Application of sound source identification technology in concrete filled steel tubes detection
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摘要:
在人耳识别的基础上,采集同尺寸,不同工况、类型的钢管混凝土锤击声,模拟人耳识别的原理提取音色特征值,进而准确识别钢管混凝土有无空洞缺陷。通过在钢管混凝土中提前植入空洞,采集信号且引入锤击声导纳,并与密实钢管混凝土的进行对比。结果表明,锤击声导纳中提取的mfcc10max特征值能很好地识别钢管混凝土中的空洞缺陷；当mfcc10max特征值大于−0.4,均值大于−0.23时,即可初步判定锤击位置存在空洞或脱空缺陷；密实钢管混凝土锤击声导纳中mfcc10max特征值小于−0.5,均值为−0.72。最后将此技术和指标应用在塔楼混凝土结构空洞检测中,结果证明该方法适用性较好。利用具体指标和数值对钢管混凝土中空洞识别进行定量化,提高了识别精度,为后续现场钢管混凝土结构中的空洞缺陷识别提供了强有力的基础。
Abstract:On the basis of human ear recognition, the hammer sound was collected for concrete-filled steel tube of the same size, different working conditions and types, and the sound characteristic value was extracted by simulating the principle of human ear recognition, so as to accurately identify whether there was a void defect in concrete-filled steel tube. By inserting voids into concrete-filled steel tube in advance, the signals were collected and hammer sound admittance was introduced. Compared with concrete-filled steel tube without voids, the mfcc10max characteristic value extracted from hammer sound admittance can well identify voids or cavity defects in concrete-filled steel tube. When the mfcc10max characteristic value was greater than −0.4 and the mean value was greater than −0.23, it can be preliminarily determined that there was a void or cavitation defect in the hammer location. while the mfcc10max characteristic value was less than −0.5 and the mean value was −0.72 in the hammer acoustic admittance of CFST without cavity. Finally, this technique and index were applied to the cavity detection of tower concrete structure, and its applicability was proved. This paper quantified the identification of holes in concrete-filled steel tube (CFST) with specific indexes and values, improved the identification accuracy, and provided a strong basis for the identification of cavity defects in the subsequent field of CFST structures.
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钢管混凝土是在钢管中填充混凝土形成的一种复合结构体,1959年被引入到我国的公路桥梁建设中[1-3],由于其承载力高、塑性和韧性好、施工方便而被广泛应用于高层建筑、大跨桥梁、地铁站、电力塔架和桥墩等工程结构中,但在施工过程中易出现以下3种缺陷[4-7]：① 泵送混凝土过程中排气不畅造成的气孔缺陷；② 混凝土质量不合格或振捣不密实造成的局部脱空；③ 环境和材料温差造成的裂缝和脱空。这些缺陷会使钢管混凝土的承载力降低,影响结构安全性[8],目前常用的混凝土结构缺陷检测方法主要有人工锤击法和超声法。人工锤击法通过人耳和经验快速判断缺陷程度和位置,但受人的主观因素影响大,缺乏理论依据,判断结果误差大[9]。杨科[10]基于瞬态冲击原理,对钢管混凝土脱空检测进行了有限元仿真和模型试验,提出了冲击作用下的钢管模态试验方法和判别准则。杨劲等[11]对锤击声信号的时频域进行分析后发现,振动幅度大小及衰减速率可用来判断缺陷状态,但受背景噪声影响大,降噪困难。向丽[12]在背景噪声基础上,对锤击声用EMD和Hibert谱分析法变换得到冲击声瞬时幅值特征,并用模型试验进行了验证。聂此槿[13]建立了声固耦合模型,采用基于声固耦合的检测方法来识别钢管混凝土结构缺陷,证明了声场特征识别缺陷的可行性。
超声法通过在结构两侧分别安装换能器,利用机械波传播时在缺陷处波速、振幅和频率发生变化的原理,来判断缺陷位置和尺寸。该方法对检测空洞和分层有优势,但须进行逐点径向检测,连续性差、检测效率低、精度差、易漏检。王军文等[14]运用超声波、弹性波和红外热像法对不同壁厚和不同空洞大小的钢管混凝土进行检测,比较并分析了不同检测方法的可行性和适用范围,但缺少对脱空小于5 mm的缺陷检测。陈禾等[15]和陈劲等[16]在用超声法检测钢管混凝土内部空洞缺陷的同时,用热成像法检测脱黏缺陷,并得出室内外检测的温度变化梯度；该方法虽能进行全面检测,但设备较多,耗能大,效率低。故研究快速有效的无损检测方法,对钢管混凝土结构的安全性检测有重要意义。文章在人工锤击的基础上,从心理声学和人耳识别角度出发,引入音色识别方法,提取锤击声中的音色特征来表征缺陷类型,达到根据声音“逆向”识别缺陷的目的。
音色识别技术也广泛应用于水下目标识别领域。陈克安等[17]从人耳听觉角度出发,用音色识别水下目标；梁雍[18]从听觉感知方面,识别木板、铝板和PVC板的冲击声,取得了良好的效果。文章试验在人耳能感知区别空洞的基础上,引入音色指标并将其定量化,以为后续自动识别奠定基础。
1. 模型制作及锤击声获取
1.1 模型制作
用镀锌不锈钢管制作了多个同直径的钢管混凝土试件,并提前在试件中布置了不同尺寸和不同位置的空洞,从室内钢管混凝土试件的锤击声着手,探讨钢筋混凝土不同缺陷类型对锤击声音色的影响,寻找能表征其不同缺陷类型的音色特征值。
为防止试验过程中钢管生锈等带来的影响,选用内径为155 mm,厚度为4 mm的镀锌不锈钢管材,切割成长度为155 mm的试件若干,其长径比约为1∶1。在室内制备强度等级为C35的混凝土,配比为水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰=0.51∶1∶2.3∶3.25∶0.28。先用搅拌机将材料拌匀,再加水和2.56%（相对于混凝土中凝胶材料的质量百分比）的减水剂,搅拌时间不少于2 min。
用PVC制备不同大小的空洞,选用3根直径分别为25,50,70 mm的PVC管,分别截取10 cm,并从中间切开,取一半安装在钢管内壁上,并以钢管壁作为空洞的一个侧面,用胶带封堵住上下孔,用强力胶带粘贴牢固,则空洞直径分别近似为25,50,70 mm。将搅拌好的混凝土浇筑在钢管试件内,并放在振捣台上振捣密实。另外选取两个同尺寸的试件,其中一个用来制作等比例的纯混凝土试件,在其内壁上均匀涂抹脱膜油,以便混凝土凝固后脱模；另一个浇筑混凝土后振捣密实,作为密实钢管混凝土。钢管混凝土试件实物如图1所示,尺寸如表1所示。
Table 1. 钢管混凝土试件尺寸试件编号 类型 空洞直径/mm 空洞位置 直径/mm 洞径比 备注 1 纯混凝土 — — 155 — 脱模后 2 密实钢管混凝土 — — 155 — 密实 3 空钢管 — — 155 — — 4 侧边空洞钢管混凝土 25 侧边 155 0.15 — 5 侧边空洞钢管混凝土 50 侧边 155 0.31 — 6 侧边空洞钢管混凝土 70 侧边 155 0.43 — 1.2 锤击方式及声音获取
为避免干扰,试验选择于24时后在无回声、无干扰的混凝土搅拌室内进行。采用NV3602-C2（L）型声波采集分析仪,INV9310力锤（锤头材料为不锈钢）,INV9206系列声压传感器。
在梯子上横插一根木棒,用不易拉伸的钢线将试件悬吊在木棒上,人工锤击试件朝面向上的中部,同时在距离锤击点5 cm的位置用三脚架安装声音传感器,对准锤击位置的侧上方,保证声音传感器既能采集到有效声信号,又与钢管混凝土保持一定距离,锤击试验现场布置如图2所示。
试验分3组进行：第一组是对同尺寸,不同类型的试件进行锤击,并对采集到的声音进行准确的特征提取并分类,试件分别是纯混凝土、密实钢管混凝土、有空洞钢管混凝土和空钢管。第二组是对同尺寸,不同尺寸空洞的侧边空洞钢管混凝土进行锤击。第三组是对同一钢管混凝土的不同位置进行锤击。试验中每组锤击位置采集70~80个锤击声,采样频率Fs为51 200 Hz。
1.3 锤击声信号的基本特性
在第一组锤击试验中,分别在每个试件中选取一个波形进行分析。经多次数据分析处理,得到在单次激励声信号中截取激励瞬间向前256点,时长为0.6 s的声音样本,该样本能将激励声音瞬间和声波衰减段完全包括在内,保证了数据分析的完整性。将每个试件与音色特征进行归一化分析,得到能表征土体压实度的准确音色特征量。
第一组4个试件被力锤激励后的声信号时域图如图3所示,取其声音样本包括激励瞬间在内的0.2 s时域图进行分析,观察得到相同锤击力下侧边空洞钢管混凝土的声压值最大,其次是密实钢管混凝土的,空钢管声压值最小,但衰减时间最长,约200 ms。现场试验过程中,人耳可明显区分不同类型声音,激励瞬间持续时间约10 ms,故可进一步用频谱图和音色特征进行分析。
2. 锤击声特性分析及特征值的选择
在空洞识别方面,基于人耳进行目标辨识是最直接有效的方法,声压变化是声音的表现形式,空洞识别是指研究人耳听觉系统对声音参数（幅度、频率和相位）的感受及辨别。
2.1 锤击声的特性分析方法
基于人耳听觉感知对振动信号进行特征提取时,从时域和频谱角度选取听觉特征,用音色工具箱分析。时域特征有时域质心、上升和衰减斜率等,频谱特征有谱质心、谱斜率、倒谱系数等。对提取的特征进行主成分分析,同时与听觉感知空间进行线性回归分析,得到每一维的线性表示[14],而经过多次试验发现梅尔频率倒谱系数（以下简称mfcc）指标可以很好地表征结构空洞。
将振动信号降频后用导纳和音色特征进行分析,将数据用Matlab分类和处理,引入MIRtoolbox音色工具箱,将其每个特征分为max、mean、min,共192维特征,计算其与压实度的相关性,取相关性强的特征进行分析,结果证明音色特征中系数mfcc10max特征值能很好地区分钢管混凝土密实状态和空洞状态[19]。
2.2 声音导纳
在声源识别中,导纳是与材料物理属性相关性较强的物理量,可将采集到的声音进行导纳计算来反向推导声源物理特性[20-21]。导纳函数一般根据观测点不同分为原点导纳和传递导纳,原点导纳的冲击力作用点和观测点的位置相同,故文章选用了原点导纳。在采集锤击声音的过程中,将冲击声的产生过程看作一个系统,系统的输入为锤击力,输出为声音,整个系统的频响可计算为
(1) 式中：S(f)为声音复频谱；F(f)为锤击力复频谱；H(f)为系统输出的声音导纳。
锤击声会随着接触参数和锤击力的不同发生变化,但导纳计算时将不同接触参数和锤击力下系统输出的声音统一,频响也保持一致,为提取音色特征提供了基础。经换算可见,声音导纳与声源物体中空洞尺寸的平方成反比。
3. 试验分析
将空钢管、纯混凝土、密实钢管混凝土和侧边空洞钢管混凝土悬吊,分别进行人工锤击,每次锤击时尽量保持力的均匀,锤击位置均在中部,需要注意的是侧边空洞钢管混凝土的锤击点在空洞所在区域的中部。采集锤击声和锤击力,根据式（1）计算得到锤击声导纳,计算过程中先将力用欧拉公式进行复数变换,再进行傅里叶级数计算。得到锤击声导纳后,计算每个样本锤击声导纳的一级、二级和三级差分值,及max、mean、min值,将每个值与土体压实度做相关性分析,取相关系数高的值来表征土体压实度[22]。分析108维mfcc特征值发现,该特征值能很好地表征钢管混凝土的空洞缺陷。
3.1 mfcc与材料的关系
不同类型试件的锤击声导纳中的mfcc10max特征值图像及其数据统计如图4和表2所示,可知,ϕ155 mm钢管混凝土试件密实状态时锤击声导纳中mfcc10max特征值为−1~-0.5；侧边空洞（ϕ25 mm）钢管混凝土的锤击声导纳中mfcc10max特征值为-0.4~0.4；纯空钢管的mfcc10max特征值介于二者中间；纯混凝土锤击声导纳中mfcc10max特征值最小。可见锤击声导纳中mfcc10max特征值可明显区分密实钢管混凝土和侧边空洞钢管混凝土。
Table 2. 不同类型试件的锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计序号 类型 mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 纯混凝土 −1.13~−0.9 −0.98 2 密实钢管混凝土 −1~−0.5 −0.72 3 空钢管 −0.71~−0.36 −0.53 4 侧边空洞钢管混凝土 −0.4~0.4 0.06 3.2 mfcc与锤击力的关系
对侧边空洞（ϕ25 mm）钢管混凝土用3种不同大小的锤击力进行锤击,采集锤击声并进行导纳计算,提取的mfcc10max特征值如图5所示,数据统计如表3所示。
Table 3. 不同锤击力下导纳mfcc10max特征值数据统计序号 类型 锤击力/N mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 侧边空洞（ϕ25 mm）钢管混凝土 100 −0.14~0.37 0.14 2 700 −0.3~0.18 0.01 3 1 100 −0.38~0.18 0.06 由图5和表3可知,对同一空洞用不同锤击力锤击,提取的mfcc10max特征值相差不大,只有100 N左右的锤击力计算得到的特征值稍大,另外两个基本一致,说明了导纳可以减小不同锤击力对特征值的影响。
3.3 mfcc与不同尺寸空洞的关系
在钢管混凝土内壁植入空洞直径分别为25,50,70 mm的空洞,并以钢管壁为空洞的一面,用1 100 N的力分别锤击空洞中心位置,其结构示意如图6所示（图中箭头表示锤击）,得到的mfcc10max特征值与其数据统计如图7与表4所示,同时与图4及表2中密实钢管混凝土的锤击声导纳一起进行对比分析。
Table 4. 不同尺寸空洞的锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计序号 类型 空洞直径/mm mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 密实钢管混凝土 0 −1~−0.5 −0.72 2 侧边空洞钢管混凝土 25 −0.4~0.4 0.06 3 侧边空洞钢管混凝土 50 −0.4~0.3 0.1 4 侧边空洞钢管混凝土 70 −0.42~0.2 −0.23 由图7和表4可知,人工锤击不同尺寸空洞的钢管混凝土时得到的mfcc10max特征值相差不大,基本为-0.4~0.4,均值为-0.23~0.1；密实钢管混凝土锤击声导纳中mfcc10max特征值为-1~-0.5,均值为-0.72,二者有明显区别,进一步证明了mfcc10max特征值能很好地识别钢管混凝土中有无空洞缺陷。
3.4 mfcc与同一钢管混凝土径向锤击的关系
选用直径为155 mm,侧边空洞大小分别为25,50,70 mm的钢管混凝土试件,在管周向的不同位置采集径向锤击声。5个锤击点沿试件半周长范围均匀分布,其中锤击点1在空洞位置,锤击点5在空洞对角位置。试件外径为165 mm,外周长为518.1 mm,半周长为259 mm,锤击点距离空洞中心的弧长分别为0 mm（锤击点1）,65 mm（锤击点2）,130 mm（锤击点3）,195 mm（锤击点4）,259 mm（锤击点5）,锤击位置示意如图8所示。同时将其与密实钢管混凝土锤击声导纳提取的特征值进行比较。不同直径钢管混凝土的径向锤击声导纳特征图如图9~11所示,mfcc10max特征值数据统计如表5所示。
Table 5. 不同直径侧边空洞钢管混凝土的径向锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计序号 类型 空洞直径/mm 锤击点 mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 密实钢管混凝土 0 中部 −1~−0.5 −0.72 2 侧边空洞钢管混凝土 25 1 −0.4~0.4 0.1 2 −0.8~−0.2 −0.52 3 −1~−0.3 −0.69 4 −1.1~−0.4 −0.74 5 −1.1~−0.5 −0.77 3 侧边空洞钢管混凝土 50 1 −0.4~0.3 0.06 2 −0.9~−0.2 −0.49 3 −1~−0.2 −0.57 4 −0.9~−0.2 −0.58 5 −0.9~−0.1 −0.59 4 侧边空洞钢管混凝土 70 1 −0.5~0.2 −0.23 2 −0.7~−0.2 −0.49 3 −1~−0.5 −0.72 4 −1.2~−0.5 −0.82 5 −1~−0.5 −0.74 由图9~11及表5可知,锤击点径向距离空洞越远特征值越小,锤击点2的部分特征值与空洞位置特征值接近,均值为0.49~0.52；锤击点3,4,5得到的特征值与密实钢管混凝土的基本一致,均值为-0.6~-0.8。由此可见,通过距离空洞弧长超过68 mm的相邻区域的锤击声导纳中mfcc10max特征值无法识别空洞,当锤击声导纳中mfcc10max均值在-0.5左右,可初步判断临近锤击点弧长68 mm区域内可能有空洞,进一步采集信号并进行分析,发现当锤击声导纳中mfcc10max特征值大于-0.4,均值大于-0.23时,锤击点位置有空洞缺陷。
4. 检测应用
深圳某大型超高层塔楼,地上72层,地下4层,采用钢管混凝土柱和钢梁构成的框筒结构体系,共布置44根钢管混凝土柱,其中周边布置了16根钢管混凝土外框柱,直径由下向上分别为1.6,1.5,1.4,1.3 m,核心筒每边布置8根直径分别为0.8 m和1.1 m的钢筋混凝土柱。施工时每3个楼层为一个安装段,管内混凝土一次浇筑高度约为12 m,同时采用了高抛免振捣自密实混凝土施工技术。2021年5月,该大厦中上层部分发生了异常摇晃,笔者所在单位迅速对振动进行监测和分析,并重点对钢管混凝土的缺陷进行了检测,采集及开孔验证现场图片如图12,13所示。检测时,用力锤击塔楼的钢管混凝土柱,密实位置声音脆而短,其声波曲线如图14所示；空洞位置声音相对沉闷且长,其声波曲线如图15所示。塔楼钢管混凝土柱的锤击声导纳中mfcc10max特征图如图16所示,数据统计如表6所示。
Table 6. 塔楼钢管混凝土柱的锤击mfcc10max特征值数据统计序号 状态 锤击力/N mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 空洞 1 000~1 100 0.35~0.55 0.48 2 密实 −0.8~−0.3 −0.59 由图14,15可知,空洞位置的声波持续时间较长,约为0.016 s,密实位置的声波持续时间较短,约为0.008 s,后者声压幅值相对较大。由图16和表6可知,两种情况下的mfcc10max特征值有明显区别,空洞位置处的特征值较大,均值约为0.48,大于室内试验中的最大均值0.1,分析原因为声音采集条件不同,空洞尺寸和形态与室内试验时的不同。密实位置特征值及均值与室内试验数据相差不大,用非密实即空洞的排除法,可以将此指标应用在现场钢管混凝土的空洞识别中。对计算预测有空洞的位置进行了钻孔,验证了空洞的存在,证明了该方法的准确性。
5. 表征钢管混凝土空洞缺陷的特征值分析
试验结果表明,mfcc10max特征值能很好地识别钢管混凝土有无空洞缺陷,密实钢管混凝土mfcc10max特征值为-1~-0.5,均值为-0.72；而有空洞钢管混凝土在空洞位置锤击声导纳中mfcc10max特征值为-0.4~0.4,均值为-0.23~0.1,即mfcc10max特征值大于-0.4,均值大于-0.23时,即可逆向初步判定该锤击位置有空洞或脱空缺陷,提高了空洞检测的效率,为后续空洞检测打下了基础。而从空洞径向弧长超过68 mm的邻近区域的锤击声导纳中无法识别空洞,计算得到的mfcc10max特征值与密实钢管混凝土的一致。
在对现场塔楼钢筋混凝土检测后发现,由于采集条件和实际空洞状态的区别,空洞位置的mfcc10max特征值较室内试验指标要大,但与密实状态的特征值有明显区别,且密实状态的特征值与室内试验指标几乎一致,说明了此指标在现场钢管混凝土空洞检测中的适用性。
mfcc10max特征值能表征空洞的物理本质是：空洞的存在改变声压的同时也产生了不同的泛音,同时空洞的大小也改变了不同泛音与基音的混合比例,即组合形成了音色,从而让人耳感受了锤击声的不同,并将其具体化成相应的音色指标。
6. 结论
对多个不同工况和类型的钢管混凝土用力锤锤击,并采集锤击声和锤击力,计算得到锤击声导纳,提取108维mfcc音色特征并做相关性分析,得到以下结论。
（1） 对侧边空洞钢管混凝土,当锤击声导纳中提取得到的mfcc10max特征值大于-0.4时,可逆向初步判定该位置有空洞缺陷。
（2） 对侧边空洞钢管混凝土,通过距空洞径向弧长大于68 mm区域的锤击声,无法探测到空洞。
（3） 现场钢管混凝土结构锤击声导纳中mfcc10max特征值不大于-0.59时,可认为是密实状态,反之可能有空洞存在。
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Table 1 钢管混凝土试件尺寸
试件编号 类型 空洞直径/mm 空洞位置 直径/mm 洞径比 备注 1 纯混凝土 — — 155 — 脱模后 2 密实钢管混凝土 — — 155 — 密实 3 空钢管 — — 155 — — 4 侧边空洞钢管混凝土 25 侧边 155 0.15 — 5 侧边空洞钢管混凝土 50 侧边 155 0.31 — 6 侧边空洞钢管混凝土 70 侧边 155 0.43 — 
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Table 2 不同类型试件的锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计
序号 类型 mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 纯混凝土 −1.13~−0.9 −0.98 2 密实钢管混凝土 −1~−0.5 −0.72 3 空钢管 −0.71~−0.36 −0.53 4 侧边空洞钢管混凝土 −0.4~0.4 0.06
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Table 3 不同锤击力下导纳mfcc10max特征值数据统计
序号 类型 锤击力/N mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 侧边空洞（ϕ25 mm）钢管混凝土 100 −0.14~0.37 0.14 2 700 −0.3~0.18 0.01 3 1 100 −0.38~0.18 0.06
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Table 4 不同尺寸空洞的锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计
序号 类型 空洞直径/mm mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 密实钢管混凝土 0 −1~−0.5 −0.72 2 侧边空洞钢管混凝土 25 −0.4~0.4 0.06 3 侧边空洞钢管混凝土 50 −0.4~0.3 0.1 4 侧边空洞钢管混凝土 70 −0.42~0.2 −0.23
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Table 5 不同直径侧边空洞钢管混凝土的径向锤击声导纳mfcc10max特征值数据统计
序号 类型 空洞直径/mm 锤击点 mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 密实钢管混凝土 0 中部 −1~−0.5 −0.72 2 侧边空洞钢管混凝土 25 1 −0.4~0.4 0.1 2 −0.8~−0.2 −0.52 3 −1~−0.3 −0.69 4 −1.1~−0.4 −0.74 5 −1.1~−0.5 −0.77 3 侧边空洞钢管混凝土 50 1 −0.4~0.3 0.06 2 −0.9~−0.2 −0.49 3 −1~−0.2 −0.57 4 −0.9~−0.2 −0.58 5 −0.9~−0.1 −0.59 4 侧边空洞钢管混凝土 70 1 −0.5~0.2 −0.23 2 −0.7~−0.2 −0.49 3 −1~−0.5 −0.72 4 −1.2~−0.5 −0.82 5 −1~−0.5 −0.74
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Table 6 塔楼钢管混凝土柱的锤击mfcc10max特征值数据统计
序号 状态 锤击力/N mfcc10max特征值 mfcc10max特征值均值 1 空洞 1 000~1 100 0.35~0.55 0.48 2 密实 −0.8~−0.3 −0.59
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