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技術(shù)應(yīng)用
技術(shù)問答
一、斷鉛實(shí)驗(yàn)的目的
鉛筆芯斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)是非常典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，具有信號(hào)穩(wěn)定、頻譜寬、可重復(fù)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，是良好的模擬聲發(fā)射源，常用于聲發(fā)射傳感器的標(biāo)定。由于聲發(fā)射信號(hào)本身屬于非平穩(wěn)信號(hào)，包含的有用信號(hào)經(jīng)常被干擾，通過對(duì)斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的分析，分離干擾信號(hào)與有用信號(hào)，探究斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域、頻域等特征。
二、斷鉛實(shí)驗(yàn)
使用直徑為 0.5mm 的 HB 鉛筆，鉛芯伸長(zhǎng)量為 2.5mm，每次斷鉛時(shí)保證鉛芯與試件表面夾角為 30°，并采用磁性夾具固定聲發(fā)射傳感器。WSa 聲發(fā)射傳感器（工作頻率 100~1000KHz）和試件之間涂有耦合劑，目的是減少聲發(fā)射信號(hào)在傳感器和試件界面處過度散射和衰減。用鉛筆在距離聲發(fā)射傳感器 30mm 位置傾斜 30 度角緩慢按壓鉛筆鉛使其斷裂，采集發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)。AEwin 采集系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置如表 2.2。
三、斷鉛聲發(fā)射信號(hào)
1、斷鉛信號(hào)小波分析
聲發(fā)射信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，其中包括的各種有用信息往往被干擾。小波變換可以將信號(hào)在不同的尺度上進(jìn)行分解與重建，實(shí)現(xiàn)在不同頻率段上對(duì)應(yīng)時(shí)域波形進(jìn)行分析提取信號(hào)特征，因此采用小波變換對(duì)斷鉛聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析。
選用 db10 基本小波對(duì)采集到的斷鉛聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行四層小波分解并重建。s為原始信號(hào)，d1,d2,d3,d4 分別為第 1,2,3,4 層的細(xì)節(jié)信號(hào)包含各層高頻信息，a4 為第 4 層的近似信號(hào)包含低頻信息。a4,d4,d3,d2,d1 重構(gòu)信號(hào)包含的頻率范圍分別為：0-31.25KHz，31.25-62.5KHz，62.5-125KHz，125-250KHz，250-500KHz。
1、斷鉛聲發(fā)射信號(hào)-056
聲發(fā)射傳感器 30mm 處采集的斷鉛信號(hào)-056 經(jīng)小波分解與重構(gòu)后信號(hào)的波形與頻譜如圖 4.1、4.2,4.3。從圖 4.2 中 s（原始信號(hào)的頻譜）幅值 240mV，可以看出斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的頻率主要集中在 10-110KHz 之間，頻率峰值為 29KHz、69KHz、87KHz。圖 4.1 中 d1 信號(hào)波形幅值 148mV，頻率主要分布在200-500KHz，峰頻 250KHz、453 KHz。d2 信號(hào)波形幅值 71mV，頻率主要分布在 85-300KHz，峰頻 164KHz、249 KHz。d3 信號(hào)波形幅值 85mV，頻率主要分布在 50-110KHz，峰頻87KHz。d4 信號(hào)波形幅值 176mV，頻率主要分布在 22-80KHz，峰頻 33KHz。a4 信號(hào)波形幅值 228mV,頻率主要分布在10-50KHz，峰頻 29KHz。
斷鉛實(shí)驗(yàn)緩慢壓斷鉛筆芯的過程中出現(xiàn)接觸摩擦，因此聲發(fā)射信號(hào)中應(yīng)包含斷鉛聲發(fā)射信號(hào)和接觸摩擦信號(hào)以及筆頭與鑄鐵板的撞擊，如圖 4.2。圖 4.1a中 d1 信號(hào)波形幅值為 148mV，相對(duì)于原信號(hào)的幅值較小，相對(duì)應(yīng)的圖 4.1b 中 d1的頻譜幅值不足0.2mV，該層可能為高頻率接觸摩擦信號(hào)；圖 4.1a 中 d2 信號(hào)波形幅值分別為 71mV 僅為原始信號(hào)幅值的三分之一，相對(duì)應(yīng)的圖 4.1b 中 d2 的頻譜幅值也非常小（0.2mV），應(yīng)該為高頻率接觸摩擦信號(hào)；圖 4.1a 中 d3 信號(hào)波形幅值分別為 85mV 接近為原始信號(hào)幅值的三分之一，相對(duì)應(yīng)的圖 4.1b 中 d3 的頻譜幅值較大（2mV），應(yīng)該為接觸摩擦信號(hào)與斷鉛聲發(fā)射信號(hào)混合的信號(hào)；圖 4.1a中 d4 信號(hào)波形幅值分別為 176mV 接近為原始信號(hào)幅值，相對(duì)應(yīng)的圖 4.1b 中 d4的頻譜幅值較大（4.4mV），應(yīng)該主要包含斷鉛聲發(fā)射信號(hào)；圖 4.1a 中 a4 信號(hào)波形幅值分別為 176mV 接近為原始信號(hào)幅值，相對(duì)應(yīng)的圖 4.1b 中 a4 的頻譜幅值較大（6.5mV），應(yīng)該為斷鉛聲發(fā)射信號(hào)；
如圖 4.3 為斷鉛聲發(fā)射原始信號(hào)-056STFT 時(shí)頻譜，可以看出信號(hào)頻率沿時(shí)間軸分為三個(gè)階梯。第一階梯為高頻段（200-500KHz）主要出現(xiàn)在原始信號(hào)的初始時(shí)刻，該時(shí)刻鉛筆芯還未斷裂，主要發(fā)生了接觸摩擦，從這里可以看出 d1、d2 為接觸摩擦信號(hào)的準(zhǔn)確性。第二階梯 50-110KHz，鉛筆芯斷裂時(shí)刻開始以斷鉛聲發(fā)射信號(hào)為主，可以看出 d4 主要為斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的準(zhǔn)確性。第三階梯，為低頻段 10-40KHz 左右持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)符合斷鉛聲發(fā)射信號(hào)衰減的過程，是斷鉛信號(hào)。如圖 4.3 為斷鉛聲發(fā)射原始信號(hào)-056STFT 時(shí)頻譜，可以看出信號(hào)頻率沿時(shí)間軸分為三個(gè)階梯。第一階梯為高頻段（200-500KHz）主要出現(xiàn)在原始信號(hào)的初始時(shí)刻，該時(shí)刻鉛筆芯還未斷裂，主要發(fā)生了接觸摩擦，從這里可以看出 d1、d2 為接觸摩擦信號(hào)的準(zhǔn)確性。第二階梯 50-110KHz，鉛筆芯斷裂時(shí)刻開始以斷鉛聲發(fā)射信號(hào)為主，可以看出 d4 主要為斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的準(zhǔn)確性。第三階梯，為低頻段 10-40KHz 左右持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)符合斷鉛聲發(fā)射信號(hào)衰減的過程，是斷鉛信號(hào)。
四、結(jié)論
采用小波變換的方法將斷鉛聲發(fā)射原始信號(hào)分解為不同頻率段，聯(lián)合不同頻率段的時(shí)域波形與頻譜對(duì)應(yīng)分析，能夠?qū)崿F(xiàn)將斷鉛聲發(fā)射信號(hào)與接觸摩擦信號(hào)分離，提取出包含更多斷鉛聲發(fā)射信息的信號(hào)，對(duì)進(jìn)一步提取斷鉛聲發(fā)射特征排除了更多干擾信號(hào)，能夠提高提取的特征值的準(zhǔn)確性。
2、斷鉛聲發(fā)射信號(hào)-231（待續(xù)）
聲發(fā)射傳感器 30mm 處采集的斷鉛信號(hào)-231 經(jīng)小波分解與重構(gòu)后信號(hào)的波形與頻譜如圖 4.1、4.2,4.3。從圖 4.2 中 s（原始信號(hào)的頻譜）可以看出斷鉛聲發(fā)射信號(hào)的頻率主要集中在 10-100KHz 之間，頻率峰值為 29KHz。圖 4.1 中 d1 信號(hào)波形幅值109mV，頻率主要分布在 200-500KHz，峰頻 250KHz、450 KHz；d2信號(hào)波形幅值 61mV，頻率主要分布在 80-360KHz，峰頻140KHz、250 KHz；d3信號(hào)波形幅值 62mV，頻率主要分布在 35-180KHz，峰頻 89KHz；d4 信號(hào)波形幅值96mV，頻率主要分布在 24-80KHz，峰頻33KHz；a4 信號(hào)波形幅值 129mV,頻率主要分布在 10-42KHz，峰頻 29KHz。
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