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振動(dòng)與沖擊基于頻譜分析的壓縮空氣泄漏直射和反射超聲的識(shí)別廖平平，蔡茂林，許啟躍，石巖（北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191）通過(guò)識(shí)別反射超聲信號(hào)的方法來(lái)解決此問(wèn)題；對(duì)直射和反射超聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際泄漏源產(chǎn)生的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)反射物反射后，被超聲傳感器檢測(cè)到，檢測(cè)者將誤認(rèn)為反射物處存在泄漏源。如果能對(duì)直射超聲信號(hào)和反射超聲信號(hào)用數(shù)字信號(hào)處理的方法進(jìn)行區(qū)分，這種誤檢的情況即可避免。為研究?jī)煞N超聲信號(hào)的特性，設(shè)計(jì)了直射和反射超聲信號(hào)的測(cè)量，泄漏小孔自制，減壓閥和節(jié)流閥分別用來(lái)調(diào)節(jié)管路壓力和流量，以調(diào)節(jié)泄漏量的大小。
2.3測(cè)量原理壓縮空氣泄漏產(chǎn)生的超聲波在40kHz左右的頻率段中，泄漏產(chǎn)生的超聲波和環(huán)境本底噪聲在能量上差值較大H，如所示。所以一般采用額定頻率為40kHz的超聲波傳感器。本。測(cè)量反射超聲信號(hào)時(shí)，傳感器的朝向正對(duì)反射超聲波的傳播方向，泄漏小孔與超聲波言泄漏點(diǎn)超聲波傳感器濾波和放大電路數(shù)據(jù)采ffif：傳感器之間用擋板隔開，以保證只有反射超聲信號(hào)被超聲波傳感器接收，如所示。直射和反射情況下的超聲傳播距離均約為2.3m.。本。從圖中可以看出，泄漏源產(chǎn)生的超聲波是幅值不定、變化無(wú)規(guī)律的波動(dòng)，因此，從時(shí)域上很難找到兩者之間的區(qū)別。
3.2頻域特征分析將采集的多組直射和反射超聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FastFourierTransform，F(xiàn)FT），由于采樣頻率較高fs=240kHz），為了得到較高的頻率分辨率，以保證分析所需要的足夠的頻譜信息，作FFT時(shí)，輸入樣點(diǎn)個(gè)數(shù)取219，頻率分辨率約為0. 46Hz.由MATLAB軟件作FFT并得到頻譜圖，只保留35 ~50kHz頻率段的頻譜（其他頻率段幅值幾乎為零）。至2分別是典型的直射超聲信號(hào)和不同反射面的反射超聲信號(hào)頻譜圖。
由~2可以看出，直射超聲信號(hào)在中心頻率兩側(cè)幾乎呈現(xiàn)單調(diào)遞增（左側(cè)）或單調(diào)遞減（右側(cè)）趨勢(shì)，頻譜能量主要集中在中心頻率附近。而反射超聲信號(hào)在中心頻率附近沒(méi)有明顯的峰值，呈現(xiàn)‘’多峰狀“，頻譜能量分布于38~47kHz之間的相對(duì)較寬的頻率段范圍內(nèi)，頻譜趨勢(shì)具有波動(dòng)性。造成這種差別的原因主要是由于反射面對(duì)不同頻率的入射超聲信號(hào)的反射系數(shù)不同3.直射和反射超聲信號(hào)在頻譜形狀上存在比較明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：相對(duì)于反射超聲信號(hào)的頻譜，直射超聲信號(hào)的頻譜在中心頻率附近分布較為集中。
直射超聲信號(hào)的頻譜低頻趨勢(shì)呈“單峰狀”，即波動(dòng)較?。环瓷涑曅盘?hào)的頻譜低頻趨勢(shì)呈“多峰狀”即波動(dòng)較大。
以上分析表明，泄漏直射和反射超聲信號(hào)在頻譜上存在明顯的區(qū)別，根據(jù)上述兩方面的區(qū)別，設(shè)計(jì)識(shí)別算法，對(duì)直射和反射超聲信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。
4識(shí)別算法為了對(duì)直射和反射超聲信號(hào)進(jìn)行有效的識(shí)別，根據(jù)上述的直射和反射超聲信號(hào)頻譜的兩個(gè)不同點(diǎn)，設(shè)計(jì)如下識(shí)別算法，以得到可識(shí)別反射超聲信號(hào)的反射軸形成的面積重心橫坐標(biāo)（中心頻率）開始，向左依次取適當(dāng)長(zhǎng)度的N個(gè)窗，在窗內(nèi)計(jì)算頻譜幅度平方的平均值F（n =1，2，3N），F(xiàn)代表頻譜圖上不同頻率段的能量分布。
依次比較相鄰的Yn值，當(dāng)出現(xiàn)Y +1的值大于F的值時(shí)，計(jì)算二者的方差A(yù)，然后乘以加權(quán)系數(shù)R，得到REFn，所有REFn相加，它們的總和REF如下式所示：REF反映了Y；的波動(dòng)程度，即表征了頻譜的波在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，超聲檢漏儀經(jīng)常同時(shí)檢測(cè)到直射和反射超聲信號(hào)，將這種直射與反射信號(hào)的疊加信號(hào)稱作混合信號(hào)。由于混合信號(hào)兼具反射和直射信號(hào)的特征，在利用式（3）計(jì)算時(shí)，混合信號(hào)和反射信號(hào)的得到的結(jié)果類似，而只希望將反射超聲信號(hào)去除，所以在式（3）中右邊減去KD其中K為常系數(shù)；D為中心頻率附近±1kHz頻率范圍內(nèi)的能量與35~50kHz頻率范圍內(nèi)的總能量之比，反映了頻譜能量在中心頻率附近的集中程度。
最終計(jì)算式為反射特征系數(shù)RCC的值越大，表明檢測(cè)到的超聲信號(hào)越有可能是反射信號(hào)；RCC的值越小，表明檢測(cè)到的超聲信號(hào)是直射或混合信號(hào)的可能性越大。
可以看出，識(shí)別算法利用反射超聲信號(hào)頻譜圖中不同頻率段的幅值的波動(dòng)性進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果不受超聲信號(hào)絕對(duì)幅值的影響，且對(duì)不同的反射面其參數(shù)設(shè)計(jì)是相同的。即識(shí)別算法不依賴于超聲信號(hào)的距離、入射角和反射面材質(zhì)等因素，因此，面對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中泄漏點(diǎn)距離、入射角和反射面材質(zhì)般均為未知的實(shí)際情況，同樣具有良好的適用性。
5計(jì)算實(shí)例與驗(yàn)證利用上述算法對(duì)多組泄漏超聲信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。
類型序號(hào)直射金屬反墻壁射海綿布料由表1可以看出，所有的反射超聲信號(hào)RCC值都大于200，而所有的直射超聲信號(hào)RCC都在100以下，因此，根據(jù)超聲信號(hào)的RCC值可以準(zhǔn)確判斷其是否為反射超聲信號(hào)。
6結(jié)論為了避免由反射超聲信號(hào)導(dǎo)致的泄漏源錯(cuò)誤檢測(cè)問(wèn)題，提高泄漏源超聲檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性，本文對(duì)直射與反射超聲信號(hào)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)兩種信號(hào)的識(shí)別算法，結(jié)論如下：直射和反射超聲信號(hào)在頻譜形狀上具有較明顯的區(qū)別，其中直射超聲信號(hào)的頻譜在中心頻率附近分布較為集中，而反射超聲信號(hào)的頻譜在中心頻率附近分布，比較分散。另外，直射超聲信號(hào)的頻譜低頻趨勢(shì)呈“單峰狀”即波動(dòng)較?。环瓷涑曅盘?hào)的頻譜低頻趨勢(shì)呈‘’多峰狀“即波動(dòng)較大。
通過(guò)設(shè)計(jì)識(shí)別算法，得到反射特征系數(shù)RCC，直射超聲信號(hào)的RCC值在100以下，反射超聲信號(hào)的RCC值在200以上。因此，采用本文設(shè)計(jì)的識(shí)別算法可對(duì)直射和反射超聲信號(hào)進(jìn)行有效的區(qū)分。
本研究成果為提高泄漏源超聲檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性提供一條重要的途徑，促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。
由于本文提出的識(shí)別算法中的加權(quán)系數(shù)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，具有主觀性，以后的研究中應(yīng)該采用基于人工智能的識(shí)別方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等智能分類算法。
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