【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的聲音信號(hào)進(jìn)行頻域分析，并設(shè)計(jì)了聲音信號(hào)的 A 算法，用于識(shí)別焊接過(guò)程中熔池的穿孔狀態(tài)，為等離子弧焊接熔透質(zhì)量的監(jiān)測(cè)提供了前提條件。上海交通大學(xué)的鐘振茂等人對(duì)多信號(hào)聲源實(shí)現(xiàn)了盲分離，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中某臺(tái)設(shè)備進(jìn)行診斷 的目的。 6 小結(jié) 本文對(duì)模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了研究和探討，具體介紹了聲音模式識(shí)別的研究方法和研究步驟，主要包括了聲音識(shí)別的基本概念，聲音信號(hào)處理的方法和過(guò)程，以及特征提取的方法。并以模擬煙道為例對(duì)聲音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究 ,從模擬煙道中提取聲音信號(hào) ,應(yīng)用 Origin 軟件進(jìn)行 FFT 變換識(shí)別出電機(jī)運(yùn)行狀況。 論文第一章主要介紹了模式識(shí)別技術(shù)特別是聲音信號(hào)模式識(shí)別技術(shù)的歷史，現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；第二章主要介紹了一些簡(jiǎn)單的信號(hào)處理方法和信號(hào)辨識(shí)方法；第三章介紹了實(shí)驗(yàn)所需各個(gè)功能模塊；第四章是信號(hào)的提取及處理；第五章是對(duì)此次 畢業(yè)設(shè)計(jì)的總結(jié)。 7 2 信號(hào)識(shí)別的基本步驟和方法 對(duì)采集到的煙道聲音信號(hào)必須進(jìn)行處理后才能突出、提取其中有用信息，進(jìn)而找出能反映風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的本質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行識(shí)別。本章主要介紹了一些最基本的信號(hào)處理步驟和方法。 圖 所示是一個(gè)模式識(shí)別系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖，它由預(yù)處理、特征或模式基元的抽取和選擇以及識(shí)別三大部分組成。 圖 . 模式識(shí)別系統(tǒng)框圖 預(yù)處理 模式識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，其信息形式多種多樣，而現(xiàn)代的模式識(shí)別是建立在使用計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)之上，所以首先應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即將不同形式 的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再用模 /數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，將模擬信號(hào)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。除此以外，為了提高識(shí)別的精度，通常還需根據(jù)具體情況對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，如濾波、坐標(biāo)變換等，以減少外界干擾和噪聲的影響，以便更好地提取模式識(shí)別所需的特征。 特征或模式基元的選擇 對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，需根據(jù)將要采用的識(shí)別方法的要求，從預(yù)處理后的信號(hào)中提取出能代表模式的特征和基元。特征的提取是識(shí)別的關(guān)鍵，對(duì)特征和基元的要求是能夠足夠代表這個(gè)模式，且要求數(shù)量盡量少，這樣才能有效地進(jìn)行分類(lèi)和描述。 時(shí)域分析 （ 1） 時(shí)域 波形 聲音是一維信號(hào)研究的重要對(duì)象，其時(shí)域波形具有直觀、易于理解和包含的信息量大等特點(diǎn)，圖 — 分別是模擬油煙機(jī) 0檔（關(guān)閉）、 1檔（弱風(fēng)）和 8 2檔（強(qiáng)風(fēng)）的時(shí)域波形圖。從圖中并不能看出明顯的特征，所以需對(duì)信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。 圖 . 0 檔波形圖 圖 . 1 檔波形圖 圖 . 2 檔波形圖 9 （ 2） 幅值分析 幅值分析是在信號(hào)的幅值上進(jìn)行各種處理，即對(duì)信號(hào)的時(shí)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，主要指標(biāo)有均值 X ,均方根值 X 和方差 2? 。 ???Ni ixNX 11 ................................()均值反映了隨機(jī)過(guò)程中穩(wěn)定分量的大小。 ???Ni ixNX 121 .................................()均方根值反映信號(hào)能量的大小。 ?? ???Ni i XxN 122 )(11? ................................()方差表示數(shù)據(jù)的分散程度。 （ 3） 相關(guān)函數(shù) 由概率統(tǒng)計(jì)學(xué)可知，兩個(gè) 隨機(jī)變量 x, y 之間的相關(guān)性可用相關(guān)系數(shù)來(lái)描述。相關(guān)性是從概率分布的角度反映兩隨機(jī)變量之間的依賴(lài)關(guān)系。信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)為： ????? ?? mNn NNx mnxnxNmR10 )()(1)( ..............................() 在實(shí)際工作中，自相關(guān)函數(shù)可以應(yīng)用在以下方面：根據(jù)自相關(guān)圖形的形狀來(lái)判別原始信號(hào)的性質(zhì)；用于檢測(cè)隨機(jī)噪聲中的確定性信號(hào)；可以建立 )(tx 任何時(shí)刻值對(duì)未來(lái)時(shí)刻的影響；自相關(guān)函數(shù)在工程中常用于故障診斷。 頻域分析 頻域 (frequency domain )是描述 信號(hào) 在頻率方面特性時(shí)用到的一種坐標(biāo)系。對(duì)任何一個(gè)事物的描述都需要從多個(gè)方面進(jìn)行，每一方面的描述僅為我們認(rèn)識(shí)這個(gè)事物提供部分的信息。例如，眼前有一輛汽車(chē)，我可以這樣描述它方面 1：顏色，長(zhǎng)度，高度。方面 2：排量，品牌，價(jià)格。而對(duì)于一個(gè)信號(hào)來(lái)說(shuō)，它也有很多方面的特性。如信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的 變化規(guī)律（時(shí)域特性），信號(hào)是由哪些單一 10 頻率的信號(hào)合成的（頻域特性）。 把時(shí)域信號(hào)通過(guò)數(shù)學(xué)方法，以頻率為自變量表達(dá)，稱(chēng)其為信號(hào)的頻域描述。溝通信號(hào)時(shí)域和頻域的工具是傅里葉變換。對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲得頻譜的過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的頻譜分析。 FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這就是很多信號(hào)分析采用 FFT變換的原因。另外， FFT可以將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常用的。這也是本文研究中用到的重要 方法。 識(shí)別方法 傳統(tǒng)的識(shí)別方法 (1) 決策論方法： 它是從代表某種模式的信號(hào)中選出能夠代表它的若干特征，則每個(gè)模式就用這些特征組成的維數(shù)等于特征個(gè)數(shù)的向量來(lái)代表，每一個(gè)模式就在這 n維特征空間中占有一個(gè)位置，把待分類(lèi)的模式，根據(jù)它的特征向量位于特征空間中哪一區(qū)域就判定它屬于哪一類(lèi)模式。 (2) 結(jié)構(gòu)方法： 該方法立足于分析模式的結(jié)構(gòu)信息。模式由一些模式基元按一定的結(jié)構(gòu)規(guī)則組合而成，分析模式如何由基元構(gòu)成的規(guī)則就是結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容。這兩種識(shí)別方法是并行不悖的，可以互相補(bǔ)充。 現(xiàn) 代的識(shí)別方法 近年來(lái)，一些新知識(shí)新理論發(fā)展并應(yīng)用于模式識(shí)別中，也取得了較多的成果。將模式識(shí)別與專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，研究出了基于知識(shí)的模式識(shí)別方法。此外，隨著近年來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深入研究，它在模式識(shí)別中的應(yīng)用越來(lái)越多，如前面提到的機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，其實(shí)質(zhì)就是模式識(shí)別和分類(lèi)問(wèn)題，其中很多就是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類(lèi)器來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了一些基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷系統(tǒng)，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有知識(shí)表達(dá)，推理及很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，所以在故障診斷領(lǐng)域顯示了極大的應(yīng)用潛力。 本研究將煙道聲音信號(hào)快速傅里葉變換后 ，能粗略提取出聲音信號(hào)特征。通過(guò)建立模板，將所測(cè)得的信號(hào)特征值與之比對(duì)能識(shí)別出電機(jī)運(yùn)行狀況。 11 3 聲音信號(hào)采集、處理系統(tǒng) 準(zhǔn)確、可靠的信息是得出正確結(jié)論的前提，本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬煙道并針對(duì)聲音信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了信號(hào)采集處理模塊， 硬件連接框圖如圖 ： 圖 . 硬件連接框圖 模擬煙道 煙道支路煙 道 主 干 道氣 流 圖 . 模擬煙道側(cè)視圖 拾音器 聲音 傳感器 濾波 放大器 上位機(jī) 示波器 模擬煙道 12 為了測(cè)試煙道聲音數(shù)據(jù)，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)便的模擬煙道，如圖 。它真實(shí)地模擬了現(xiàn)實(shí)生活中商品房的煙道結(jié)構(gòu)：各住戶(hù)煙窗支路和一條煙道主干道連接。這個(gè)模擬煙道模擬了一戶(hù)家庭。 拾音器 亥姆霍茲共鳴器 一種常有的看法認(rèn)為：聲場(chǎng)中振動(dòng)著的物體，尤其是薄板和一些腔體，在共振時(shí)會(huì)“放大”聲音。這是一種誤解，是把機(jī)械力激發(fā)物體振動(dòng)（如樂(lè)器）向空氣輻射聲能時(shí)的共鳴現(xiàn)象和空氣中聲波激發(fā)物體振動(dòng)時(shí)的共振現(xiàn)象混混肴了。即使前者振動(dòng)物體也不是真正的放大了聲音，而是提高可輻射聲能的效率，使機(jī)械激發(fā)力做工更有效的轉(zhuǎn)化成聲能。這其實(shí)是運(yùn)用了一個(gè)亥姆霍茲共鳴器的原因。 亥姆霍茲（ HvonHaimuhuozi），是德國(guó) 19 世紀(jì)偉大的物理學(xué)家和生理學(xué)家 ，我們大學(xué)所學(xué)的力學(xué)三大基本守恒定律之首的“能量守恒定律”就是他最大的科學(xué)成就。而亥姆霍茲共振原理，則是亥姆霍茲在聲學(xué)領(lǐng)域的著名成就之一。 首先，建立一個(gè)由理想剛體構(gòu)成的密閉空腔，如圖 所示，這個(gè)空腔就叫做“亥姆霍茲共振腔”，在空腔的表面開(kāi)一個(gè)面積相對(duì)于空腔表面積很小的孔，在孔上插入一根空心剛體管道，組成的結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為“亥姆霍茲共鳴器”。 dtV 圖 . 亥姆霍茲共振腔 圖 . 類(lèi)比系統(tǒng) 13 對(duì)于一個(gè)亥姆霍茲共鳴器而言，當(dāng)其內(nèi)部空氣受 到外界波動(dòng)的強(qiáng)制壓縮時(shí)（無(wú)論強(qiáng)制力施加于空腔內(nèi)的空氣還是管道內(nèi)的空氣，施加的外力是來(lái)自聲波還是腔體振動(dòng)），管道內(nèi)的空氣會(huì)發(fā)生振動(dòng)性的運(yùn)動(dòng)，而空腔內(nèi)的空氣對(duì)之產(chǎn)生恢復(fù)力（換句話說(shuō)，共振腔內(nèi)的空氣是一個(gè)“空氣彈簧”）。在聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于共鳴器幾何尺度的情形下，可以認(rèn)為共鳴器內(nèi)空氣振動(dòng)的動(dòng)能集中于管道內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能僅與腔體內(nèi)空氣的彈性形變有關(guān)。這樣，這個(gè)共鳴器是由管道內(nèi)空氣有效質(zhì)量和腔體內(nèi)空氣彈性組成的一維振動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)類(lèi)似圖 振子。圖 為共振腔示意圖。當(dāng)孔的深度 t 和孔徑 d 比聲波波長(zhǎng)小得多 時(shí)孔徑中的空氣柱的彈性變形很小，可以作為質(zhì)量塊來(lái)處理。因而對(duì)施加作用的波動(dòng)有共振現(xiàn)象，其固有頻率是： )(20 ?? ?? tV scf Hz ...............................（ ） 式中 c— 聲速，一般取 34000 scm/ S— 頸口面 積， 2cm ； V— 空腔容積， 3cm ； t— 孔徑深度， cm ； δ— 開(kāi)口末端修正量， cm 。因?yàn)轭i部空氣柱兩端附近的空氣也參加振動(dòng)，所以要對(duì) t加以修正。對(duì)于直徑為 d的圓孔， δ=。 在強(qiáng)度為一定的振動(dòng)作用下 ,在這個(gè)頻率時(shí)，管道內(nèi)空氣的振動(dòng)速度達(dá)到最大，這就是所謂的“亥姆霍茲共振原理”。 亥姆霍茲共鳴器是一種高效率的聲能轉(zhuǎn)換裝置，它既可以在內(nèi)部設(shè)計(jì)吸音材料，成為“共振吸音結(jié)構(gòu)”，在管口處具有相當(dāng)強(qiáng)大的消耗接近 0f 頻率的外界聲波的吸音能力，或者，也可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部空氣，將微小的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度很高的聲波從管口傳輸出去。 由于這是一種不需要任何獨(dú)立能源，完全依靠外界振動(dòng)激發(fā)的高效率聲能轉(zhuǎn)化 裝置，所以亥姆霍茲共鳴器的應(yīng)用范圍很廣，作為吸聲裝置，其最典型的應(yīng)用就是音樂(lè)廳、電影院吸音墻的微結(jié)構(gòu)，而作為擴(kuò)聲裝置，其最典型的應(yīng)用就是各種樂(lè)器的共鳴箱。 拾音器 為了更好地采集到微弱的煙道聲音信號(hào)，本課題根據(jù)亥姆霍茲共振原理設(shè)計(jì)了一個(gè)拾音器。它起到兩個(gè)作用：提高可輻射聲能的效率和防止煙塵進(jìn)入傳感器。根據(jù)公式 及初步測(cè)出的煙道聲音信號(hào)主頻（ 500Hz），亥姆霍茲共振腔可設(shè)計(jì)為下圖尺寸 ,其材質(zhì)采用剛性比較好的金屬。這個(gè)亥姆霍茲共振腔主要對(duì) 500Hz 14 左右的信號(hào)進(jìn)行“放大”。 兩個(gè)圖的單位是什么 ？ 7 01 051 50 . 2 73 728523 圖 . 拾音器側(cè)視圖 43010 圖 . 拾音器俯視圖 傳感器 MEMS 簡(jiǎn)介 和百度百科上文章雷同，要用自己的語(yǔ)言或者注明出處 MEMS 是 微機(jī)電系統(tǒng) （ MicroElectroMechanical Systems）的英文縮寫(xiě)。 MEMS是 美國(guó) 的叫法，在 日本 被稱(chēng)為微機(jī)械，在 歐洲 被稱(chēng)為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。 MEMS 是隨著 半導(dǎo)體集成電路 微細(xì)加工技術(shù)和超 精密機(jī)械加工 技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，目前 MEMS 加工技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室技術(shù)流程 15 的芯片集成化。 MEMS 由硅片采用光刻和各向異性刻蝕工藝制造而成，具有尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)以及易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS 技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用 MEMS 技術(shù)制作的微傳感器、微 執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空 微電子 器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 MEMS 技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近 20 年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類(lèi)帶來(lái)的巨大變化一樣，MEMS 也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS 市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為 壓力傳感器 、加速度計(jì)、微 陀螺儀 、墨水噴咀和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來(lái) 5 年 MEMS 器件的銷(xiāo)售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，年平均增加率約為 18%，因此對(duì)對(duì) 機(jī)械電子工程 、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 MEMS 是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過(guò)一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類(lèi)似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采