摘要: 利用敲擊錘對建筑用磚施加敲擊力，根據(jù)物理學共振原理，敲擊會引起建筑用磚共振從而發(fā)出聲響。而由于敲擊不同品質(zhì)的建筑用磚發(fā)出的聲音頻率不同，人通過耳朵分辨聲音的尖銳或低沉來判別建筑用磚品質(zhì)的 好壞，實際上就是在借助聲音信號所包含的頻率高低來判別。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn): 橫向缺損帶來的特征頻率的偏移要大于縱向缺損; 完好的建筑用磚的共振頻率在 3 606 Hz 左右，缺損的建筑用磚的共振頻率分別穩(wěn)定在3 709 Hz 和3 584 Hz 左右，各自距離無缺損建筑用磚共振頻率 3 603 Hz 都有非常穩(wěn)定的差距，驗證了該實驗方法的可行性較好。此頻率的差別人耳可以捕捉到。而通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，此頻率的差別人耳足以捕捉到。據(jù)此可 以用共振頻率替代人耳定量表示建筑用磚的品質(zhì)好壞，用于建筑用磚的自動化品質(zhì)檢測。

　　關鍵詞: 聲音信號; 頻率; 建筑用磚缺損檢測

　　近年來，利用聲學信號特性進行農(nóng)產(chǎn)品的損傷和缺陷的自動檢測，國內(nèi)外研究眾多: 如 Rob-inson 等根據(jù)聲波的衰減特性研制出了西瓜成熟度測定儀[1]; De Belie 等用聲脈沖響應技術檢測了生長中的梨在收獲后的變化[2]; 王樹才等利用敲擊聲音信號進行禽蛋破損檢測和模糊識別[3]; 王書茂用沖擊振動法對西瓜的成熟度進行了無損檢測[4]; 陳介余等則研制成功了利用西瓜的聲波響應特性對西瓜的內(nèi)部裂紋和成熟度進行無損檢測的裝置[5]等。

　　事實上，聲音特性的應用涵蓋了我們生活的 很多方面。如目前許多建筑材料的生產(chǎn)現(xiàn)場是主 要依靠人工敲擊辯聲，即工人們依靠敲擊材料發(fā) 出的不同聲音來判別其是否含有缺損或是否生產(chǎn) 達標。隨著工業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏的逐步提高，對生產(chǎn)強 度的要求在不斷提高，同時，對操作工人的技能水 平要求也不斷提升。單純依靠人耳在線聽聲判別 建筑用磚質(zhì)量的好壞，已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)的要求， 漏檢、錯檢現(xiàn)象頻繁發(fā)生，給生產(chǎn)企業(yè)帶來了不小 的麻煩。基于此現(xiàn)象，可以將這種人耳斷聲的方 法的聲學原理與所學的物理知識聯(lián)系起來。通過 現(xiàn)場實地了解，現(xiàn)場工人人耳主要聽的是聲音的 品質(zhì)，用聲學原理解釋即主要依靠聲音頻率的高低來對產(chǎn)品質(zhì)量做出判別。因此，本研究計劃利用一種物理可實現(xiàn)的方法，用聲學檢測獲取準確聲音頻率從而判別損傷是否發(fā)生的方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人耳斷聲方法，期待可以解決長時間在線連續(xù)檢測運行和減小失誤錯判的次本文以高鋁質(zhì)建筑用磚為研究對象，通過設計一個聲學測量實驗: 1 組完好建筑用磚; 1 組橫向缺陷的建筑用磚，1 組縱向缺陷的建筑用磚，借助木槌敲擊產(chǎn)生聲音信號，之后借助聲學傳感器接收信號并分析信號特征頻率來對結果做出對比和判斷，研究材料損傷的發(fā)聲規(guī)律，找到能夠有效替代人耳判別的新方法。

　　1 材料與方法

　　1. 1 實驗材料

　　實驗材料為目前生產(chǎn)玻璃窯爐最常使用的高 鋁質(zhì)建筑用磚，建筑用磚磚的密度為 2 162 kg / m3 ， 磚的各項尺寸分別為: 長 232 mm，高 115 mm，上寬 54 mm，下寬 64 mm。實驗所用的建筑用磚分為三類: 1 類( 號) 建筑用磚為完好的建筑用磚，作為對比組; 2 類( 號) 為在其橫向方向人為地做出缺損， 切入 30 mm 深的槽，代替模擬橫向方向的各種類型缺陷; 3 類( 號) 為在其縱向方向人為地做出缺損，切入 40 mm 深的槽，代替模擬縱向方向的各種類型缺陷。

　　1. 2 實驗裝置

　　實驗裝置由虎鉗試驗臺、木質(zhì)敲擊錘、麥克風

　　以及電腦采集系統(tǒng) 4 部分組成，其中虎鉗是用來夾住建筑用磚的，敲擊錘為普通的木質(zhì)錘子，

　　1. 3 實驗步驟與方法

　　( 1) 將 1 號建筑用磚夾在虎鉗上面;

　　( 2) 利用木質(zhì)敲擊錘敲擊建筑用磚的上表面， 將聲卡的采樣頻率設置為 48 kHz，通過麥克風采集聲信號，并將聲信號以 xlsx 格式文件保存;

　　( 3) 重復敲擊 10 次，并記錄數(shù)據(jù)，得到 10 個xlsx 格式文件;

　　( 4) 對破損的 2、3 號建筑用磚重復以上 1-3 步實驗步驟;

　　( 5) 利用matlab 對得到的數(shù)據(jù)進行分析[6]，將 其進行傅里葉( FFT) 變換，得到聲信號的頻譜圖， 記錄建筑用磚的共振頻率。

　　借助軟件可以獲得每組磚每次敲擊的共振頻率，將每塊建筑用磚對應的 10 組共振頻率數(shù)據(jù)記錄如表 1 所示。

　　2. 2 結果分析

　　由表 1 可以看出，對 3 塊實驗磚敲擊得到的結果都很穩(wěn)定，說明實驗的可重復性很好，測試出來的數(shù)據(jù)是科學可用的。通過敲擊錘敲擊無缺損的 1 號建筑用磚的上表面時，分析得到的共振頻率在 3 606 Hz 左右。在敲擊具有縱向缺陷建筑用磚時獲得并計算得到的建筑用磚的共振頻率在

　　3 結論

　　( 1) 完好的建筑用磚的共振頻率在 3 606 Hz左右，缺損的建筑用磚的共振頻率分別在 3 709 Hz 和 3 584 Hz 左右，各自距離無缺損建筑用磚共振頻率 3 603 Hz 都有非常穩(wěn)定的差距。而通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，此頻率的差別人耳足以捕捉到，據(jù)此可以用共振頻率替代人耳定量表示建筑用磚的品質(zhì)好壞，用于建筑用磚的自動化品質(zhì)檢測方面;

　　( 2) 多組實驗得到的特征頻率差異性不大，說明此方法可行性較好;

　　( 3) 橫向缺損帶來的特征頻率的偏移要大于縱向缺損。

　　參考文獻:

　　[1]ROBINSON B E. An evaluation of acoustical decay time as a measure of watermelon maturity [D]. Athens: University of Georgia，1976.

　　[2]DE Belie N. Firmness changes of pear fruit before and af- ter harvest with the acoustic impulse response technique

　　[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，2000， 77( 5) : 343.

　　[3]王樹才，任奕林. 利用敲擊聲音信號進行禽蛋破損檢測和模糊識別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20( 4) : 130.

　　[4]書茂. 西瓜成熟度無損檢驗的沖擊振動方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，1999，15( 3) : 241.

　　[5]陳介余，宮里滿，等. 利用聲波響應特性檢測農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學會志，1993，55( 3) : 65.

　　[6]張濤，齊永奇，李恒燦. MATLAB 基礎與應用教程[M].北京: 機械工業(yè)出版社，2017.