敲击信号频率在建筑用砖品质检测方面的分析与应用

　　摘要：利用敲击锤对建筑用砖施加敲击力，根据物理学共振原理，敲击会引起建筑用砖共振从而发出声响。而由于敲击不同品质的建筑用砖发出的声音频率不同，人通过耳朵分辨声音的尖锐或低沉来判别建筑用砖品质的好坏，实际上就是在借助声音信号所包含的频率高低来判别。经过实验研究发现:横向缺损带来的特征频率的偏移要大于纵向缺损;完好的建筑用砖的共振频率在3606Hz左右，缺损的建筑用砖的共振频率分别稳定在3709Hz和3584Hz左右，各自距离无缺损建筑用砖共振频率3603Hz都有非常稳定的差距，验证了该实验方法的可行性较好。此频率的差别人耳可以捕捉到。而通过现场实验发现，此频率的差别人耳足以捕捉到。据此可以用共振频率替代人耳定量表示建筑用砖的品质好坏，用于建筑用砖的自动化品质检测。

　　关键词:声音信号;频率;建筑用砖缺损检测

　　近年来，利用声学信号特性进行农产品的损伤和缺陷的自动检测，国内外研究众多:如Robinson等根据声波的衰减特性研制出了西瓜成熟度测定仪[1];DeBelie等用声脉冲响应技术检测了生长中的梨在收获后的变化[2];王树才等利用敲击声音信号进行禽蛋破损检测和模糊识别[3];王书茂用冲击振动法对西瓜的成熟度进行了无损检测[4];陈介余等则研制成功了利用西瓜的声波响应特性对西瓜的内部裂纹和成熟度进行无损检测的装置[5]等。

　　事实上，声音特性的应用涵盖了我们生活的很多方面。如目前许多建筑材料的生产现场是主要依靠人工敲击辩声，即工人们依靠敲击材料发出的不同声音来判别其是否含有缺损或是否生产达标。随着工业生产节奏的逐步提高，对生产强度的要求在不断提高，同时，对操作工人的技能水平要求也不断提升。单纯依靠人耳在线听声判别建筑用砖质量的好坏，已经难以满足生产的要求，漏检、错检现象频繁发生，给生产企业带来了不小的麻烦。基于此现象，可以将这种人耳断声的方法的声学原理与所学的物理知识联系起来。通过现场实地了解，现场工人人耳主要听的是声音的品质，用声学原理解释即主要依靠声音频率的高低来对产品质量做出判别。因此，本研究计划利用一种物理可实现的方法，用声学检测获取准确声音频率从而判别损伤是否发生的方法来代替传统的人耳断声方法，期待可以解决长时间在线连续检测运行和减小失误、错判的次数。本文以高铝质建筑用砖为研究对象，通过设计一个声学测量实验:1组完好建筑用砖;1组横向缺陷的建筑用砖，1组纵向缺陷的建筑用砖，借助木槌敲击产生声音信号，之后借助声学传感器接收信号并分析信号特征频率来对结果做出对比和判断，研究材料损伤的发声规律，找到能够有效替代人耳判别的新方法。

　　1材料与方法

　　1.1实验材料

　　实验材料为目前生产玻璃窑炉最常使用的高铝质建筑用砖，建筑用砖砖的密度为2162kg/m3，砖的各项尺寸分别为:长232mm，高115mm，上宽54mm，下宽64mm。实验所用的建筑用砖分为三类:1类(号)建筑用砖为完好的建筑用砖，作为对比组;2类(号)为在其横向方向人为地做出缺损，切入30mm深的槽，代替模拟横向方向的各种类型缺陷;3类(号)为在其纵向方向人为地做出缺损，切入40mm深的槽，代替模拟纵向方向的各种类型缺陷。对比组和缺陷组的砖切好加工后如图1所示。

　　1.2实验装置

　　实验装置由虎钳试验台、木质敲击锤、麦克风以及电脑采集系统4部分组成，其中虎钳是用来夹住建筑用砖的，敲击锤为普通的木质锤子，如图2所示。

　　1.3实验步骤与方法

　　(1)将1号建筑用砖夹在虎钳上面;

　　(2)利用木质敲击锤敲击建筑用砖的上表面，将声卡的采样频率设置为48kHz，通过麦克风采集声信号，并将声信号以xlsx格式文件保存;

　　(3)重复敲击10次，并记录数据，得到10个xlsx格式文件;

　　(4)对破损的2、3号建筑用砖重复以上1-3步实验步骤;

　　(5)利用matlab对得到的数据进行分析[6]，将其进行傅里叶(FFT)变换，得到声信号的频谱图，记录建筑用砖的共振频率。

　　2结果与分析

　　2.1敲击声音的特性

　　利用Matlab分析软件对接收到的声音信号进行FFT变换，将时域信号转换为频域信号以获取共振特征频率，取其中之一的转换结果如图3所示。

　　借助软件可以获得每组砖每次敲击的共振频率，将每块建筑用砖对应的10组共振频率数据记录如表1所示。

　　2.2结果分析

　　由表1可以看出，对3块实验砖敲击得到的结果都很稳定，说明实验的可重复性很好，测试出来的数据是科学可用的。通过敲击锤敲击无缺损的1号建筑用砖的上表面时，分析得到的共振频率在3606Hz左右。在敲击具有纵向缺陷建筑用砖时获得并计算得到的建筑用砖的共振频率在3710Hz左右，浮动在1Hz以内;在敲击具有横向缺陷建筑用砖时获得并计算得到的建筑用砖的共振频率在3583Hz左右，浮动在1Hz以内。和无缺陷的建筑用砖敲击结果对比，2号砖的共振频率比1号砖大104Hz，有3%的浮动，3号砖的共振频率比1号砖小23Hz，有0.7%的浮动。由于有缺陷和无缺陷各自表现出的共振频率非常稳定，因此以上频率的变化足以被人耳获取，这也在实验室里进行了验证。

　　3结论

　　(1)完好的建筑用砖的共振频率在3606Hz左右，缺损的建筑用砖的共振频率分别在3709Hz和3584Hz左右，各自距离无缺损建筑用砖共振频率3603Hz都有非常稳定的差距。而通过现场实验发现，此频率的差别人耳足以捕捉到，据此可以用共振频率替代人耳定量表示建筑用砖的品质好坏，用于建筑用砖的自动化品质检测方面;

　　(2)多组实验得到的特征频率差异性不大，说明此方法可行性较好;

　　(3)横向缺损带来的特征频率的偏移要大于纵向缺损。

　　参考文献:

　　[1]ROBINSONBE.Anevaluationofacousticaldecaytimeasameasureofwatermelonmaturity[D].Athens:UniversityofGeorgia，1976.

　　[2]DEBelieN.Firmnesschangesofpearfruitbeforeandafterharvestwiththeacousticimpulseresponsetechnique[J].JournalofAgriculturalEngineeringResearch，2000，77(5):343.

　　[3]王树才，任奕林.利用敲击声音信号进行禽蛋破损检测和模糊识别[J].农业工程学报，2004，20(4):130.

　　[4]书茂.西瓜成熟度无损检验的冲击振动方法[J].农业工程学报，1999，15(3):241.

　　[5]陈介余，宫里满，等.利用声波响应特性检测农产品内部质量的研究[J].农业机械学会志，1993，55(3):65.

　　[6]张涛，齐永奇，李恒灿.MATLAB基础与应用教程[M].北京:机械工业出版社，2017.