CN102435676B - 一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，具体包括以下步骤：撞击非晶合金产品，使其在不和其他物体接触的情况下产生振动并发出声音；采集非晶合金产品因受撞击产生的声音信号；对声音信号进行处理并计算其衰减时间；根据声音信号衰减时间的长短判断产品的合格性。使用本方法可以准确的检测出非晶合金产品内部是否存在收孔或裂纹等缺陷，事先设定好合格产品声音信号衰减时间的阈值就可以实现自动检测，不需要人为主观的判断，可以减少误判，而且检测流程短，适合进行大批量产品的检测。

Description

一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法

技术领域

本发明涉及一种产品合格性的检测方法，尤其涉及一种检测非晶合金产品合格性的方法。

背景技术

非晶合金是一种结构和性能不同于其他常规材料的合金，由于该类合金成型过程中保留了液体材料的结构，因而具有长程无序，短程有序的特点；同时具有大量常规材料所不具备的性能，如高强度、高硬度、高耐磨性和高耐蚀性等特点，具有巨大的应用潜力。

同时非晶合金在结构上具有均一的特点，内部缺陷如收孔、裂纹等对非晶合金产品性能的影响非常大，而在生产过程中，由于原料、设备和工艺等环节的影响，在产品中存在上述缺陷是不可避免的，只能通过检测的环节，剔除其缺陷足够影响到性能的产品。

常规的方法是使用各种无损检测方法，比如超声波、X射线、涡流检测、磁粉探伤等，本发明发明人发现：这些无损检测方法通常检测周期较长，因此不利于大批量产品的检测，并且通常需要依赖于复杂程度较高的精密仪器；或者需要大量的辅助工具如磁粉、底片等，成本较高。

发明内容

为了克服现有技术中非晶合金产品合格性检测周期长、不利于大批量检测的问题，本发明根据非晶合金产品本身的特性，提供了一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法。

一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，包括以下步骤：

撞击非晶合金产品，使其在不和其他物体接触的情况下振动并产生声音信号；采集非晶合金产品因受撞击产生的声音信号；对声音信号进行处理并计算声音信号的衰减时间t；预设合格产品碰撞声音信号的衰减时间阈值b；比较衰减时间t是否大于预设时间阈值b，如果否，则判断产品不合格。

由于非晶合金材料在接受外部能量时传导能量的性能较好，合格产品能够将接受的能量以振动的形式很好的传导到整个产品中，在未与其他物体接触的情况下其自身振动的时间较长，因此采集到的声音信号的衰减时间也较长；而不合格产品振动能量的传导在遇到如收孔、裂纹等内部缺陷时就会停止，检测到的声音信号的衰减时间较短，因此通过非晶合金产品受撞击后所产生的声音信号的衰减时间长短便可精确地区分合格品与不合格品。并且，由于本方法振动能量在非晶合金产品内部传导时，产品飞行在空中未与其他物体接触，使得振动不会传递给除空气外的其他介质，保证了声音信号在合格品与不合格品中的传播时间上有区别。

本方法可以实现自动检测非晶合金产品的内部缺陷，不需要人为主观的判断，可以减少误判，且检测流程短，适合大批量产品的检测。

附图说明

图1为本发明所采用的一种声音检测装置的结构示意图。

图2为图1中撞击组件、定位治具和声音采集组件的放大图。

图3为撞击组件的左侧剖视图。

图4为本发明提供的声音检测方法中声音信号处理流程图。

1、信号处理单元；2、主框架；3、撞击组件；4、定位治具；5、声音采集单元；6、接料框；31、支撑板；32、电机；33、单摆摆锤；34、离合器；A、单摆下落起始位置；B、声音采集启动位置。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明发明人发现：非晶合金材料在接受外部能量时传导能量的性能较好，合格产品能够将接受的能量以振动的形式很好的传导到整个产品中，在未与其他物体接触的情况下其自身振动的时间较长，因此采集到的声音信号的衰减时间也较长；而不合格产品振动能量的传导在遇到如收孔、裂纹等内部缺陷时就会停止，检测到的声音信号的衰减时间较短，因此通过非晶合金产品受撞击后所产生的声音信号的衰减时间长短便可精确地区分合格品与不合格品。

本发明所采用的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法包括以下步骤：

撞击非晶合金产品，使其在不和其他物体接触的情况下振动并产生声音信号；采集非晶合金产品因受撞击产生的声音信号；

对声音信号进行处理并计算其衰减时间；

根据声音信号衰减时间的长短判断非晶合金产品的合格性。

由于本方法振动能量在非晶合金产品内部传导时，产品飞行在空中未与其他物体接触，使得振动不会传递给除空气外的其他介质，因此可以保证声音信号在合格品与不合格品中的传播时间上有区别。本发明提供的产品合格性的检测方法不仅适用于非晶合金产品的检测，任何与非晶合金性质类似的零件或压铸件都可适用。

本发明所采用的声音检测装置包括撞击组件和声音采集单元，所述撞击组件包括支撑板及设置在支撑板上的电机、离合器和单摆；离合器同时与电机和单摆相连；单摆可绕离合器旋转并撞击产品，所述离合器可控制单摆与电机的连接和分离；所述声音采集单元可对单摆摆锤撞击非晶合金产品产生的声音进行收集并将形成的信号传输给信号处理单元。

所述离合器可以采用不同形式，例如采用电磁驱动方式的电磁离合器，可控制单摆与电机的连接或分离，从而实现电机带动单摆进行旋转或使单摆脱离电机的控制，自由运动。

当对多个产品进行检测，需要采集撞击声音时，为了提高检测结果的一致性，需将非晶合金产品放置于一固定的位置进行撞击。优选情况下，将非晶合金产品固定在定位治具上，所述定位治具设置于单摆的运动线路上。

所述撞击组件还包括第一传感器，用于感应电机带动摆锤旋转的终点位置(即摆锤下落的起始位置)，通过设置第一传感器，可方便的控制摆锤运动的起始位置，利于统一摆锤经过自由加速下落后撞击非晶合金产品前的速度，使采集条件一致性更高。具体的，所述第一传感器设置于支撑板上，并位于摆锤旋转最高点偏向其旋转下落方向的一侧。

为了提高采集到的声音的精度，所述撞击组件还包括第二传感器，用于感应单摆摆锤撞击非晶合金产品前的位置。具体的，第二传感器设置于支撑板上，并处于单摆撞击非晶合金产品之前的某一位置，即单摆撞击产品前先经过第二传感器，通过第二传感器感应单摆摆锤的位置。

本发明所采用的声音检测装置还包括控制系统，控制系统用于控制电机的启动和停止、离合器的开启和关闭、声音采集单元的开启和关闭。所述离合器的开启和关闭是指离合器控制电机和摆锤的连接或分离。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

根据图1-3所示，起始状态控制系统(图中未示出)控制离合器34开启，电机32与单摆连接，电机转动并沿逆时针方向抬升摆锤33，在摆锤上升的行程中接近最高点的位置A处设置第一传感器，当摆锤到达位置A处时，第一传感器将信号传递给控制系统，控制系统控制电机32停止转动并自锁，摆锤停留在位置A处拥有较大的重力势能。接着将待检测的非晶合金产品放置在定位治具4上，控制系统控制离合器关闭，电机与摆锤分离，此时电机停止转动，整个装置的其他动力源也处于停机状态，设备本身不再产生噪音，有效的避免了设备自身产生的噪音对采集到的声音信号的影响，提高了检测精度。由于摆锤下落的起始位置A并不是最高点，当摆锤脱离电机之后，在其自身重力的影响下，会以初速度为零的初始状态进行无阻力自由下落，当摆锤下降到最低点处时，重力势能全部转化为动能，此时摆锤速度最大，如果将撞击点设置在此位置，则撞击后声音最大，最适合采集判定，但考虑到摆锤动能太大可能会造成产品损坏，定位治具4位置可以适当调整，保证摆锤与待检测产品有较好的碰撞效果又不损坏待检产品。

采用本发明提供的声音检测方法，每次检测过程中摆锤都从固定位置A自由下摆，并且下降到固定位置与定位治具中的待测产品发生碰撞，这就保证了每次检测摆锤的撞击速度和撞击面相同，也就是不同的待测产品接受到相同的能量，保证了不同产品测试条件的一致性。

在摆锤下降到接近碰撞点之前的位置B处设置第二传感器，作为声音采集启动位置。当摆锤下降到位置B处时，控制系统启动检测程序并通过声音采集单元5对非晶合金产品被摆锤撞击的声音进行采集，在多次检测过程中声音采集单元与撞击点的距离保持固定不变，且优选情况下，所述声音信号采集单元设置于以撞击点为中心，半径为5-20cm的圆的范围内即可。

撞击组件的对面设置有接料框6，非晶合金产品受到摆锤的撞击后在飞向接料框的过程中持续振动并发出声音，由于非晶合金本身的特性，使得该材料在接受外部能量时能够最大程度的传导能量，合格产品接受的能量能够很好的传导到整个产品中，所采集到的声音信号衰减时间较长；而不合格产品的能量在传播过程中遇到缺陷而停止振动传播，采集到的产品声音信号衰减时间较短。由于振动能量在非晶合金产品内部传导时，产品飞行在空中未与其他物体接触，使得振动不会传递给除空气外的其他介质，保证了声音信号在合格品与不合格品中的传播时间有区别。本发明提供的声音检测方法采集非晶合金产品从被摆锤撞击到飞向接料框过程中的声音信号，通过计算声音信号的衰减时间可以准确的区分合格产品与不合格产品。

本发明提供的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法包括对声音信号的处理、计算和判定过程，具体方法如下：

如图4所示，所述对声音信号的处理、计算和判定过程包括以下步骤：

步骤S01，采集撞击产品产生的碰撞声音信号；

步骤S02，对采集到的声音信号进行预处理；

步骤S03，计算预处理后声音信号的衰减时间t；

步骤S04，比较衰减时间t是否大于预设时间阈值b，如果是，进入步骤S05，如果否，进入步骤S06；

步骤S05，判断产品合格；

步骤S06，判断产品不合格。

对于步骤S04中，衰减时间的预设时间阈值b根据不同的检测产品以及不同的检测环境都会有所变化，对于非晶合金产品，在检测产品处于同样的检测环境下，预设时间阈值b取值范围0.128s～0.15s。

从上述的产品合格性检测方案中可以看出，通过采集产品的碰撞声音信号并进行预处理后，计算预处理后声音信号的衰减时间t，将计算得到的衰减时间t与预设时间阈值b比较，就能准确的判断产品的质量是否合格，该方法简单且准确性高，可以尽量避免人为检测的误差，且采用仪器自动检测，能够提高检测效率，有利于大批量产品的检测。

在具体实施中，所述步骤S02中所述预处理包括依次进行步骤A1对声音信号的数据进行分帧处理、步骤A2将分帧得到的每帧声音数据进行加窗处理、步骤A3对加窗处理后进行预加重处理。

具体的，步骤A1，分帧遵照帧长512点，帧移为256点的原则处理。

对于步骤A1，对声音信号进行分帧处理时，帧移的设置跟声音信号的采样率有关系。根据声音信号的短时平稳性，因此帧长的取值范围为：采样率*10ms-采样率*25ms之间，帧移为帧长的1/3-2/3之间，在本实施例中，声音信号的采样率为50000Hz，因此取帧长为512，帧移为256。

步骤A2，加窗指将每帧语音数据分别乘以相应的窗系数，窗长为512点。窗系数由下面公式求得：

$\underset{k\∈[0,N]}{H\left(k\right)}=0.54-0.46*\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N-1}\right)$

其中N为窗长

步骤A3、对语音信号进行预加重处理，预加重系数为0.9～1之间的值。

预加重处理的目的是为了提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，保持在低频到高频的整个频带中，能用同样的信噪比求频谱，以便于频谱分析或声道参数分析。通俗的说，预加重处理部分就是设计数字滤波器，常采用的是：

H(z)＝1-u/z

其中，u取接近于1的值，因此预加重系数常取0.9～1之间的值。其具体实施如下：

x(0)＝(1-0.97)*x(0)

$\underset{k\∈[0,N]}{x\left(k\right)}=x\left(k\right)-0.97*x(k-1)$

其中N为帧长，x(k)表示一帧语音的第k个点。

优选的，所述预加重系数设定为0.97，可以使得信号的频谱变得更加平坦。

在具体实施中，步骤S03计算预处理后声音信号的衰减时间t，具体包括以下步骤，

步骤S031，计算静音段数据的对数功率谱阈值minP_db；

步骤S032，将声音信号数据中对数功率谱值小于阈值minP_db的值进行置零，并统计每一帧数据中对数功率谱大于零的数目Num(d)，得到一组Num(d)组成的数据Num，其中d为帧数，也是数据Num中的点数，即Num(d)表示第d点所述对应的值；

步骤S033，根据数据Num计算声音信号的衰减时间t。

在具体实施中，步骤S031具体包括以下步骤：

步骤S0311，计算第一帧数据到声音信号最大能量值之前的第一预设时间T1之间的每一帧功率谱P₁(n)，其中n为第一帧数据到声音信号最大能量值之前的第一预设时间T1之间的帧数；

步骤S0312，计算第一帧数据到声音信号的最大能量值之前的第一预设时间T1之间的每一帧对数功率谱P_dB(n)，P_dB(n)＝20*log₁₀P₁(n)；

步骤S0313，查找n帧声音信号数据中每一帧数据对应的对数功率谱最大值maxP_db(n)，并计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db1；

步骤S0314，计算最后一帧数据到声音信号最大能量值之后的第二预设时间T2之间的每一帧功率谱P₂(h)，其中h为最后一帧数据到声音信号最大能量值之后的第二预设时间T2之间的帧数；

步骤S0315，计算最后一帧数据到声音信号最大能量值之后的第二预设时间T2之间每个帧的对数功率谱P_dB(h)，P_dB(h)＝20*log₁₀P₂(h)；

步骤S0316，查找h帧声音信号数据中每一帧数据对应的对数功率谱最大值maxP_db(h)，并计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db2，并计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db2；

步骤S0317，计算阈值minP_db，minP_db＝(meanP_db1+meanP_db2)/2。

在具体实施中，步骤S0311具体为：先对每一帧数据进行傅里叶变换，

(0≤k≤N-1)，其中W_N＝exp(-j2πnk/N)，N为帧长，接着对进行傅里叶变换后的每一帧数据求功率谱P₁(n)，P₁(n)＝|X(k)|。而对于步骤S0314中计算功率谱P₂(h)，也是采用同样公式进行计算得出。

对于步骤S0313中，由于在步骤S0311对每一帧数据求功率谱，可以得到每一帧数据中每个点的功率谱值，再取对数计算每个帧的对数功率谱P_dB(n)，当每个帧中每个点的对数功率谱值大小是不同的，因此需要查找并记录每一帧数据中对应的对数功率谱最大值max P_db(n)，根据每一帧数据中对应的对数功率谱最大值max P_db(n)计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db1，

当然对于步骤S0316中，也是采用同样的公式计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db2。

从上述步骤S031的具体方案可以看出，由于采集到碰撞声音信号数据包括静音段和语音段，通常情况下，碰撞声音信号是由第一段静音段、一段语音段和第二段静音段依次组成。声音的衰减过程从第一段静音段的终点开始到第二段静音段的起点结束，从而计算声音的衰减时间，使得检测的声音信号中没有包括静音段，从而提高检测方法的准确性。对于非晶合金产品，T1的取值范围为0.15s-0.25s，T2的取值范围为0.35s-0.45s。

在具体实施中，所述步骤S033具体包括以下步骤：

步骤S0331，从数据Num中的查找第1点到最大值maxNum(k)的索引点k之前的(T1*f_s/Y)个点，并计算第1点到最大值maxNum(k)的索引点k之前的(T1*f_s/Y)个点所对应的Num(d)的第一均值MeanNum1，其中f_s为采样频率，Y为帧移值；

在步骤S0331中，最大值maxNum(k)的索引点k即最大值maxNum(k)为数据Num中的第k个值。

步骤S0332，根据第一均值MeanNum1，计算衰减时间的起点阈值B1，B1＝2*MeanNum1；

步骤S0333，从数据Num中的查找最后一个点到最大值maxNum(k)的索引点k之后的(T2*f_s/Y)个点，并计算最后一个点到最大值maxNum(k)的索引点k之后的(T2*f_s/Y)个点所对应的Num(d)的第二均值MeanNum2；

步骤S0334，根据第二均值MeanNum2，计算衰减时间的终点阈值B2，B2＝2*MeanNum2；

步骤S0335，在数据Num中查找从起点阈值B1到最大值maxNum(k)之间的点数n1，同时查找从最大值maxNum(k)到终点阈值B2的点数n2；

步骤S0336，根据点数n1和点数n2计算衰减时间t，t＝(n1+n2)*Y/f_s。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，包括以下步骤：撞击非晶合金产品，使其在不和其他物体接触的情况下振动并产生声音信号；采集非晶合金产品因受撞击产生的声音信号；对声音信号进行处理并计算其衰减时间t；预设合格产品碰撞声音信号的衰减时间阈值b；比较衰减时间t是否大于预设时间阈值b，如果否，则判断产品不合格。

2.根据权利要求1所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，所述撞击非晶合金产品具体为：

利用单摆无阻力自由下落撞击固定在定位治具上的非晶合金产品，使非晶合金产品振动并产生声音信号。

3.根据权利要求2所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，所述单摆通过离合器与电机相连，离合器控制单摆与电机连接或断开，电机驱动单摆旋转。

4.根据权利要求3所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，所述离合器控制单摆与电机连接或断开，电机驱动单摆旋转具体为：起始状态，离合器开启，单摆与电机相连，电机驱动单摆旋转，将单摆旋转最高点偏向其下落方向的一点作为单摆下落起始位置，该位置设置有第一传感器，当所述第一传感器检测到单摆旋转上升至此位置的信号后，电机停止运转并自锁，单摆停止在下落起始位置处。

5.根据权利要求4所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：单摆停止在下落起始位置后，离合器关闭，单摆与电机分离，单摆在其自身重力的作用下无阻力自由下落，定位治具放置在单摆下落的路线上，使得单摆下落过程中可撞击到非晶合金产品。

6.根据权利要求5所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：在单摆下落的行程中且未撞击到非晶合金产品之前的一个预设位置作为声音采集启动位置，在该位置处设置第二传感器，当所述第二传感器检测到单摆下落经过此位置的信号后，对非晶合金产品被单摆撞击的声音进行采集。

7.根据权利要求6所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：通过声音采集单元对非晶合金产品被单摆撞击的声音进行采集，所述声音采集单元与信号处理单元相连，用于将采集到的声音信号传递给信号处理单元。

8.根据权利要求3-6任意一项所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：电机的启动和停止、离合器的开启和关闭、声音采集单元开启和关闭由控制系统控制。

9.根据权利要求1所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，所述对声音信号进行处理具体包括：

依次进行步骤A1对声音信号进行分帧处理；步骤A2将分帧得到的每帧语音数据进行加窗处理；步骤A3对加窗处理后进行预加重处理。

10.根据权利要求9所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于，所述计算声音信号的衰减时间t的步骤，具体包括：

计算静音段的声音信号数据的对数功率谱阈值minP_db；

将声音信号数据中对数功率谱值小于阈值minP_db的值进行置零，并统计每一帧数据中对数功率谱大于零的数目Num(d)，得到一组Num(d)组成的数据Num，其中d为帧数；

在数据Num中设定起点阈值和结束点阈值，根据起点阈值和结束点阈值计算声音信号的衰减时间t。

11.根据权利要求10所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：所述计算静音段数据的对数功率谱阈值minP_db的步骤，具体包括：

计算第一帧数据到声音信号最大能量值之前的第一预设时间T1之间的每一帧功率谱P₁(n)，其中n为第一帧数据到声音信号最大能量值之前的第一预设时间T1之间的帧数；

计算第一帧数据到声音信号的最大能量值之前的第一预设时间T1之间的每一帧对数功率谱P_dB(n)，P_dB(n)＝20*log₁₀P₁(n)；

查找n帧声音信号数据中每一帧数据对应的对数功率谱最大值maxP_db(n)，并计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db1；

计算最后一帧数据到声音信号最大能量值之后的第二预设时间T2之间的每一帧数据的功率谱P₂(h)，其中h为最后一帧数据到声音信号最大能量值之后的第二预设时间T2之间的帧数；

计算最后一帧数据到声音信号能量最大值之后的第二预设时间T2之间每个帧的对数功率谱P_dB(h)，P_dB(h)＝20*log₁₀P₂(h)；

查找h帧声音信号数据中每一帧数据对应的对数功率谱最大值maxP_db(h)，并计算对数功率谱最大值的平均值meanP_db2；

计算阈值minP_db，minP_db＝(meanP_db1+meanP_db2)/2。

12.根据权利要求11所述的通过声音检测非晶合金产品合格性的方法，其特征在于：计算声音信号的衰减时间t，具体包括：

从数据Num中的查找第1点到最大值maxNum(k)的索引点k之前的(T1*f_s/Y)个点，并计算第1点到最大值maxNum(k)的索引点k之前的(T1*f_s/Y)个点所对应的Num(d)的第一均值MeanNum1，其中f_s为采样频率，Y为帧移值，T1单位为秒；

根据第一均值MeanNum1，计算衰减时间的起点阈值B1，B1＝2*MeanNum1；

从数据Num中的查找最后个点到最大值maxNum(k)的索引点k之后的(T2*f_s/Y)个点，并计算最后个点到最大值maxNum(k)的索引点k之后的(T2*f_s/Y)个点所对应的Num(d)的第二均值MeanNum2，T2单位为秒；

根据第二均值MeanNum2，计算衰减时间的终点阈值B2，B2＝2*MeanNum2；

在数据Num中查找从起点阈值B1到最大值maxNum(k)之间的点数n1，并查找从最大值maxNum(k)终点阈值B2的点数n2；

根据点数n1和点数n2，计算衰减时间t，t＝(n1+n2)*Y/f_s。

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