Способ обработки сигналов акустической эмиссии генерируемых дисперсных систем

 

Изобретение относится к области оперативного косвенного структурного анализа дисперсных систем. Способ обработки сигналов акустической эмиссии генерируемых дисперсных систем заключается в распознании элементов исследуемой дисперсной системы по дискретному спектру Фурье, при этом обработку сигналов осуществляют выделением из общего дискретного спектра Фурье его модальных гармоник, на основании анализа частот которых определяют частоты значимых основных гармоник и сопутствующих им тембровых гармоник, по которым из общего дискретного спектра Фурье формируют подспектры, каждый из которых соответствует определенному элементу исследуемой дисперсной системы и состоит из основной и соответствующих ей тембровых гармоник. Количественный состав каждого выявленного элемента определяют по отношению мощности полученного для данного элемента подспектра к мощности общего дискретного спектра Фурье с использованием данных, полученных для эталонной смеси с известным процентным содержанием данного элемента. Данное изобретение направлено на повышение точности и надежности обработки акустического сигнала генерируемых систем при упрощении процедуры определения элементного состава анализируемой системы. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области оперативного косвенного, структурного анализа дисперсных систем, а именно к способам обработки сигналов акустической эмиссии генерируемыми системами, с целью определения элементного состава и количественного содержания каждого элемента в системе.

Изобретение может быть использовано при диагностике экологичности объектов окружающей среды, т.е. их соответствия санитарным нормам количественного содержания вредных примесей. Оно также может применяться при анализе аэрозольных, гидрозольных и других дисперсных систем, используемых в промышленных технологиях (например, строительных, перерабатывающих, угледобывающих и других отраслях).

Известный способ обработки сигналов акустической эмиссии [патент США 5121629, кл. 73/61. Ч.1. Опубл. 1992] заключается в том, что сравнивают зарегистрированные спектры сигналов с типовыми спектрами, хранящихся в памяти прибора или ЭВМ, и получают сведения о параметрах контролируемых систем.

Существенными недостатками способа являются сложность реализации и обработки результатов измерения. Известно, что зондирование калиброванными ультразвуковыми сигналами требует громадного набора эталонных распределений по составам.

Известен пьезоэлектрический способ определения дисперсного состава аэрозоля [Малыгин Н. А. и др. Труды Ленинградского СНиЛ приборостроения. 1974. Вып. 86. С.51-52], которым осуществляют измерение счетной концентрации частиц системы путем суммирования электрических импульсов.

Недостатки способа - сложность реализации, что влияет на точность и надежность результатов измерений, непрерывного слежения и дешифровку сигнала. Так, для реализации способа и дешифровки сигнала при вычислении требуется огромное количество безразмерных характеристик, зависящих от параметров аэрозоля, и характеристик сквозного канала измерительной системы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки сигналов датчиков ударных импульсов твердых частиц аэрозольного потока [патент 2097738 C1, кл. G 01 N 15/02. Бюл. 33. Опубл. 1992], принятый за прототип, включающий обработку акустического сигнала путем разложения в спектр Фурье, определение твердой фазы аэрозоля производят по отношению суммы пиков гребенок тембровых гармоник и учетом амплитудно-частотных характеристик всего измерительного тракта.

Недостаток способа - вероятность сбоя при распознавании и выполнении итерационных процессов по выявлению нескольких элементов, содержащихся в анализируемой системе.

Задача изобретения - повышение точности и надежности обработки акустического сигнала генерируемых систем, простота реализации определения элементного состава анализируемой системы и количественного содержания в ней каждого элемента.

Поставленная задача достигается тем, что анализируется образование акустических сигналов, возникающих в виде последовательности цугов акустических волн в результате ударно-импульсного взаимодействия твердых частиц "гидрозольного" потока и чувствительных элементов пьезоэлектрических преобразователей - датчиков, прикрепленных с внешней стороны трубопровода с движущимся гидрозольным потоком. Далее акустический сигнал преобразуется контактным пьезоэлектрическим преобразователем - датчиком - в электрический сигнал, усиливается избирательным усилителем и подвергается обработке электронной аппаратурой (АЦП), а после дискретизации по времени и по уровню заносится в память ЭВМ для обработки быстрым дискретным преобразованием Фурье (БДПФ).

На чертеже(а) изображен дискретный спектр опытной системы 1 (С-1), выраженный в частотах, Hz и амплитудах, mV.

На чертеже(б) изображен подспектр фракции Е из С-1, состоящий из основной гармоники с частотой 37 Hz и шести тембровых гармоник с соответствующими частотами и амплитудами.

В анализируемой дисперсной системе в результате излучения твердой фазой гидрозоля с отдачей датчику части кинетической энергии генерируется сигнал акустической эмиссии, который преобразуют в дискретный спектр Фурье (чертеж(а)). Из общего дискретного спектра, состоящего из множества основных, модальных и тембровых гармоник, выделяют подспектры значимых основных гармоник, соответствующие определенным отдельным дисперсным интервалам (чертеж(б)), при этом используют последовательность модальных гармоник g_{mod j} = (f_{mod j}, a_{mod j}), j = 1, 2, 3, ... m, где m - количество непересекающихся подспектров, принадлежащих отдельным элементам; f_{mod j} u a_{mod j} - соответственно частота и амплитуда модальной гармоники j-го подспектра.

По известным частотам модальных гармоник определяют частоты основных (образующих) гармоник подспектров v_j∈ R, где R - множество простых чисел; k_j - номер модальной гармоники j-го подспектра.

Таким образом, выделение основной гармоники, ее модальной и тембровых формирует подспектр. По частоте основной гармоники определяют j-й элемент дисперсной системы. Процентное содержание j-го элемента в анализируемой системе определяется по формуле где N_j - количество значимых (отличных от шумовых) гармоник в j-м подспектре, a_ij - амплитуда i-й гармоники j-м подспектре. Коэффициент F_j определяется при исследовании эталонной смеси с известным процентным содержанием j-го элемента: где известное содержание элемента в эталонной смеси.

Существенным признаком предлагаемого способа обработки сигналов акустической эмиссии (а.э.) является то, что осуществляется выделение модальных и их основных гармоник из спектра, по которым формируют пакеты элементных подспектров, состоящих из основных и тембровых гармоник. Процентное содержание каждого выявленного элемента гидрозольного потока определяют по отношению суммы амплитуд его подспектра к сумме амплитуд всего общего дискретного спектра Фурье. Это позволяет повысить надежность и точность способа при анализе дисперсных систем по многим элементам одновременно.

Выделение и использование подспектров на основе анализа модальных гармоник при определении элементного состава дисперсных систем и оценке количественного содержания элементов в исследуемых системе является не только новым, но и обеспечивает способу повышенную разрешающую способность.

Проверка работоспособности предлагаемого способа обработки сигнала акустической эмиссии осуществлялась по фонограммам анализируемых дисперсных систем. Так сигнал акустической эмиссии одной из систем, записанный на фонограмме и преобразованный в дискретный спектр Фурье, представлен на чертеже(а). По модальным гармоникам этого спектра были определены основные и принадлежащие им тембровые, образующие свои подспектры. Например, по модальной гармонике частотой f_j=74 Hz определена основная с f_oj=37 Hz, которая соответствует эталонной (f_E ^э=37 Hz) элемента Е, т.е. f_oE=f_E ^э=37 Hz.

Подспектр этого фракционного интервала из основной и 6-ти тембровых гармоник изображен на чертеже(б). Аналогичным образом были расшифрованы фракции А, В, С и Д. Процентное содержание их определены по предложенному алгоритму и приведены в таблице.

Формула изобретения

Способ обработки сигналов акустической эмиссии генерируемых дисперсных систем, заключающийся в распознании элементов исследуемой дисперсной системы по дискретному спектру Фурье, отличающийся тем, что обработку сигналов осуществляют выделением из общего дискретного спектра Фурье его модальных гармоник, на основании анализа частот которых определяют частоты значимых основных гармоник и сопутствующих им тембровых гармоник, по которым из общего дискретного спектра Фурье формируют подспектры, каждый из которых соответствует определенному элементу исследуемой дисперсной системы и состоит из основной и соответствующих ей тембровых гармоник, а количественный состав каждого выявленного элемента определяют по отношению мощности полученного для данного элемента подспектра к мощности общего дискретного спектра Фурье с использованием данных, полученных для эталонной смеси с известным процентным содержанием данного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2