專利名稱：聲波透射法首波的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于使用聲波儀進(jìn)行聲波透射法測(cè)試巖土介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)技術(shù)中聲波首波的檢測(cè) 方法，應(yīng)用于使用聲波儀檢測(cè)巖土介質(zhì)的聲波波速和使用聲波儀檢測(cè)灌注基樁的樁身完整 性。
背景技術(shù)：
使用聲波儀進(jìn)行聲波透射法檢測(cè)巖土介質(zhì)的聲波波速和聲波首波幅度，是一種應(yīng)用及其 廣泛的技術(shù)。例如檢測(cè)基樁樁身介質(zhì)聲波波速和聲波首波幅度用于判定基樁的完整性，參見 《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(JGJ106 2003)》。
基本方法是聲波儀的發(fā)射傳感器和接受傳感器分別放置于被測(cè)巖土介質(zhì)的不同部位， 發(fā)射傳感器和接受傳感器之間的間距己知，發(fā)射傳感器發(fā)射一組聲波，該組聲波經(jīng)過巖土介 質(zhì)從發(fā)射傳感器位置傳播到接受傳感器位置，接受傳感器接收這組聲波。該組聲波波形的典 型形態(tài)是一組的振蕩波形，且振蕩波形起始段由多個(gè)半波組成，定義一個(gè)半波內(nèi)的最大幅度 為半波幅度，振蕩波形起始段半波幅度逐漸增大，第一個(gè)半波稱為首波，第一個(gè)半波的半波 幅度稱為首波幅度。首波幅度通常遠(yuǎn)小于該組聲波中的最大半波幅度。
根據(jù)接受傳感器接收到的聲波波形，(l)可以得到聲波的首波聲時(shí)，即聲波波形中第一個(gè) 半波的起始時(shí)間，(2)可以得到聲波的首波聲幅，即聲波波形中第一個(gè)半波的最大幅度。結(jié)合 發(fā)射傳感器和接受傳感器之間的距離，根據(jù)首波聲時(shí)可以計(jì)算出兩傳感器之間巖土介質(zhì)的聲 波波速，根據(jù)首波聲幅可以計(jì)算出兩傳感器之間巖土介質(zhì)的衰減性質(zhì)。
確定聲波的首波聲時(shí)和首波聲幅，其前提是檢測(cè)出首波，即識(shí)別出聲波波形中第一個(gè)半 波。在實(shí)際檢測(cè)環(huán)境中，存在著各種干擾，接收到的聲波波形不可避免的疊加有噪聲，有時(shí) 發(fā)射傳感器和接受傳感器之間的距離較遠(yuǎn)，接受到的聲波波形衰減嚴(yán)重，哪一個(gè)半波是首波 不易判定。應(yīng)用中迫切需要準(zhǔn)確可靠的首波檢測(cè)方法。
實(shí)際檢測(cè)中，測(cè)點(diǎn)數(shù)量往往很大，例如根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(JGJ106 2003)》 的規(guī)定，對(duì)直徑大于2米的樁，應(yīng)設(shè)置4根聲測(cè)管，形成6個(gè)檢測(cè)剖面，測(cè)點(diǎn)移距0.2米， 如樁長(zhǎng)100米，每個(gè)剖面的測(cè)點(diǎn)數(shù)量為500個(gè)， 一根樁總計(jì)3000個(gè)測(cè)點(diǎn)， 一個(gè)工地有時(shí)有 數(shù)百上千根樁需要檢測(cè)。應(yīng)用中迫切需要一種易于實(shí)現(xiàn)且高效率的首波檢測(cè)方法。
早期確定首波的方法是根據(jù)顯示在聲波儀屏幕上的聲波波形，由檢測(cè)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人 工判定首波，而后手動(dòng)移動(dòng)光標(biāo)讀取的首波聲時(shí)和首波聲幅，這種方法的缺點(diǎn)是效率極低， 且在聲波波形較差時(shí)，人為的差異很大。
目前數(shù)字聲波儀通常有自動(dòng)檢測(cè)首波的功能，檢測(cè)方法是設(shè)置幅值閾值A(chǔ)，對(duì)采樣得 到的N個(gè)聲波波形的數(shù)據(jù)，逐個(gè)與閾值A(chǔ)比較，首個(gè)超出A， -A范圍的數(shù)據(jù)所在的半波被認(rèn) 定為首波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)。但是這種方法有以 下兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)(1) 計(jì)算結(jié)果的正確性依賴于閾值A(chǔ)的設(shè)置。實(shí)際檢測(cè)中聲波波形的幅度與介質(zhì)質(zhì)量有 關(guān)，且非常敏感，變化范圍很大，特別是在介質(zhì)有缺陷時(shí)，聲波波形的幅度往往成倍減小。 如果設(shè)置的閾值A(chǔ)過大，在聲波波形幅度較小時(shí)，真正的首波幅度會(huì)小于閾值A(chǔ)，其后幅度 更大的半波才會(huì)超過閾值A(chǔ)，被判定為首波，造成誤判。
(2) 抗干擾能力較差。實(shí)際檢測(cè)中聲波波形的信噪比與介質(zhì)質(zhì)量有關(guān)，與聲波傳播距離有 關(guān)，并且檢測(cè)過程中常常有各種干擾。如果設(shè)置的閾值A(chǔ)過小，在聲波波形信噪比較低時(shí)， 噪聲可能會(huì)超過閾值A(chǔ)，被判定為首波，造成誤判。
誤判可能帶來極其嚴(yán)重的后果，因此需要頻繁地人工手動(dòng)調(diào)整閾值A(chǔ)，造成效率的大大 下降。
事實(shí)上，根據(jù)聲波波形判定首波，依據(jù)的應(yīng)該是波形的曲線特征，聲波波形的幅度按比 例放大或縮小并不導(dǎo)致首波識(shí)別的變化，現(xiàn)行的設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的首波計(jì)算方法實(shí)質(zhì)是僅考 慮幅值信息，顯然是不適當(dāng)?shù)?。波形的曲線特征與聲波的頻率特性相關(guān)性更強(qiáng)，因此有必要 舍棄幅值閾值A(chǔ)，設(shè)計(jì)一種依據(jù)聲波發(fā)射與接收傳感器頻率的首波檢測(cè)方法，因?yàn)樵跈z測(cè)過 程中，發(fā)射與接收傳感器是不變的；并且這種方法應(yīng)該并不過分依賴傳感器的頻率值，因?yàn)?傳播過程中聲波的頻率成分也是會(huì)變化的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目地是提供一種進(jìn)行聲波透射法首波的檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法檢測(cè)首波時(shí)抗干 擾能力強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果對(duì)初始設(shè)置參數(shù)的依賴度不高，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，算法簡(jiǎn)單，易于在 資源較少的數(shù)字聲波儀上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在實(shí)際應(yīng)用中可以大大提高檢測(cè)效率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施
確定發(fā)射傳感器的諧振頻率，確定聲波儀記錄聲波波形的時(shí)間區(qū)間；根據(jù)發(fā)射傳感器的 諧振頻率確定前段時(shí)間區(qū)間的寬度和后段時(shí)間區(qū)間的寬度;計(jì)算聲波波形每一時(shí)刻的前段時(shí) 間區(qū)間內(nèi)的平均絕對(duì)值，記錄前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值的最小值；計(jì)算聲波波形每一時(shí)刻的 后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值，記錄后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值的最大值；計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅 度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；計(jì)算等效信噪比；按照特征幅度比的 最大值與等效信噪比的數(shù)值關(guān)系，判定首波是否存在；在判定首波存在的情況下，最大值對(duì) 應(yīng)的數(shù)據(jù)所在的半波就是檢測(cè)得到的首波；在判定首波不存在的情況下，提示聲波波形信噪 比差，不能檢測(cè)出首波。根據(jù)聲波傳感器諧振頻率確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬 度以某時(shí)刻為終止時(shí)刻的時(shí)間區(qū)間稱為該時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間，前段時(shí)間區(qū)間寬度取值為 聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)的諧振周期的0. 67倍和2. 0倍之間；以某時(shí)刻為起始時(shí)刻的 時(shí)間區(qū)間稱為該時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間，后段時(shí)間區(qū)間寬度取值為聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì) 應(yīng)的諧振周期的1. 0倍和3. 0倍之間；前段時(shí)間區(qū)間寬度應(yīng)小于或等于后段時(shí)間區(qū)間寬度。
計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值。計(jì)算每一時(shí)刻 的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值,記錄此平均絕對(duì)值的最大值。計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比， 記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。某時(shí)刻的特征幅度比等于該時(shí)刻的后段時(shí)間 區(qū)間上的平均絕對(duì)值除以該時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值。計(jì)算等效信噪比。等效信 噪比等于后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值的最大值除以前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值的最小值。根據(jù)特
征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否有效:特征幅度比的最大值和等效 信噪比的數(shù)值均滿足表1的條件時(shí)，判定首波存在，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所在的 半波就是檢測(cè)得到的首波；特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值不滿足表1的條件時(shí)， 判定首波不存在，不能檢測(cè)出首波。
本發(fā)明的有益效果是檢測(cè)首波時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中可以大大降低誤判率，有不可估量的社會(huì)效益；檢測(cè)結(jié)果對(duì)設(shè)置的傳感器諧振頻率值依賴度不高，通常實(shí)際傳播的 聲波頻率與傳感器諧振頻率值偏差達(dá)到40%時(shí)，檢測(cè)結(jié)果仍然穩(wěn)定可靠；算法簡(jiǎn)單(對(duì)于數(shù) 字化的聲波儀，聲波波形被離散化為V(i),hO，l…N-l,共計(jì)N個(gè)數(shù)據(jù)，按遞推算法計(jì)算 A即—Tl(i)或Amp一T2(i)，計(jì)算量約為N次求絕對(duì)值，N次加法，N次減法；計(jì)算特征幅度比 Ra卿(i)，計(jì)算量約為N次除法)，易于在資源較少的數(shù)字聲波儀上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在實(shí)際應(yīng)用 中可以大大提高檢測(cè)效率，有極大的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1首波檢測(cè)方法流程框圖
圖2 t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間與t時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間的示意圖
t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間是區(qū)間[tl,t]，前段時(shí)間區(qū)間寬度Tl=t-tl。 t時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間是區(qū)間[t,t2]，后段時(shí)間區(qū)間寬度T2=t2-t。
圖3第i個(gè)數(shù)據(jù)的前段時(shí)間區(qū)間與第i個(gè)數(shù)據(jù)的后段時(shí)間區(qū)間的示意圖
第i個(gè)數(shù)據(jù)的前段時(shí)間區(qū)間是區(qū)間[i-(Nl-1)， i]，前段時(shí)間區(qū)間寬度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn) 數(shù)為Nl個(gè)。
第i個(gè)數(shù)據(jù)的后段時(shí)間區(qū)間是區(qū)間[i, i+(N2-l)]，后段時(shí)間區(qū)間寬度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn) 數(shù)為N2個(gè)。
圖4聲波信號(hào)為數(shù)字信號(hào)時(shí)技術(shù)方案的首波檢測(cè)方法流程框圖
圖4與圖1的差別在于對(duì)于離散的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，聲波波形V(t)只在f = (i=0，l,…，N-1)時(shí)刻有數(shù)值，V(^A/)表達(dá)為V(i),時(shí)間值以數(shù)據(jù)序號(hào)i表示，
時(shí)間區(qū)間寬度T， Tl， T2表達(dá)為區(qū)段內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量N， Nl， N2。時(shí)間區(qū)間上的
積分表達(dá)為數(shù)據(jù)點(diǎn)的求和。 圖5具體實(shí)施方法實(shí)施例1
此例聲波波形首波幅度較小，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的方法易于誤判首波。使用本
發(fā)明的方法判定的首波是正確的。 圖6具體實(shí)施方法實(shí)施例2
此例聲波波形信噪比較差，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的方法易于誤判首波。使用本發(fā)
明的方法判定的首波是正確的。 圖7具體實(shí)施方法實(shí)施例3
此例聲波波形信噪比極差，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的方法不能檢測(cè)出首波。使用本
發(fā)明的方法判定的首波是正確的。 圖8具體實(shí)施方法實(shí)施例4
此例聲波波形為檢測(cè)中的噪聲信號(hào)。使用本發(fā)明的方法不能檢測(cè)出首波。 圖9具體實(shí)施方法實(shí)施例5
此例聲波波形為檢測(cè)中的典型波形。使用本發(fā)明的方法判定的首波是正確的。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
根據(jù)圖1可知， 一種首波檢測(cè)方法的步驟是
①確定發(fā)射傳感器的諧振頻率，確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間發(fā)射傳感器的 諧振頻率F為發(fā)射傳感器的標(biāo)稱頻率；聲波儀記錄的聲波波形V(t)的時(shí)間區(qū)間寬度T。對(duì)于 數(shù)字信號(hào)，數(shù)字聲波儀采樣時(shí)間間隔Zt ，在T時(shí)段內(nèi)共采樣得到N個(gè)聲波采樣數(shù)據(jù)V(i),[i=0， 1,…N-1]， N=T/Zlt。
②確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度以t時(shí)刻為終止時(shí)刻的時(shí)間區(qū)間[tl， t] 稱為t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間，以t時(shí)刻為起始時(shí)刻的時(shí)間區(qū)間[t， t2]稱為該時(shí)刻的后段時(shí)間 區(qū)間，見圖2。前段時(shí)間區(qū)間寬度T1取值為聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)的諧振周期的al 倍，見式(1)， "1取值區(qū)間
, t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間為[t-Tl,t];后段時(shí)間區(qū) 間寬度T2取值為聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)的諧振周期的a2倍，見式(2)， "2取值區(qū) 間[l.O， 3.0]， t時(shí)刻的段后時(shí)間區(qū)間為[t,t+T2];限定al小于或等于a2,見式(3)。
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
cd《o;2 (3) 對(duì)于數(shù)字信號(hào)的第i個(gè)數(shù)據(jù)的前段時(shí)間區(qū)間與第i個(gè)數(shù)據(jù)的后段時(shí)間區(qū)間的示意圖見圖 3。前段時(shí)間區(qū)間寬度T1對(duì)應(yīng)N1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，Nl=Tl/zH，見式(4)。后段時(shí)間區(qū)間寬度T2 對(duì)應(yīng)N2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，N2= T2/」t，見式(5)。<formula>formula see original document page 6</formula>
③計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值計(jì)算每 一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間[t-Tl]上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Tl(t)，見式(3),求取A即—Tl(t)的最 小值A(chǔ)mpJTl—Min。
<formula>formula see original document page 6</formula>對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在i=Nl-1,…，(N-1)-(N2-l)區(qū)間，對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其前段 區(qū)間[i-(Nl-1), i]的Nl個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)即一Nl (i)，見式(10)。求取Amp—Nl (i) 的最小值A(chǔ)mp—Nl—Min
<formula>formula see original document page 6</formula> ( )
④計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值計(jì)算每 一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間[t，t+T2]上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—T2(t)，見式(4)，求取Amp—T2(t)的 最大值A(chǔ)mp一T2Jlax。
<formula>formula see original document page 6</formula> (8)
對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在i=Nl-1,， N-N2區(qū)間，對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i),取其后段區(qū)間 [i，i+(N2-1)]的N2個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)即—N2(i)，見式(11)。求取Amp—N2(i)的最大值A(chǔ)即一N2_Max
Amp_N2(i) = ^' (9)
⑤計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻某時(shí)刻
的特征幅度比Ra即(t)等于該時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值A(chǔ)tnp—T2(t)除以該時(shí)刻的 前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值A(chǔ)即一Tl(t)，見式(6)。求特征幅度比Ramp(t)的最大值 Ra即—Max ，及其fiamp一Max對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t—Ka即一Max 。
RamP(t) = Amp-T2(t) (1。 Amp—Tl(t)
對(duì)于數(shù)字信號(hào)，在i=Nl-1,， N-N2區(qū)間，計(jì)算特征幅度比R卿(i): A卿—N2(i)/ Amp—Nl(i)。見式(11)。求取Ra即(i)的最大值Ramp_Max和Ramp_Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i一Ramp一Max。
RamP(i)=Amp-N2(i) U" Amp—Nl(i)
⑥ 計(jì)算等效信噪比等效信噪比Rsn等于后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mpJT2(t)的最大值 Amp_T2—Max除以前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Tl (t)的最小值A(chǔ)mP_Tl—Min，見式(7)。
Amp T2 Max ,_、
Rsn =——~=- (12)
Amp—Tl_Min
對(duì)于數(shù)字信號(hào)，等效信噪比Rsn等于后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mp一N2(i)的最大值 Amp_N2_Max除以前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Nl (i)的最小值A(chǔ)mp—Nl一Min,見式(7)。
Amp N2 Max ,_、
Rsn =——^=~=- (13)
Amp—Nl—Min
⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在:特征幅度比的
最大值Ra即—Max和等效信噪比Rsn的數(shù)值滿足表1中任何一條判定首波存在，否則判定首 波不存在。
表l:01.Rsn2.1And尺amp—Max2.502.Rsn2.2AndRa即一Max2.003.Rsn2.3AndR柳p一Max1.8
04,Rsn>2.4And1 3即—Msx1.75
os-Rsn2.5AndR柳p一Max1.7
Rsn蕓2.6AndRamp一Max1.6507.Rsn2,7AndRamp一Max>1.608.Rsn2.8AndRajnp一Max1.5509.Rsn3.0AndRa即一Max1.510.Rsn4.0AndRamp一Max1.4511.Rsn26.0AndRarap—Msx5r1.413. Rsn ^ 8.0 And Ramp_Max ￡ 1.3514. Rsn ^ 10. 0 And Ramp一Max S 1. 315. Rsn ^ 15. 0 And Ramp—Max ^ 1, 2516. Rsn ^ 20. 0 And Ramp一Max ^ 1.2⑧ 判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波判定首波存 在時(shí)，特征幅度比的最大值Ramp—Max對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t—Ramp_MaX所在的半波就是檢測(cè)得到的首 波;對(duì)于數(shù)字信號(hào)，V(i_Ramp—Max)所在的半波就是檢測(cè)得到的首波。⑨ 判定首波不存在時(shí)，不能檢測(cè)出首波:在聲波波形信噪比極低或根本沒有聲波信號(hào)時(shí)， 不能檢測(cè)出首波。實(shí)施例2:以聲波透射法檢測(cè)某基樁完整性時(shí)采樣獲取的數(shù)字信號(hào)為例，此例聲波波形首波 幅度較小，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的方法易于誤判首波。以下按照?qǐng)D4的步驟實(shí)施 本發(fā)明的檢測(cè)方法① 確定發(fā)射傳感器主頻F，確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間T:聲波傳感器主頻F二30KHz，采樣時(shí)間間隔Jt:lus，采樣得到的N=512個(gè)聲波波形 數(shù)據(jù)，V(i) [i=0， 1，…511]，見圖5中V(i)曲線。② 確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度設(shè)定"1=1.0， 《2=2.0， al《a2。根據(jù)F:30KHz二30000Hz，采樣時(shí)間間隔」t=lus=0. OOOOOls，根據(jù)式(7) (8)計(jì)算 Nl=33， N2=67:△t;_ i11.0300001 一2.0—730000- 670.000001③ 計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值在[32， 445]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其前段區(qū)間[i-32, i]的33個(gè)數(shù)據(jù), 按式(7)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Nl(i),見圖5中A即—Nl(i)曲線。Amp—Nl(i) 的最小值A(chǔ)mp_Nl_Min=2. 18。。④ 計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值在[32， 445]區(qū)間對(duì)每一個(gè)釆樣數(shù)據(jù)V(i)，取其后段區(qū)間[i，i+66]的67個(gè)數(shù)據(jù)， 按式(9)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—N2(i)，見圖5中A即—N2(i)曲線。Amp—N2(i) 的最大值A(chǔ)mp_N2—Max=1164. 38。⑤ 計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻在[32， 445]區(qū)間，計(jì)算特征幅度比Ra即(i): Amp_N2(i)/ Amp—Nl(i)，見圖5中 Ramp(i)曲線。Ramp(i)的最大值Ramp—Max=81. 43, Ramp—Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i—Ramp_Max=89。⑥ 計(jì)算等效信噪比Rsn=Amp—N2—Ma/Amp—Nl—Min=533. 76。⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在特征幅度比Ramp (i)的最大值Ra即—Max=81. 43和等效信噪比Rsn=533. 76，滿足表1 第1行Rsn ^ 2. 1 And Ramp—Max ^ 2. 5的邏輯條件，判定首波存在。⑧ 判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波判定首波存在時(shí)，特征幅度比Ra即(i)的最大值Rampjlax對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)V(89)所在 的半波就是檢測(cè)得到的首波。，見圖5中貫穿4條曲線的垂直直線指示的位置。實(shí)施例3:以室內(nèi)采集的數(shù)字信號(hào)為例。此例聲波波形信噪比較差，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的 方法易于誤判首波。以下按照?qǐng)D4的步驟實(shí)施本發(fā)明的檢測(cè)方法① 確定發(fā)射傳感器主頻F，確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間T:聲波傳感器主頻F:50KHz，采樣時(shí)間間隔Jt:lus，采樣得到的N-512個(gè)聲波波形 數(shù)據(jù)，V(i) [i=0， 1, 511]，見圖6中V(i)曲線。② 確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度設(shè)定《;1=1.0， a2=2.0， al《a2。根據(jù)F二50KHz:50000Hz，采樣時(shí)間間隔」t:lus^. 000001s，根據(jù)式(7) (8)計(jì)算 Nl=20， N2=40:^ = ^.丄i《201 F Ah 50000 0.000001z F " 50000 0.000001③ 計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值在[19， 473]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其前段區(qū)間[i-19, i]的20個(gè)數(shù)據(jù), 按式(7)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)rap_Nl (i)，見圖6中Amp一Nl (i)曲線。Amp_Nl (i) 的最小值A(chǔ)mp_Nl—Min=3. 27。。④ 計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值在[19， 473]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其后段區(qū)間[i, i+39]的40個(gè)數(shù)據(jù)， 按式(9)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)即—N2(i)，見圖6中Arap_N2(i)曲線。Amp_N2(i) 的最大值A(chǔ)mp—N2—Max=21. 33。⑤ 計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻在[19， 473]區(qū)間，計(jì)算特征幅度比Ra即(i^ A即—N2(i)/ A即—Nl(i),見圖6中 Ramp (i)曲線。Ramp (i)的最大值Ramp—Max=2. 48, Ra即—Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i—Ramp—Max=305。⑥ 計(jì)算等效信噪比Rsn=Amp—N2—Ma/Amp—Nl—Min=6. 52。⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在特征幅度比Ramp (i)的最大值Ra即—Max二2. 48和等效信噪比Rsn=6. 52，滿足表1第 l行Rsn ^ 2.1 And Ramp_Max ^ 2. 5的邏輯條件，判定首波存在。⑧ 判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波判定首波存在時(shí)，特征幅度比Ra卿(i)的最大值RamP_Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)V(305)所在 的半波就是檢測(cè)得到的首波。，見圖6中貫穿4條曲線的垂直直線指示的位置。實(shí)施例4:以采用室內(nèi)采集的數(shù)據(jù)為例。此例聲波波形信噪比極差，使用設(shè)置幅值閾值A(chǔ)的 方法不能檢測(cè)首波。以下按照?qǐng)D4的步驟實(shí)施本發(fā)明的檢測(cè)方法① 確定發(fā)射傳感器主頻F,確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間T:聲波傳感器主頻F=50KHz ，采樣時(shí)間間隔」t=2us ，采樣得到的N=512個(gè)聲波波形 數(shù)據(jù)，V(i) [i=0， 1, ...511],見圖8中V(i)曲線。② 確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度設(shè)定《1=1.0， 《2=1,0, al《"2。根據(jù)F=50KHz=50000Hz，采樣時(shí)間間隔Jt=2us=0. 000002s,根據(jù)式(7) (8)計(jì)算 Nl=10， N2=10:
AT, =~L =---=--- 10
'&F Ah 50000 0.000002
"F 50000 0.000002
③ 計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值
在[9， 502]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其前段區(qū)間[i-9, i]的10個(gè)數(shù)據(jù),按 式(7)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Nl (i)，見圖8中Amp—Nl (i)曲線。Amp—Mi (i)的 最小值A(chǔ)mp—Nljlin=l. 60。
④ 計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值
在[9， 502]區(qū)間對(duì)每一個(gè)釆樣數(shù)據(jù)V(i),取其后段區(qū)間[i,i+10]的10個(gè)數(shù)據(jù)，按 式(9)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—N2(i),見圖8中Amp—N2(i)曲線。Amp—N2(i)的 最大值A(chǔ)mp—N2—Max=8. 10。
⑤ 計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻
在[9， 502]區(qū)間，計(jì)算特征幅度比Ramp(i): Amp—N2(i)/ A即—Nl(i)，見圖8中 Ra即(i)曲線。Ra即(i)的最大值Ramp—Max=2.88，Ramp—Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i—Ramp—Max=274。
⑥ 計(jì)算等效信噪比Rsn=Amp_N2Jfa/Amp—Nl_Min=5. 08。
⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在
特征幅度比Ramp (i)的最大值Ra即—Max=2. 88和等效信噪比Rsn=5. 08,滿足表1第 1行Ksn S 2. 1 And Kamp—Max S 2. 5的邏輯條件，判定首波存在。
⑧ 判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波
判定首波存在時(shí)，特征幅度比Ramp (i)的最大值Ramp_Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)V (274)所在 的半波就是檢測(cè)得到的首波。，見圖7中貫穿4條曲線的垂直直線指示的位置。
實(shí)施例5:以采用室內(nèi)采集的數(shù)據(jù)為例。此例為噪聲信號(hào)。以下按照?qǐng)D4的步驟實(shí)施本發(fā)明 的檢測(cè)方法
① 確定發(fā)射傳感器主頻F,確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間T:
聲波傳感器主頻F=50KHz，采樣時(shí)間間隔」t=lus,采樣得到的N=512個(gè)聲波波形 數(shù)據(jù)，V(i) [i=0, 1， 511]，見圖8中V(i)曲線。
② 確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度
設(shè)定al-l.O, "2=2.0， al《a2。
根據(jù)F=50KHz=50000Hz，采樣時(shí)間間隔」t=lus=0. OOOOOls，根據(jù)式(7) (8)計(jì)算 Nl=20， N2=40:
1 F Ah 50000 O扁OOl
A,Ar2"2 1 2.01 ^
iV， = ~^ =---=--- 40
F 50000 0.000001
③計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值
在[19， 473]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i),取其前段區(qū)間[i-19, i]的20個(gè)數(shù)據(jù)， 按式(7)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—Nl (i),見圖8中Amp—Nl (i)曲線。Arap_Nl(i)的最小值A(chǔ)mp_Nl—Min=2. 60。
④ 計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值
在[19， 473]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i),取其后段區(qū)間[i，i+39]的40個(gè)數(shù)據(jù)， 按式(9)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—N2(i),見圖8中A即—N2(i)曲線。Amp—N2(i) 的最大值A(chǔ)mp—N2—Max=5. 46。
⑤ 計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻
在[19， 473]區(qū)間，計(jì)算特征幅度比Ra卿(i): A即—N2(i)/ Amp—Nl(i),見圖8中 Ramp(i)曲線。Ra即(i)的最大值Ra即—Max=l. 78, Ra即Jlax對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i—Ramp—Max=378
⑥ 計(jì)算等效信噪比Rsn=Amp—N2_Ma/Arap—Nl_Min=2. 1。
⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在
特征幅度比Ra即(i)的最大值Ramp—Max=l. 78和等效信噪比Rsn=2. 10，不滿足表1中 任何一行，判定首波不存在。 ⑨判定首波不存在時(shí)，不能檢測(cè)出首波
在聲波波形信噪比極低或根本沒有聲波信號(hào)時(shí)，不能檢測(cè)出首波。
實(shí)施例6:以采用室內(nèi)采集的數(shù)據(jù)為例。此例聲波波形為檢測(cè)中的典型波形。以下按照?qǐng)D4 的步驟實(shí)施本發(fā)明的檢測(cè)方法
① 確定發(fā)射傳感器主頻F,確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間T:
聲波傳感器主頻F:50KHz，采樣時(shí)間間隔」t二2us,采樣得到的N=512個(gè)聲波波形 數(shù)據(jù)，V(i) [i=0, 1， ... 511],見圖9中V(i)曲線。
② 確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度
設(shè)定6 ;1=0.67， 《2=1.1， al《a2。
根據(jù)F^50KHz-50000Hz，采樣時(shí)間間隔Zt=2us=0. 000002s，根據(jù)式(7) (8)計(jì)算 Nl=7， N2-ll:
③ 計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值
在[6， 501]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i)，取其前段區(qū)間[i-6， i]的6個(gè)數(shù)據(jù),按式 (7)計(jì)算前段平均絕對(duì)值A(chǔ)即—Nl (i),見圖9中Amp—Nl (i)曲線。Amp—Nl (i)的最 小值A(chǔ)mp—Nl—Min=l,29。
④ 計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值
在[6， 501]區(qū)間對(duì)每一個(gè)采樣數(shù)據(jù)V(i),取其后段區(qū)間[i,i+10]的ll個(gè)數(shù)據(jù)，按 式(9)計(jì)算后段平均絕對(duì)值A(chǔ)mp—N2 (i)，見圖9中Amp—N2 (i)曲線。Amp—N2 (i)的 最大值A(chǔ)mp—N2—Max=615. 90。
(D計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻
在[6， 501]區(qū)間，計(jì)算特征幅度比Ra即(i^ Amp—N2(i)/ Amp_Nl(i)，見圖9中 Ramp(i)曲線。Ramp(i)的最大值Ra卿—Max=58. 39, Ra即—Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)序號(hào) i—Ramp_Max=127。
⑥ 計(jì)算等效信噪比Rsn=Amp—N2—Ma/Amp一N1—Min=477. 69。
⑦ 根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波是否存在
al 1 0.67 1
P Ah 50000 0.000002 a2 1 1.1 1
F A/ 50000 0.000002特征幅度比Ramp(i)的最大值Ra即—Max=58. 39和等效信噪比Rsn=477. 69,滿足表1 第1行Rsn ^ 2. 1 And Ramp—Max s 2. 5的邏輯條件，判定首波存在。
⑧判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波
判定首波存在時(shí)，特征幅度比Ra即(i)的最大值Ramp—Max對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)V(127)所在 的半波就是檢測(cè)得到的首波，見圖9中貫穿4條曲線的垂直直線指示的位置。
權(quán)利要求
1、一種聲波透射法首波的檢測(cè)方法，其步驟是A、確定發(fā)射傳感器的諧振頻率，確定聲波儀記錄的聲波波形的時(shí)間區(qū)間，發(fā)射傳感器的諧振頻率F為發(fā)射傳感器的標(biāo)稱頻率；聲波儀記錄的聲波波形V/t的時(shí)間區(qū)間寬度T，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，數(shù)字聲波儀采樣時(shí)間間隔Δt，在T時(shí)段內(nèi)共采樣得到聲波采樣數(shù)據(jù)V/I；B、確定前段時(shí)間區(qū)間寬度和后段時(shí)間區(qū)間寬度以t時(shí)刻為終止時(shí)刻的時(shí)間區(qū)間[t1，t]稱為t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間，以t時(shí)刻為起始時(shí)刻的時(shí)間區(qū)間[t，t2]稱為該時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間，前段時(shí)間區(qū)間寬度T1取值為聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)的諧振周期的α1倍，α1取值區(qū)間
，t時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間為[t-T1，t]；后段時(shí)間區(qū)間寬度T2取值為聲波發(fā)射傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)的諧振周期的α2倍，α2取值區(qū)間[1.0，3.0]，t時(shí)刻的段后時(shí)間區(qū)間為[t，t+T2]；限定α1小于或等于α2；C、計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最小值，計(jì)算每一時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間[t-T1]上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp T1(t)，求取Amp_T1(t)的最小值A(chǔ)mp_T1_Min；D、計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值，記錄此平均絕對(duì)值的最大值，計(jì)算每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間[t，t+T2]上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp_T2(t)，求取Amp_T2(t)的最大值A(chǔ)mp_T2_Max；E、計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值和最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，某時(shí)刻的特征幅度比Ramp(t)等于該時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp_T2(t)除以該時(shí)刻的前段時(shí)間區(qū)間上的平均絕對(duì)值A(chǔ)mp_T1(t)，求特征幅度比Ramp(t)的最大值Ramp_Max，及其Ramp_Max對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t_Ramp_Max；F、計(jì)算等效信噪比等效信噪比Rsn等于后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mp_T2(t)的最大值A(chǔ)mp_T2_Max除以前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值A(chǔ)mp_T1(t)的最小值A(chǔ)mp_T1_Min；G、根據(jù)特征幅度比的最大值和等效信噪比的數(shù)值關(guān)系判定首波存在，特征幅度比的最大值Ramp_Max和等效信噪比Rsn的數(shù)值滿足首波存在；H、判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值對(duì)應(yīng)的半波就是檢測(cè)得到的首波，判定首波存在時(shí)，特征幅度比的最大值Ramp_Max對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t_Ramp_Max所在的半波就是檢測(cè)得到的首波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲波透射法首波的檢測(cè)方法，根據(jù)聲波傳感器諧振頻率確定前段時(shí)間區(qū)間的寬度和后段時(shí)間區(qū)間的寬度；計(jì)算聲波波形的前段時(shí)間區(qū)間內(nèi)的平均絕對(duì)值，記錄前段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值；計(jì)算聲波波形每一時(shí)刻的后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值，記錄后段時(shí)間區(qū)間平均絕對(duì)值的最大值；計(jì)算每一時(shí)刻的特征幅度比，記錄特征幅度比的最大值；計(jì)算等效信噪比；按照特征幅度比的最大值與等效信噪比的數(shù)值關(guān)系，判定首波存在；在判定首波存在的情況下，最大值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所在的半波就是檢測(cè)得到的首波。本發(fā)明方法易行，操作方便，檢測(cè)首波時(shí)抗干擾能力強(qiáng)，提高了檢測(cè)效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G01N29/12GK101320017SQ20071005242
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
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