Page 55 - 无损检测2021年第八期

余焕伟, 等:

基于高斯混合 - 隐马尔可夫模型的特种设备敲击检测

高峰位置也发生了转移; 3 和4 试件含有开裂和夹 偏移的趋势, 这与图 7 的频谱分析结果一致。
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层缺陷, 其对试件的结构完整性的破坏力度更大, 信
号频率主峰向低频端偏移的现象更严重, 杂散峰数量
也明显增多。

图 9 敲击检测的弹簧模型
薄壁钢管的敲击检测模型如图 10 所示。环向
裂纹处相当于一个长度为 0 的自由面, 瞬时敲击振
沿着管壁传播, 遇到裂纹面时会产生反射
动波U I
, 无
波U R 与透射波U T 。假设裂纹的等效面积为S c
和
损伤处的管壁面积为 S 0 , 当忽略相位变化时, U R
有以下近似关系
U T

U R 0ω ) CU I 0ω ) ( 8 )
(,
=
(,
(,
(,
U T 0ω ) =KU I 0ω ) ( 9 )
/ 有关
式中: ω 为振动波的角频率; C , K 为与S c S 0
的常数项。
图 8 7 ~9 试件的敲击声信号频谱
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图 8 为 7 ~9 钢管试件的敲击声信号频谱,
其中 7 和 8 试 件 的 频 率 幅 值 分 别 人 为 上 移 了 图 10 薄壁钢管的敲击检测模型
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0.01 , 0.035 , 可以看出 3 个试件的频率曲线比较相 根据能量守恒关系有
(,
(,
(,

似, 频率峰值集中在 3500~4000Hz , 从图 8 ( b ) 的 U R 0ω ) 2 = U I 0ω ) 2 + U T 0ω ) 2

局部细节图可看出无缺陷的 9 试件在 3747Hz处 ( 10 )
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有 1 个主频率峰, 而存在环向裂纹的 7 , 8 试件在 由式( 8 ) ~ ( 10 ) 可知, 当薄壁直管段上存在环向
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3747Hz附近发生了主峰分裂, 峰值降低较大, 最 裂纹时, 振动波的传播不可避免地被裂纹自由面所

影响, 管段上的振动波也以裂纹面为界分为不同的
高峰位置也发生了一定偏移。

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上述敲击过程可用图 9 所示的弹簧模型进行解 两部分, 这也是图8 中7 , 8 试件在3747Hz频率
释 [ 16 ] 。敲击右边完好部位相当于敲击一个弹性系 处发生谱峰分裂的原因。
的弹簧; 敲击左边缺陷部位, 相当于在右边 3.2 敲击信号的互相关分析
数为k c
的 互相关分析可以用来衡量两个周期信号随时间
完好构件的弹簧模型上串联一个弹性系数为k d
与缺陷深度h , 缺陷长度 l 以及被敲击部位 变化时的相关性, 图 11 为敲击信号的互相关系数
弹簧, k d
的截面惯性矩等有关。假设局部敲击时系统中运动 R x y m ) 曲线( m=1 , 2 , 3 ,…, 3000 , 为信号的采样
(

部分的抽象质量为 m , 等效弹簧的弹性系数为k , x 延迟数), 可以看出 R x y 在零点上下呈周期性振荡,
和¨x 分别为局部位移和局部位移加速度, 则有 但同类试件敲击信号 R x y 曲线的标准差要远大于
曲线的标准差, 该特性可以用来验
1 k 不同类试件R x y
x
m¨ =- kx , f c= ( 7 )
2π m 证两种信号是否源自同一类别。
式中: 为构件的振动频率。 3.3 MFCC 特征集
f c
, 而在缺陷部位k=k c× 在语音识别方面, 最常用到的语音特征就是梅
在完好构件部位k=k c
/( ) 将 尔频率倒谱系数( MFCC ), 其可描述人耳频率的非
k d k c+ k d < k c , 由式( 7 ) 可知, 在缺陷部位 f c
变小, 因此缺陷平板构件的振动频率会有向低频端 线性特性 [ 17 ] 。敲击信号经预加重、 分帧、 傅里叶功
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2021 年 第 43 卷 第 8 期

无损检测