素很多，主要有渗透检测系统、渗透检测的工艺参数、缺陷的特征以及待检工件的表面状况等，因此在检测过程中各个环节都要严格控制4。2）磁粉检测磁粉检测主要用于检测裂纹、折叠、夹层、夹渣等，且所用设备简单、操作方便，观察缺陷直观快速，能确定缺陷的位置、大小和形状，有较高的检测

5、灵敏度。磁粉检测虽然古老，但经久不衰，由于该方法操作简便、直观，结果 可靠，速度快，价格低廉等优点，仍被航空、航天、机械、冶金、石油等各行 业广泛应用5。3）涡流检测涡流检测速度快，特别适合管、棒材的检测；对于表面和近表面缺陷有较高的灵敏度，在一定范围内具有良好的线性指示，对不同缺陷进行评价，能在高温状态下进行探伤，可用于异形材和小零件的检测。涡流检测不仅适用于导电材料的缺陷检测，而且可检测材料的电导率、磁导率、热处理状况、硬度和几何尺寸等，使用广泛。根据不同的检测目的，可采用涡流电导仪、涡流探伤仪、涡流测厚仪等不同类型的仪器。涡流检测自动化率较高，但只能检测导电 材料，且检测深度受线圈提离效

6、应的影响，难以判断缺陷种类，灵敏度相对较低6。4）射线检测射线检测技术几乎适用于所有材料，能直观地显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量分析。射线底片可长期保存，对体积型缺陷比较灵敏，但难于发现垂直射线方向的薄层缺陷，检测费用较高，同时射线对人体模型有害，需作特殊防护。射线检测技术一般适用于检测焊缝和工件中存在的气孔、夹渣、密集气孔、冷隔和未焊透、未熔合等缺陷7。5）超声波检测由于超声波检测具有灵敏度高、指向性好、穿透能力强、检测速度快的优点，成为了无损检测中应用最为广泛的方法之一，并适用于各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些工件，无论是钢铁、有色金属和非金属都可以采用超声法进行检测，包括各种机

7、械零件、结构件、电站设备、船体、锅炉、压力和化工 容器等；就物理性能而言，用超声法可以检测厚度、材料硬度、淬硬层深度、 晶粒度、液位和流量、残余应力和胶接强度等，但无法检测表面和近表面的延伸方向平等于表面的缺陷、表面粗糙、形状复杂的试件。此外，该方法对缺陷的定性、定量表征常常不准确。超声检测常使用的超声探伤仪、探头、耦合剂等8。6）声发射检测发声是在内部结构变化过程中产生的，且其信号来源于缺陷本身，因此声发射检测是一种动态无损检测方法，即在构件或构件内部结构、缺陷或潜在缺陷处于运动变化的过程中进行无损检测。声发射检测通常用作为一种补充手段，己应用于 许多领域，如机械制造过程中的在线监控、压力容

8、器安全评价，油田应力测量、结构完整评价、构件疲劳损伤和泄漏检测等。综上所述，常规无损检测手段在检测工件时主要集中在缺陷的探测与诊 断，它们用可视化技术对缺陷迹象进行扫描。可视化检测方法包括磁粉检测、 涡流检测、渗透检测、X射线检测和可视检测等等。音频共振检测与传统无损检测的基本差异是它的扫描方法。常规无损检测扫描需求操作人员的主观判断，因此操作人员被要求有一定的技术培训或资格认证，而音频检测与之不同，通过检测工件的结构响应来对工件进行统计学评价，它的体积检测方法检测了工件的整体，包括表面和内部的缺陷，提供了客观的定量检测结果。工件机械共振的结构响应是唯一可检测量的信号，且共振与工件几何特性和材

9、料特性有关，它是音频检测的基本依据，在单次检测中，通过测量共振来确定工件的结构特征。许多常规无损检测也能检测工件中的某些类型的缺陷，而对于其它类型的缺陷不敏感而无法检测出来，但是仅有音频共振检测能在单次测试中检测出遍及整个工件(包括近表面缺陷)所有类型的缺陷。1.3 国内外音频无损检测技术发展概况1.3.1 国外音频无损检测发展状况自英、法等西方国家的工业革命开始，制造业的生产者就开始通过敲击工件听发声的方法，从工件中挑选那些有缺陷的产品。而最早开始音频检测检测工件完整性是用于铁路工业上，工程技术人员通过敲击火车的轮子听其发出的声响，但由于当时没有仪器能解释其共振频谱特征，音频检测只是工件可视

10、化检测的一种辅助性检测。音频法检测应用于工业生产是始于上世纪六十年代初，1963年英国的Fuller A. G.9等人发表了“通过测量共振频率对金属工件质量的估计” 一文。由他建立的三个振动模型揭示了振动物体的内在规律，认为物体振动因激励方向不同而产生各自不相同的频率，即使同一物体也可以有几种不同的振动频率，但它们的振动频率在一定条件下是固定不变的，同时也对几种不同形状的工件进行了探索性研究，总结出如下规律：共振频率=形状因素X物理性能因素2003年Kim J.T.、Stubbs N.等人10针对结构裂纹、切口、几何尺寸大小与位置对工件固有频率的影响进行了大量的试验研究。Hertlin I.等

11、11,12人用音频共振分析法结合有限元分析方法对工件结构的共振特性进行了研究，认为音频法可以精确检测工件工件缺陷、空位、脱层、材料成分偏析、硬度背离和球化率等，且具有检测成本低、精度高、可靠性好和易于实现在线检测等优点。1.3.2 国内音频无损检测发展状况国内的音频检测技术是始开二十世纪六十年代初，1965年上海材料研究所 幵始进行试验研究，1976年第二汽车制造厂在上海材料研究所研究的基础上，对球墨铸铁曲轴进行音频试验。2005年彭永恒、陈静云、潘宝峰等人13采用声振法研究混凝土路面板脱空 与声学特征变化的关系，利用有限元方法分析有、无脱空混凝土路面板的振动频率。通过声振法检测得出脱空的范围

12、与声学特征参数有很好的相关性。与此同时吴伟等人14用声振法研究了混凝土路面板声学特征变化的关系，利用有限元方法分析了有、无缺陷混凝土路面板的振动频率和振型，用语音数字信号处理技术实验研究了试件中缺陷对声学特征的影响。理论和实验结果一致性很好，为用声学特征进行混凝土路面脱空等缺陷无损检测提供了理论和实验依据。孙磊，赵鸣15将音频检测技术引入混凝土的强度与缺陷的无损检测当中，并评价了音频检测的实际应用。2006年周景亮、林志熙等人16应用声振法对轴承滚子的激振，进行声频特 性分析，利用人工神经网络对声频特性的模式识别判别滚动轴承滚子表层有无 裂纹缺陷，通过对大量的样本实验，获取不同模态的频谱特性，

13、分析其特征，并作为神经网络的输入节点，训练神经网络及识别。综上所述，国内外音频检测在无损检测领域中的应用越来越广泛，且日趋成熟。1.4 音频检测的发展趋势作为一种新型无损检测技术，音频检测技术在自动无损检测领域内，具有 广阔的发展前景17，其发展趋势可归纳如下：1)计算机在音频检测技术中的应用，促使音频检测技术向智能化方向发 展；2)大批量、机械化生产，促进音频检测过程的自动化；3)音频检测对象由钢铁单一材料品种向复合材料、工业陶瓷材料等多品 种方向发展；4)音频检测由金属材料内在质量检测向产品的几何形状、密度等外在质 量检测方向发展；5)音频检测系统由单一指标向着材料筛选、识别、自动报警、适

14、时记录 等多功能方向发展。1.5 激振方法的比较激振方法对音频检测来说是至关重要，它会直接影响到随后的要采集的信号，常见的可以制造振源的装置，主要有振动台、激振器、力锤以及其它激振设备。表1-1 激振方法比较机械式振动台1070HZ结构简单，容易生成较大的振幅和激震力频率范围小，振幅调节比较困难，机械摩擦易 影响波形，使波形失真度较大。电磁式振动台0几十KHZ噪音比较小，频率范围宽，振动稳定，波形失真度 小，振幅和频率的调节都比较方便缺点是有漏磁场的影响，有些振动台低频 特性较差。机械惯性式激振器0100HZ制造简单，能获得从 较小到很大的激振力受 转速的影响，激振力大小无法单独控制，另外，机

15、械惯性式激振器本身质量较大，对被激振系统的固有频率有一定影响，且安装使用很不方便电磁式激振器工作频带较宽低频性能差力锤使用不同的锤帽材料可以得到不同脉宽的力脉冲质量过大会导致脉冲 频率过低，从而降低了信号质量1.6 音频传感器的比较声音的本质是机械振动，因此有许多振动变换组件可以测量声波，音频传 感器是将声波信号转换为相应的电信的传感器，也称传声器，其原理：声音造 成的空气压力使音频传声器的振动膜振动，进而经变换器，将此机械振动变成 电参数的变化。音频传感器(传声器)可分为几类，按其指向性可分为单向、双 向、全向、8字形、无指向和可变指向；按按声场作用力分压强式和压差式； 按能量的来源可分为有

16、源类传声器和无源类传声器两类；常见的分类是按据变 换器的形式不同分为电容式、动圈式、压电式和驻极体式。表1-2 音频传感器比较变换形式是否需要放大器优点缺点电容式传声器是灵敏度高、频响平坦、瞬态响应较好、固有噪音低失真小音质好结构复杂、成本昂贵、防潮性能差、机械强度低，使用稍麻烦动圈式传声器否结构牢固可靠、性能稳定、无需外加直流电压、 使用简便，输出阻抗小，所以接较长的电缆，也不降低其灵敏度。此外，温度和湿度的 变化对其灵敏度也无大的影响。精度较低，灵敏度也较低，体积大压电式传声器否固有频率较低，灵敏度较高，频响曲线平坦，结构简单，价格便宜振动膜的频率响应受到机械限制，因此传声器的频率响应差驻

17、极体电容传声器否瞬态性能好，频率响应范围广，结构简单，无需 极化电压，成本低，使用寿命长，信 号内阻很大，为了将声音产生的电压信号引出来并加以放大，其输出端也必须使用场效应晶体管。1.7 课题的主要研究内容本课题的任务是从可行性和实用性出发，设计由脉冲激励装置、音频传感 器(麦克风)、计算机声卡及微型计算机等组成的音频检测系统，并利用该检测 系统进行工件缺陷检测与识别，课题主要研究内容如下：1)音频检测原理研究；2)工件缺陷音频检测系统的构建；3)音频信号处理方法：4)工件缺陷音频识别试验。第2章 检测系统构建2.1 音频检测原理振动与声密切相关，几乎所有的物体受到外界的激励或千扰都会发生振动

18、。机械振动常会引起声辐射，结构的机械振动与其声辐射所引起空气介质的振动(可听到的声音，且频率范围大约是0.0216kHz)都携带反映振动结构的信息。音频检测是一种利用声波在物理介质中的传播特性，通过传感器将声波的声压或结构振动转换为一定的电信号，对该电信号进行测量、分析并给出结论的技术。2.1.1 音频共振测量原理本文是由激励装置激励工件，使工件发生自由振动，所涉及的物理现象是 瞬态机械振动，它的振动模式类似于周期振动，但其振幅是逐渐减少的，由于振动激励是复杂的周期函数，分析起来比较困难，在此借助于傅立叶(Fourier) 函数分解的方法。傅立叶指出：凡是周期函数都可以分解为频率是基数的整数

19、倍的各种简谐函数。因此，一个受任意周期函数激励的系统的响应等于构成该 系统任意周期激励的各种简谐激励响应的总和18。设任意周期函数f(t),其周期T0；，圆频率叫w=2/T0；，若;X(t)满足狄里赫莱(Derichlet)条件，则它可以展开为如下的Fourier级数： （2-1）式中:an,bn为Fourier系数;可由正交条件得到： （2-2） （2-3） （2-4）根据达朗贝尔原理，周期函数x (t)的振动方程可写成: （2-5）式中:m为质量(kg) ; R为阻尼系数;K为刚度系数。这是线性奇次二阶微分方程，设特解为: （2-6）将式(2-6)代入式(2-5)，得到非零解的特征方程：

20、（2-7）求解，得到: （2-8）式(2-8)，令: （2-9） （2-10）式中:为阻尼因子为圆频率。因此，得到: （2-11）对于圆柱杆类的试棒而言，依据材料力学性质，式(2-9)变为： （2-12）式中:w为试棒质量(N); L为试棒长度(m); d为试棒直径(m) ; g为重力加速度(9. 8m/s) ; E为动态弹性模量(N/m2)。当dL时： （2-13）式中:P为试棒材料的密度(kg/m3) ; C为试棒中的传播速度(m/s) 。在刚体模态中，当激励作用产生自由振动时，测量共振频率可根据式(2- 4)、（2-12)、（2-13)得到三种不同的检测途径：1)根据单位时间内脉冲总个数

21、，计算共振频率；2)通过材料力学性质，计算共振频率；3)通过测声速也可间接得到共振频率。2.1.2 音频能量衰减检测原理当外力对工件激励后，由于材料内部粘性阻尼的存在使工件的机械能被损耗(称之为内耗)，使工件处于自动衰减振动状态，振动响应函数呈指数规律衰 减。衰减振动中的内耗可用单位时间内振动的两个振幅比的自然对数衰减率来 表示。式(2-5)就是有阻尼的自由振动方程，其通解为： （2-14）设开始计数时的振幅为： （2-15）经过几个周期(周期为T)后，其振幅为: （2-16）将上两式相除，有: （2-17）两边取对数: （2-18）令: （2-19）故： （2-20）式中:为对数衰减率;n为

22、振幅从X1衰减到Xn+1，所经过的周期数(振动次数)。由于振幅X1，和Xn+1，是任意确定的，因此，只要测出振动次数n，就可以计算出对数衰减率。个物体的振动能量与其振幅的平方成正比11，振动中的能量损耗 Aff/阶与对数衰减率的关系： （2-21）式中：W为物体振动总能量；W为物体振动一个周期的损失能量， （2-22）应变滞后相位角与W/W的关系为： (2-23)从而得到: （2-24）用振动系统的Q的倒数Q-1作用内耗的度量， （2-25）由于Q-1与只差一个常数，所以一般都用对数衰减率来表示内耗更来的方便。2.2 音频检测系统构成音频检测系统是基于音频检测原理所构成，其利用了被测工件结构的

23、机械 振动与其声辐射所引起空气介质的振动携带反映振动结构的信息，并通过传感 器将声波的声压或结构振动转换为一定的电信号，对该电信号进行测量、分析并给出结论的技术。音频检测系统可分为硬件部分与软件部分，硬件部分包括 激振装置、音频传感器、信号调理电路、数据采集卡等，软件部分主要是信号 数据的采集与数据分析处理，其原理框图如图2-1所示。激振装置激振装置被检工件音频传感器信号调理电路数据采集卡数据处理图2-1 音频检测系统原理框图2.3 激振方法的确定本试验采用具有固定势能的小钢球激励被测工件，其激振装置结构简图如 图2-2所示。图2-2 激振装置结构简图钢球激励与激励锤激励工件的原理相同，均为脉

24、冲信号激励，钢球的质 量、硬度和冲击速度决定了脉冲特性。钢球硬度决定脉冲信号的有效频率范 围，硬质球能产生较宽频段的脉冲信号，软质球则反之；冲击速度和钢球质量 决定激振力的幅值。当工件被激振时，由于工件与支持架相互接触，为了其相互振动，必须选 择合适的临界支持点，才能得到准确的结果。根据振动理论可知，工件在振动 过程，会出现一些振动为零的点，即振动节点。以轴类件为例，其振动节点求 解如下。设一截面面积为S,长度为L的直杆，在杆的一端作用轴向力，对杆产生初 始激励，杆作纵向振动口取轴的纵向为X轴，截面的位置是位置X和时间r的函 数，即u=(x,t)当杆的一端被激励后，在时刻t杆上距原点x处截面的

25、纵向位移微段应变：,横截面上的内力：由达朗贝尔原理可知，将F代入可得：，由于杆是作两端自由振动，则p（x，t）为零，并令化简可得: （2-26）借助于杆振动的初始条件和边界条件，使其化简为二阶偏微分方程的定解 问题。采用分离变量法，设杆振动方程的通解为： （2-27）式中：表示运动规律的时间函数；扒X)表示杆上距原点;C处的截面的纵向振动振幅；代入可得: （2-28）令，则： （2-29） （2-30）通解q（t）=asin(wt+)，其中 a、c1与 c2 为常数，可由边界条件确定。对于两端自由无约束的均匀杆，边界条件：两端自由，轴向力为零，应变形也为零，即似，。因此，得到固有频率与振型函数

26、的关系：固有频率: （2-31）振型函数： （2-32）当”n=1时: （2-33）式(2-33)为杆的固有频率，当n=2、3时，分别为二次、三次谐波振动频 率；当(x) = 0时，x所对应的位置称为振动节点，在振动节点上的点的振动 为零。在试验中按n= 2时，选取标准试棒的支撑点。2.4 音频传感器的选择在音频检测系统中，作为音频信号采集的传感器应满足以下两方面的要求：1)接收灵敏度高。因为要采集的音频信号很微弱，如果传感器的灵感度不高，有可能接收不到被测工件发出的音频信号，或者是所需要的音频信号被淹没在噪音当中，无法提取出来有用的信号，从而影响了整个系统的工作。2)长期稳定性要好。否则会影

27、响整个检测系统的长期在线工作状态。根据以上两点，本课题选择驻极体电容式传感器，选用市售的OB-D22,其性能参数如下表2-1所示。因为它具有精度高，动态响应快；频率响应平 直，高频率性能好，且频带较宽，覆盖整个声频范围，输出性能稳定且灵敏度 高；价格低廉，并且是非接触式。表2-1 OB-D22其性能参数性能参数灵敏度-38dB3dB输出阻抗2.2K工作电压2.0V频率影响范围0.0416KHz信噪比大于68dB指向性全向性背极式图2-3 音频传感器实物图2.5 信号调理电路2.5.1 放大电路由于音频脉冲激励工件后经驻极体音频传感器传出的信号是微弱信号，一 般是毫伏级甚至是微伏级的微弱信号，声

28、卡的输入信号范围为-1伏到+1伏之 间，因此不能直接音频信号送入计算机声卡进行采集，需要对这些信号进行放大处理。目前的信号放大电路可以采用集成运放电路，根据集成运算放大器的不同可分为仪用放大电路、复合放大电路和髙性能运算放大电路，而最常用的电路是仪用放大电路。根据音频检测系统的输入信号的特点与其工作环境，本课题所设计的放大电路如图2-4所示。在图2-4中的音频检测系统放大电路中，运放d2、沁构成了典型的数据放大器，厶构成了比例放大器，其中电路的总增益为： (2-34)其中R1=R3=R5=R8=R10=2K，R2=R4=R6=R7=R9=20K，RW=8K最上面时，Au=2100为最大，RW在

29、最下时Au=500。又由于声卡Line In端口的最大输入电压为IV，需要在电路中并联一个1.5V瞬态抑制二极管，防止由于输入过载导致计算机声卡的损坏。图2-4 音频检测系统的放大电路2.5.2 阻抗匹配采用声卡作为信号采集卡还需要解决音频信号放大电路与声卡之间阻抗匹 配问题。放大后信号的输出阻抗必须与声卡输入阻抗相匹配，信号输出阻抗太 低导致线路信噪比下降，大于声卡输入阻抗会导致信号失真，通常要求是在满 足良好信噪比的前提下信号输出阻抗略小于声卡的输入阻抗以提高数据采集精度，由于采用Line In高阻抗端口进行信号输入，需并行一个电阻来达到阻抗匹配。2.6 音频信号数据采集卡目前市场上的数据

30、采集卡一般都包括了完整的数据采集电路、计算机硬件 接口和其相应的数据采集软件，但价格偏高。对于音频检测系统中，所要检测的信号是音频信号，音频频率范围是020kHz，本课题所选用计算机声卡作为数据采集卡。因为计算机声卡集成了 A/D芯片、DSP芯片及其相关接口电路，且技术已经十分成熟，与专业数据采集卡相比价格低廉，其工作性能完全可以满足采集声音信号的需要。一般计算机主机都装有声卡或集成了声卡的声音处理芯片，其数据转换精度己经达到16或24位，采样频率有16kHz、 22.05kHz、37.8kHz、44.1kHz、48kHz。对一些专业声卡而言，其数据转换精度高达32位，采样速率可达96kHz且

31、能同时提供多个数据通道传输数据。例如，一个16位计算机声卡，若满量程输入电压为IV，理论能分辨的最小电压为0.3052mV。因此，对于一般声音信号的采集，常用的计算机声卡已具有足够的采样频率和精度，将其用于声音信号采集，性价比明显高于数据采集卡。2.7 本章小结本章介绍了音频检测工件缺陷的原理，并评述工件缺陷与音频能量衰减和 音频共振频率的关系，并搭建了脉冲激励装置、音频传感器、信号调理电路、 数据采集卡和微型计算机等部分构成音频检测系统，并从理论上分析了其可行性，在实验室条件下验证了其可靠性，从而为后续的缺陷检测奠定了基础。第3章 音频信号采集与处理方法3.1 声音信号的采集3.1.1 信号

32、采集程序实现原理本课题采用计算机声卡作为音频检测系统的信号釆集卡，而在计算机上采 集音频数据，主要的操作就是音频数据与声卡音频服务结构之间的写入和读出 操作。通常有以下四种数据传输模式19:1)用音频压缩管理器传输；2)使用音频压缩管理器传输；3)使用wave输出设备驱动程序；4)使用MIDI设备驱动程序。本文采用第四种数据传输模式，利用MATLAB的数据采集工具箱(Data Acquisition Toolbox)控制音频设备来采集音频信号。由于Data Acquisition Toolbox是基于开放的、可扩展的MATLAB环境，并提供了一套完整的工具集，用以对基于PC的数据采集硬件进行控

33、制并与之通讯。通过MATLAB编程设定数据采集卡(声卡设备)采集音频数据先将硬件参数采样频率、通道数、采样长度、采样位数(A/D转换位数)等进行初始化设置。计算机的声卡釆样频率只有11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz、48kHz和96kHz等几个定值，支持的采样位数只有8位、16位、24位和32位等，输入声道(也就是采样通道)通常为单、双声道，输出声道有单声道、双声道、四声道以及6.1和7.1声道等，不同类型声卡对应的值也不同。因此，在进行参数设置之前，利用Data Acquisition Tool工具箱提供的daqhwinfo函数获取计算机音频设备的性能，包括厂商标志、产品标

34、志、波形输入设备的版本号、声道数、所支持的采样频率、采样位数等，并显示输出，然后根据音频设备的性能及实际的需要，对声卡的采样位数、输入声道(左、右、双声道)及信号采样频率、采样长度进行设置。 信号采样频率设置本课题是用音频检测系统采集音频信号来进行工件缺陷检测的，而人耳所能音频信号的范围内频率在0.0520kHz，工件的共振频率范围在7.19.9kHz,设置信号的最大分析频率为16kHz。由信号采样原理，信号采样频率必须满足奈斯特定理即信号的采样频率必须大于两倍的信号分析频率，本系统釆用44.1kHz作为音频信号采样频率。 采样位数的确定目前声卡所支持的采样位数有8位、16位、24位、32位和

35、64位等，而较高的采样位数对声卡所集成的A/D转换芯片的性能也越高，声卡的价格也越昂贵。本系统为了达到较高的信号灵敏度，并减小信号量化误差，就要增加A/D转换器位数，经计算至少需要14位A/D转换器，目前的计算机声卡都集成了16位A/D转换器，足以满足音频检测系统的要求，因此选用16位采样位数。采样长度的确定为了使随后的信号处理中在频域中可获得较高的频率分析率，而频率分辨率=信号采样频率/(2x采样长度)，且信号釆样长度越长所占用空间越大，本系统可利用MATLAB编程直接将所采集的音频信号存储在计算机硬盘，完全可实现较长采样，本系统确定采集Is内的声信号。3.1.2信号采集程序的编写MATLA

36、B的Data Acquisition Tool提供了一套完整的基于声卡硬件控制函 数，来实现信号采集，其主程序流程如图3-1所示。开始开始音频设备初始化等待声信号信号触发声信号采集储存信号显示结果结束信号超时图3-1 声信号采集流程图MATLAB编程来采集声卡信息，对声卡进行数据采集的部分程序如下：ai=analoginput(winsound);%建立声音采集的目标设备并初始化声卡daqhwinfo(ai);%显示声卡硬件信息ch=addchannel(ai, 1);%添加声音信号采集通道set(ai, SampleRate, 44100);%设置声卡的采样频率set(ai, Trigger

37、Type, software);%设置触发类型，信号触发条件可分为硬件触发(hardware)、立即触发(immediate)、手动触发(manual)和软件触发(software)四种set(ai, TriggerRepeat, 0);%设置信号触发次数，0为单次触发，1为双次触发，依此类推set(ai,SamplesPerTrigger,220500); %设置每次触发采样长度set(ai, TriggerCondition, rising);%设置触发条件，软件触发条件可分上升沿prising)与下降沿(falling)两种set(ai, TriggerChannel, ai.chann

38、el(2);%设置触发通道set(ai, TriggerConditionValue, 0.1);汤设置触发值，默认触发值单位为Vset(ai, TriggerChannel, ai.channel(1);汤设置信号触发通道set(ai, TriggerDelay,-1);%设置触发延迟set(ai, TriggerDelayUnits, seconds);%设置触发信号延时单位set(ai, TimeOut, 2);%设置信号触发超时start(ai);%开始等待触发信写wait(ai,10);%设置等待时间data, time=getdata(ai);plot(time,data); ti

39、tle(声信号采集图);%设置标题 xlabel(Time/s); ylabel(Magnitude/V);%显示信号 csvwrite(soundsamlpesig 1. csv, data,time);%保存声音信号数据delete(ai); %完成采样以及信号处理之后需要删除和释放对象，以节省空间clear ai;%清除变量save sig1 data, time; %保存采样数值为验证程序真实有效，对3个工件，3个工件分别是标准件 2mm缺陷件 5mm缺陷件，进行了敲击实验，并采集了声音信号，声信号采集图如下。图3-2 标准件信号图图3-3 缺陷2mm工件信号图图3-4缺陷5mm工件信

40、号图如图3-2、3-3、3-4直接采集的声音信号并不能明显的看出不同工件的声音信号有何区别，所以要对信号进行处理3.2 声音信号分析信号分析是通过对原始信号的分析处理，进行检测、判别、参数分析、特征识别等，其目的是改变信号的形式，便于分析和识别。包括信号的参数分析、频谱分析、滤波以及统计特性分析等。经典的信号分析可分为时域分析法与频域分析法，时域分析法也称为波形分析，是用信号的幅值时间变化的图形或表达式来分析，可以得到任意时刻的瞬时值或信号的最大值、最小值、均值、均方根值等。频域分析法是把信号的幅值、相位或能量变化以频率坐标轴表示，进而分析其频率特性的一种方法。如幅值谱、相位谱、能量谱等。信号

41、分析前，必须明确被检测信号的类型，以采取相应的检测手段，因此 有必要对信号进行分类。常见信号分类方式有以下几种：1)模拟信号与数字信号；2)连续时间信号与离散时间信号；3)维信号与多维信号；4)周期信号与非周期信号；5)确定信号与随机信号。在实际应用中所要分析的信号大多数是时变的、非平稳过程，属于随机信 号，本节也主论述随机信号的分析。随机信号与周期信号不同，它的幅值时间历程决不会精确自身重现，它所 表示的物理现象不能用精确的数学关系式来表示，对任一给定的采样记录代表 一个唯一的事件组由于随机过程具有或然性，并且不是时间的显函数，因此要 精确地预计它在未来某一时刻的幅值是不可能的。于是随机信号

42、的描述只能用 概率和统计平均的方法。对随机信号的分析主要有时域统计分析、相关分析以 及频域分析等。3.3 声音信号的处理声音信号处理是将由音频检测系统采集到的数据进行必要的加工处理，以 便后续的分析。由本课题的数据采集核心是调用MATLAB对采集声音实时信 号，为了降低或去除采集过程中带入的噪声信号即干扰信号的影响，需要对信 号数据进行消除信号趋势、平滑处理、数字滤波等。原始数据原始数据信号分析消除趋势项平滑处理数字滤波共振频率提取时域参数提取处理后图像图3-5 信号处理流程图3.3.1 消除信号的趋势项在采集到的声音振动信号数据，由于放大器的零点漂移、音频传感器频率 范围外低频性能的不稳定以

43、及音频传感器周围的环境干扰，往往会使得信号偏 离基线，甚至偏离基线的大小也会随着时间变化。偏离基线随时间变化的整个 过程被称为信号的趋势项，其直接影响了信号的正确性，应将其去除，常用的 消除趋势项的方法是多项式最小二乘法，其原理如下：实测声音信号的采样数据为XK(k=1，2，3.,n)，采样数据时间间隔为 以t=1，又设一个多项式函数： （3-1）确定函数：xk的各待定系数aj(j=1，2,3,.，m)，使得函数xk与离散数据XK的误差平方和最小，即： （3-2）满足E的极值条件为： （3-3）依次取E对a1，求偏导，可以产生一个m+1元线性方程组： （3-4）解方程组可求得m+ 1个待定系数

44、aj(j=1，2,3,.，m)上面各式中m为设定的多项式阶数，其范围,为当m = 0时趋势项为常数趋势项，m= 1时趋势项为线性趋势项，当时趋势项为曲线趋势项，并可得消除趋势项的计算公式为： （3-5）在实际的声音振动信号数据处理中，通常取m=2來对采集的信号数据进行多项式趋势消除的处理。3.3.2 信号数据的平滑处理通过计算机声卡所采集到的声音振动信号数据往往叠加了噪声信号，噪声信号除了有50Hz的工频信号及其倍频程的等周期性的干扰信号，还有不规则的随机干扰信号。由于随机干扰信号的频带较宽，有时高频成分所占的比例还很大，使得采集离散数据绘成的振动曲线上呈许多毛刺，很不光滑，使得数据曲线呈现毛

45、刺。为了削弱干扰信号的影响，另外消除信号的意外不规则趋势项，而对采样信号数据进行平滑处理，3.3.3 数字滤波滤波是信号处理中的一个重要内容，所谓滤波就是通过滤波器改变信号中 所含频率成分的相对比例或滤除信号中特定波段频率成分，从而提取有用信号 的过程20。数字滤波是通过FFT/IFFT或滤波函数等数学运算从所采集的数字 信号中提取有用信号的处理方法，又称软件滤波。与模拟滤波相比，数字滤波具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性高、不存在阻抗匹配问题、 便于大规模集成、可实现多维滤波等优点。随着数字技术和大规模集成技术的 发展，数字滤波技术将广泛应用许多科学技术领域21。滤波器按功能即频率

46、范围分类有低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带 通滤波器(BPF)、带阻滤波器(BSF)和梳状滤波器；按数学运算方式，数字滤波 又可分为频域滤波方法与时域滤波方法。 数字滤波的频域方法数字滤波的频域方法是利用FFT快速算法对输入 信号采样数据进行离散傅里叶变换，分析其频谱并根据滤波要求，将需要滤除 的滤率部分直接设置为零或加渐变过渡频带后再设置成零，或在通带与阻带之 间加设窗函数，然后再利用IFFT快速算法对滤波处理后数据进行离散傅早叶 逆变换恢复出时域信号。数字频域滤波方式可的表达式为： （3-6）式中：X为输入信号x的离散傅里叶变换；H为滤波器的频率响应函数，并由 它确定滤波器的

47、特征。以带通滤波器为例，其频响函数为： （3-7）式中：乂与力分别为上下限截止频率；A/为频率分辨率。总之，数字滤波的频域方法具有方法简单，计算速度快，滤波频带控制精 度高，可以用来设计出响应滤波器等优点，比较适合于数据长度较大的信号或 幅值逐渐变小的信号。3.4 音频信号特征参数提取几乎任何的结构受到外界的激励或干扰都会发生机械振动，振动常会引起 声辐射，使的结构的机械振动与其声辐射所引起空气介质的振动都携带反映振 动结构的信息。音频检测系统就是利用此原理采集由小钢球激励工件所发出的 声信号，来检测工件中是否存在缺陷。为了判断工件的缺陷是否存在，必须对 能反映工件结构特征的音频信号进行分析，

48、提取出能反映缺陷的音频信号特征 参数。3.4.1 共振频率提取方法根据音频检测原理可知，任一弹物体受到激励发生自由振动，振动结构会 削弱与振动结构的固有频率不同的信号，增强与结构固有频率相近的信号。因 此，工件振动的声信号的频率谱上会出现共振峰，而工件的共振频率不仅与铸 件本身的结构尺寸有关，而且还与工件材料的弹性模量等材料内部质量参数有关。当工件中存在缺陷或结构发生变化都会使得工件的共振频率发生变化，进 而识别工件中是否存在缺陷。本课题的音频系统检测的共振频率提取是利用 MATLAB中的信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)将滤波后的声信号进 行FFT变换，在信

49、号的频域中幅值最高的就是共振频率。3.4.2 时域信号特征参数提取根据音频能量衰减检测原理可知，工件在受到激励发生自由振动，由于材 料内部粘性阻尼的存在使工件的机械能被损耗，并工件处于自由衰减振动状 态，且振动响应曲线呈指数规律衰减，这种现象又称为内耗。几乎所有物体都 存在内耗，且内耗本质就是由于材料的阻尼作用。材料中的空穴、脱层、缩 孔、裂纹等缺陷都会导致工件振动的内耗增大，因此内耗也是音频信号特征参 数之一。内耗常可用单位时间内振动的两个振幅比的自然对数衰减率來表示，即,An与An+1分别为第n次与第n+ 1次的振幅，为了计算值误差较小常采用算术平均法，即或最小二乘法拟合来计算内耗。3.5

50、 数据处理程序的编写Signal Process Toolbox 是 Matlab 提供用于数据采集的工具箱, 它提供了一套完整工具集 , 通过MATLAB 编程来对音频信号进行处理。为了提高信号频域分析频率, 本文采用提取 1s 内所采数据进行处理, matlab 音频信号处理部分程序如下: load sigl.mat;x= data;fs= 44100; %信号采样频率 z= x ( 1:44100) ; N=44100; %傅氏变换长度 F=fft( z, N ) ; %傅氏变换 A=F.*conj( F) ;f=fs*(0:0.5:(N-1)/2)/N;%频率轴 F1=mapminma

51、x(A,0, 1) ; %幅值归一化plot( F, F1, k);xlabel(频率/Hz);ylabel(归一化幅值);将之前采集的三个声音信号进行信号处理，处理后的幅值归一化图样如下图3-6 标准件处理后图样图3-7 2mm缺陷工件处理后图样图3-8 5mm缺陷工件处理后图样由图3-6、3-7、3-8可看出 处理后3个工件的共振频率和归一化幅值可明显看出，并能初步得出结论 标准件共振频率最高，缺陷越大共振频率越低。第4章 工件缺陷音频识别试验由于本论文主要研究音频检测探伤技术，并没有进行规范有效的实验，所以引用他人也采用该技术进行的探伤实验进行说明。4.1 切口试样测试与分析本实验用音频

52、检测系统先对人工缺陷工件的进行检测，取16根同一成分 无缺陷整钢工件(0)20 x250)进行了人为缺陷处理，即在工件不同位置(距激振点 1/6、1/3、1/4、1/2处)进行不同深度切口加工，切口如图4-1所示。图4-1人工切口试样示意图利用音频检测对人工切口缺陷的工件进行检测，所得工件的共振频率值如表4-1所示。表4-1不同缺陷位置工件的共振频率切口深度h（mm）切口位置为L1工件共振频率（Hz）L/6L/4L/3L/21851285188520851728486848084738468383578344834583394821982058224819908537854085388537由

53、表4-1可以看出：当工件中有切口时，其共振频率都呈现下降趋势；当 工件中的切口位置一定时，随着切口深度的增加，工件的共振频率逐渐下降； 切口深度一定时，切口位置的变化对工件共振频率影响不大，可见切口的深度对工件共振频率起主导作用。由音频检测原理可知，人工缺陷(切口)会导致工件的局部结构发生了变化，进而使得共振频率发生改变。音频检测系统对人工切口缺陷的工件进行检测，并将所得声信号进行分析，所得不同切口深度工件(切口位置为L/2)的功率谱如图4-2所示。 A B C DA 无切口试样 B1mm试样 C 2mm试样 D 3mm试样 图4-2不同切口深度试样的功率谱由图4-2可以看出，工件中切口的存在

54、使得音频检测系统所测到的声信号 发生了改变，在信号频域上，信号中的各种频率成分的相对分量发生了改变。 随着切口深度的增加，工件的共振峰的频率下降了，与无切口工件相比，切口 的深度越大，共振峰值最小。将切口工件的声信号经信号滤波处理后，再利用最小二乘法，进行拟合所得工件的内耗值如表4-2所示。表4-2 不同切口深度的工件的内耗值切口深度h（mm）切口位置为L1的工件的内耗值（10-3）L/6L/4L/3L/211.8091.7861.7961.82422.0311.9982.0502.06732.1522.1472.2022.17842.3762.3522.4082.38601.5051.501

55、1.5091.506由表4-2可见，工件中的切口使工件在振动过程中的能量发生损耗，使工件振动的能量衰减加快了，且对于切口位置一定时，切口深度越大，工件振动 的能量衰减就越快，也就是工件的内耗值越大。4.2 铸造缺陷试样测试与分析为了验证工件的缺陷与人工切口对工件具有相同作用，在实验室条件下， 浇铸了一组具有不同缺陷的QT200圆柱形试样(020 x250),采用音频检测系统 对试样进行了反复测试试验，缺陷工件的共振频率与内耗值如表4-3所示，其功率谱如图4-3。表4-3 有缺陷工件的共振频率与内耗值工件试样缺陷类型表面裂纹夹杂缩孔无缺陷共振频率（Hz）7498754575377630内耗值（Q

56、-110-3）3.2422.7533.5682.436由表4-3与图4-3可得，工件中的缺陷存在，都会使得工件的共振频率下 降，而且不同的缺陷对成分及几何尺寸相同工件共振的影响不相同，但与完整 试样相对比，存在裂纹、夹杂、缩孔工件的共振频率都有所降低，并且导致铸 件的内耗加大，处理后的音频信号的功率谱相对分量发生改变。由些可见，铸 件中的裂纹、缩孔和夹杂与人工切口对工件的共振频率与内耗等音频参数影响 具有相似作用。通过音频检的试验中发现，选定一组没有缺陷的工件作为标准，通过比较工件的共振频率与内耗值以及其功率谱等音频参数，可以便捷 有效地检测出含有缺陷的工件。 图4-3不同工件缺陷试样的功率谱4.3 本章小结从上述中，利用音频检测系统对人工切口工件与不同铸造缺陷的工件检测 可得，音频法可用于工件缺陷的快速检测，对同一尺寸和同一化学成分的铸 件，共振频率、内耗值可以用作缺陷识别的特征参数，将音频检测系统用于铸 件缺陷无损检测，且具有方法简单、硬件成本低、识别准确等优点。结 论本文通过对音