Page 65 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 刘利平等： 基于时频分帧能量熵的陶瓷制品敲击声波信号特征识别 61

状，本文暂不展开讨论)，所用被试陶瓷制品在工厂
2 实验分析
进行生产，事先由检测专家通过敲击听声鉴别得到
2.1 声波信号采集与预处理 每个陶瓷制品的标签 (包括有缺陷和无缺陷两类标
签，前者标记为正类，标签为 1，后者标记为负类，
为采集敲击陶瓷产生的声波信号，本实验搭建
标签为0)。
了一个敲击装置，图 3 为敲击声波信号采集装置示
本实验在一个环境噪声较小的实验室进行声
意图。图中，摆锤的竖直位置距离敲击位置的水平
波信号采集，方便原始信号样本的预处理。敲击过
位置为 5 cm，摆锤抬起位置距竖直位置 7.5 cm，摆
程如下：首先将摆锤拿到抬起位置，后运行录声程
锤长度23 cm，拾声器距离敲击位置0.8 m。
序，在程序运行约1 s后，松开摆锤，完成敲击声波信
号的采集。分别敲击碗口和碗身各 4 个位置，碗口
和碗身的 4 个位置中每个位置间隔 90 。敲击杯口
◦
和杯身，对杯口和杯身以杯把的位置为起点，每个敲
23 cm
◦
7.5 cm 击位置间隔 90 ，杯口和杯身分别敲击 3 个位置 (即
5 cm
敲击除杯把外的位置)。敲击碟边，每个碟敲击 4 个
位置，每个敲击位置间隔90 。
◦
0.8 m
按上述敲击过程共采集1050个信号样本，其中
图 3 敲击装置示意图 敲击无缺陷杯的信号样本 126 个，敲击无缺陷碟的
Fig. 3 Diagram of tapping device 信号样本 24 个，敲击无缺陷碗的信号样本 384 个，
总计 534 个无缺陷陶瓷制品的信号样本；敲击缺陷
拾声器采用电脑的内置传声器，录声采用计算
杯的信号样本 324 个，敲击缺陷碟的信号样本 120
机录声程序进行，拾声器以及录声程序参数如表 1
个，敲击缺陷碗的信号样本 72 个，总计 516 个敲击
所示。
缺陷陶瓷制品的信号样本。
录声程序设置如表2所示。
原始信号样本由于在录声过程中只有一部分
表 1 拾声器参数及录音程序环境 是敲击声音信号部分，因此需要对信号进行截取，从
Table 1 Parameter of pickup and the en- 而减少后续信号处理的计算量，本文采用双门限端
vironment of recording program 点检测对该部分信号进行截取。而声波信号采集过
程中会混入环境噪声，这会对端点截取的准确性带
软硬件平台 型号参数
来影响，故端点检测之前需要对信号进行去噪处理，
操作系统 Windows 10 64 位系统
本文采用小波分解自适应阈值法对原始信号样本
内存 8 G
进行去噪。对原始信号样本经过去噪、端点检测后
声卡 瑞显 High Definition Audio
的预处理结果示例如图4(a)、图4(b)所示。

表 2 录声程序设置 2.2 声波信号采集与预处理
Table 2 Setting of recording program 对陶瓷制品敲击声波信号进行预处理后，采用
MODWPT 将信号分解为 4 层，用于分解的小波基
参数名称 数值
函数为coif4，从而得到第 4层的16个MODWPT分
录声时间 4 s
解子信号。为选取适用于提取时频分段能量熵特
声音通道个数 1
征的子信号，随机选取了100个子信号(敲击缺陷陶
录声位数 16
瓷制品的信号和敲击无缺陷陶瓷制品的信号各 50
采样频率 44.1 kHz
个)，对每个子信号绘制敲击无缺陷陶瓷制品的声波
被试陶瓷制品样本为日用陶瓷制品，包括杯 信号与敲击缺陷陶瓷制品的声波信号的逐个子信
子、碟、碗 3 种 (杯子、碟、碗均包含多种尺寸、形 号叠加能量占比曲线，如图5(a)、图5(b)所示。