基于DSP技术的密肋复合墙体空鼓声波检测

第37卷第11期计算机仿真2020年11月文章编号：1006 -9348 (2020)11 -0412 -05
基于D S P技术的密肋复合墙体空鼓声波检测
秦月，朱磊，董亮
(齐齐哈尔大学通信与电子信息工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006)
摘要:建筑物密肋复合墙体装饰中常使用花岗岩等材料进行装饰，经过一段时间后建筑墙面出现空鼓等现象，导致墙体外饰
物坠落，造成人员伤亡等事故。

为此提出基于DSP技术的密肋复合墙体空鼓声波检测方法。

分析密肋复合墙体结构与主要
原料，计算其弹性抗侧强度、开裂荷载以及极限荷载等参数;在DSP信号转换过程中，利用其可靠性、可编程性与可重复性等
优势采集声波信号，并通过小波阈值对信号进行去噪处理，提高阈值连续性，增强信号光滑程度、减少误差;建立声波信号数
学模型，根据声速、波幅异常临界值和斜率三方面判断可疑区域，完成基于DSP技术的密肋复合墙体空鼓声波检测。

仿真结 果表明，所提方法可以获得较为准确的声波信号，提髙声波检测准确度，为墙体安全提供保障。

关键词：密肋复合墙体;空鼓现象;声波检测;小波阈值
中图分类号:TP317 文献标识码：B
Detection of Hollowing Sound Wave of Multi Ribbed
Composite Wall Based on DSP Technology
QIN Yue,ZHU Lei,DONG Liang
(School of Communication and Electronic Information Engineering,Qiqihar university,Qiqihar Heilongjiang 161006, China) ABSTRACT ：Granite is often applied in the decoration of multi-ribbed composite walls of buildings,but the hollo­
wing p h e n o m e n a lead to falling of external decoration,personal casualty or other accidents.Therefore,a method of a-
coustic wave detection for the hollowing in multi-ribbed composite wall based on D S P technology was put forward.At
first,the structure and main raw materials of multi- ribbed composite wall were analyzed,and i t s elastic lateral
strength,cracking load,ultimate load and other parameters were calculated.In the process of D S P signal conversion,
i t s advantages such as reliability,programmability and repeatability were used to collect acoustic signal.A n d then,
the noise in signal was removed through wavelet threshold,so that the continuity of threshold was improved.M e a n­
while,the smoothness of signal was enhanced and error was reduced.T h e mathematical model of acoustic signal was
built.T he suspicious regions were judged by sound speed,amplitude abnormal critical value and slope.Finally,the
acoustic wave detection of hollow d r u m of multi-ribbed composite wall based on D S P technology was completed.S i m­
ulation results show that the proposed method can obtain more accurate acoustic signals and improve the accuracy of a-
coustic wave detection,which provides the security for wall.
KEYWORDS：D S P technology；Multi-ribbed composite wall；Hollowing；Acoustic wave detection；Wavelet thresh­
old
i引言
随着国民经济高速发展与生活水平的提高，在建筑需求 量不断扩大的同时，对建筑外观、品质与安全也提出更高要 求。

在建筑业快速发展时期，一些建筑已经进人中老年期，
基金项目：黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划（1^- PYSCT- 2017152);黑龙江省高等教育教学改革项目
(SJGY20190726)
收稿日期:2019-08-02超出预定的设计标准年限，老化程度较为严重。

还有一些公 共建筑虽没有超出使用期限，但由于施工不当等原因已经成 为“危房”，不能继续使用[1]。

这些建筑物的承载能力、外墙 面粘接质量均有所下降，极易造成较大安全隐患。

其中，导 致墙面空鼓的原因很多，例如墙面砖没有经过浸泡投人使用、基层清理不当、温差较大，使建筑物在较短时间内发生明 显温度变化。

装饰材料和结构材料不能同步热胀冷缩时，易出现温度应力，在此影响下墙壁薄弱地方会出现裂缝，在不 同外界因素作用下裂缝扩大，形成空鼓[2]。

现阶段，对已有
—412—
建筑物的质量检测已逐渐受到广泛关注，相关研究人员进行 了大量的研究。

文献[3]提出利用髙密度电法对高聚物防渗墙进行检测。

该方法将岩土介质具有的导电性差异当作基础,经过观 测与分析人工构建的地下稳定电流场分布状况，来探测存在 的问题;再利用数据采集进行反演，证明检测的准确程度。

该方法可以有效检测到墙体的缺陷部位，但该方法检测的过 程中依靠先验知识进行判断，检测中存在一定的误差。

文献 [4]针对涂层界面脱粘问题，利用红外热成像方法对其进行 检测。

该方法分析脱粘界面与非脱粘界面表层温度瞬态响 应流程;将图像标准差与归一化对比度当作评价标准，定量 分析表面热信号重构法在脱粘缺陷识别中发挥的作用。

该 方法增强了脱粘问题的识别性能，但对墙体外饰物的检测 中，未充分考虑墙体不均勻性,在检测时容易受到外界环境 与墙体材料等因素干扰，影响检测结果。

基于上述问题的存在，提出利用D S P技术对密肋复合墙 体空鼓进行声波检测。

分析声信号的物理原理，引人D S P方 法对声波数据进行采集等，与传统方法相比，所提方法将未 经处理的模拟电子信号转变为对应的数字信号，快速进行检 测。

所提方法可以提高检测的准确性，提高建筑安全性能，延长墙体使用寿命。

2密肋复合墙体结构以及参数计算
2.1密肋复合墙体结构
建筑行业在较长一段时间内处于粗放型生产阶段，主要 包括以下问题:建筑样式单一、技术含量较低、抗震性能差、环保材料使用比率低。

在这种背景下开发出一种新型建筑 结构—
—密肋壁板结构[5]。

密肋壁板是一种质轻、高强、环保、抗震的新型建筑结构。

边框柱与暗梁构成的隐形框架连接、制约着密肋复合墙 板，从而形成密肋复合墙体，成为关键受力构件。

其结构如 图1所示。

竖向负荷
密肋复合墙体的主要构成原料是混凝土、炉渣以及粉煤 灰等工业废料预制而成。

故在分析密肋符合墙板相关参数 时，要考虑其组成材料的相关参数。

2.2参数计算
密肋复合墙体的相应参数包括弹性侧刚度、开裂荷载以 及抗剪极限荷载。

分别对其进行参数计算，分析密肋复合墙体[6]。

密肋复合墙体弹性侧刚度K为
K =
〇-3£,r2
(277+0.4)
(1)式中，&表示砌块的弹性模量,r2是墙体厚度,r2=忠/fc代 表墙体高度，其中,4表示墙体等效面积，忠=炙£/£,
代表墙体中肋柱与框柱面积之和表示墙体中砌块面积之和，尽是混凝土弹性模量,7；是轴压比（0.3矣r?0.6),77 = 〜/(/。

次），在 ry < 0.3时，7；= 0.3,在 r/ > 0_6时，rj = 0.6。

密肋复合墙体开裂荷载匕为
式中>/9i与0^分别表$砌块抗拉强度与正应力代表肋梁对砌块约束效应系数，且仏=1.05。

密肋复合墙体抗剪极限荷载为
L= ^7^(0.04/人 + 0•04//? + 0. 1W)+//,(3)
式中，A是墙体的高宽比，A= 1.5矣A <2.2),当A< 1.5时，取A = 1.5;当A > 2.2时，取A = 2.2义代表墙体中混凝土的抗压程度是墙体中肋柱截面面积的总和，&表示砌块抗压强度值J；是肋梁纵筋的强度值代表肋梁纵筋面积总和，W为轴向压力值，在7V > 0.2/；火时,取值为/V =〇.2/乂。

3 基于D S P技术的墙体空鼓声波检测
D S P即为数字信号处理器,其可以将未经处理的模拟电 子信号转变为对应数字信号m，如图2所示：
010011110 .
模拟信号量化
W--------------►
败字信号
图2 信号转换过程示意图
此信号处理过程较为复杂，必须存在一个高性能的微处 理器(M P)协助转换器、低通滤波器共同完成转换。

在模拟信号转换为数字信号过程中,D S P技术综合数字、模拟与混合信号电路等特点，其可编程性表现在进行数 字化处理时利用重新编程，添加想要的功能。

其可靠性 表现为避免由于温度的改变而使自身性能和特征产生变化。

其可重复性表现在采用二进制数字电路，具有可重复性[8】。

D S P技术可以减少成本，利用该技术时，仅需要调整软
—
413 —
件功能实现产品升级，除此之外,修改产品的时间也会缩短，使开发周期更快，便于器件的高度集成。

3. 1声信号产生物理过程
实心球形物体撞击均匀物体的动力学过程在很多邻域 均适用W。

钢球撞击墙体示意图如图3(a)所示，空鼓墙体 表面出现形变,发出声波如图3(b)所示。

为方便观测本文 通过二自由度弹簧对其进行表示，并对该过程进行分析。

I m,k
匸T
I k,
(*)(b)(c)
图3 敲击过程弹簧模型
假设~与^分别表示两个不同弹簧的倔强系数，代表墙 体弯曲程度与非线性接触区域强度，％与％为墙体等效质 量
首先分析在敲击过程中能量分布状况。

撞击球的初始 动能转化成墙体的弯曲振动能量和接触区域的形变能量，若 墙体最初状态为静止，当其最大形变，撞击球的速度为零，此 时全部原始动能均转变为墙体所受能量。

所以忽略压缩波 和剪切力等因素，可获得下述能量守恒方程
Es a m=Y m y〇⑷式中,《。

表示撞击球的原始动能，^与&为墙体变形的能量与接触区域能量。

尽包含两部分能量,此部分能量经过撞击 球的反弹最后变为剩余振动能量。

若A表示初始动能转变成墙体变形能量的比率，假设撞 击球和圆盘中心发生接触，圆盘厚度为，半径为密度为P,则可得到以下公式
A =£ =忐(m2k \ 1/2
\phk f)
(5)
k，-t e
•r,/2(6)
卜v-j(*)(7)尺与£分别通过下述公式计算得出，即
J_____1_(8)
R
11 - v]+ 1(9)
E E,i-e2
式中，与/?2为撞击球和圆盘半径，£,、fi2与1>,、t；2分别表示 杨氏模量与泊松比。

假设k=4
A —414—
E2
0.0204 •r2
+ kn h •Jh
(10)
3.2 数据采集
A/D采集的数据需要及时传输到F I F O,所以二者写时钟
频率需要同步。

在高速采样过程中，导线会出现明显延时现
象[1|>1,如果将两者的时钟连接，有可能采集到大量冗余数
据。

分开控制后，利用软件延时,方便对时钟进行调控，且调
控过程简单，可将冗余信息量降到最低。

在数据采样过程中，通过程序使D X、F S X的输出为1,此
时采样脉冲和D X、F S X先后被输送到时钟输人中开始T作，
不停将转换数据传输到自己所在输出口，当写时钟的写时能
力降低时，数据被写人F I F O中。

A/D与F I F O每进行一次脉
冲，则可完成一次模数转换且输人到F I F O中。

当储存器被
存满时，代表一组数据采集完成。

在执行中断操作时,D S P首先关闭采样脉冲，停止A/D
与F丨F0的全部工作，将所有数据读人到D S P中。

整个声波
数据采集工作完成。

如果需要进行第二次采集，需要进行复
位，确保读写指针的稳定性。

3.3 小波阈值信号去噪
小波变换存在较强的去除数据相关性，其可以使信号的
能量集中在小波系数中，而噪声产生的能量分布在所有小波
区域内。

通过小波分解后，信号形成的小波系数幅值高于噪
声信号幅值，此时选择最佳的A作为阈值；如果小波系数幅
值高于A值时，认为是真实信号造成，保留该系数;如果低于
A值时，认为是噪声造成，使该系数降低到零,从而达到信噪
分离的目的。

在信号去噪过程中，阈值的选择与量化非常重要，直接
影响去噪效果故在具体应用时结合实际情况确定阈值的选
择方法与量化原则。

本文选取软、硬阈值折中方法对阈值进行选取，表达式
为
I x -a\x\
0 I xl< A(11)
x +a\x ^\
式中，a(0专a矣1)表示调整系数，其能够改善阈值选择的
灵活程度，达到滤波效果。

《因子的大小影响去噪后信号信
噪比,a值越高，信号失真情况出现越频繁，振荡越小;a值越
低，信号失真越小，振动越严重。

除此之外，分解尺度的大小
对信噪比也会产生较大影响，分解尺度小，噪声与信号不能
完全分离，分解尺度太大，则会造成信号失真。

极大或极小
的a因子与分解尺度均会造成信噪比低，必须选择适当数
值。

3.4 声波检测
声波检测时，单脉冲声波回波信号的数学表达式为
s(t)=/3cos[2'7r/<.(t - r)|(12)
式中，各参数取值为/3 = 3.24，a = 0.2,延时t = 500,信号频
率九“M l h。

声速是分析空鼓现象的重要参数,本文利用概率法对声
速进行判断。

信噪比/dB
图5不同方法声波去噪效果对比
信噪比MB
分析图5可以看出，三种方法进行声波去噪后效果存在 —定差。

其中，所提方法对声波去噪效果与理想去噪效果保 持高度一致，而高密度电法以及脉冲红外热成像检测方法对 声波去噪时与理想去噪结果差距较大，幅值波动较大。

相比
之下，所提方法对声波去噪效果更好。

这是由于所提方法采 用小波阈值对信号进行去噪处理，提高阈值连续性，增强信 号光滑程度、减少干扰因素。

4.3.2不同方法声波检测准确性分析
为进一步验证所提方法性能,采用所提方法、高密度电 法以及脉冲红外热成像检测方法对密肋复合墙体空鼓声波 进行检测,检测的准确度实验结果如表2所示。

信嗓比/dB
对相同剖面声速进行计算与异常分析。

假设某个检测 点的声速被认为存在异常情况时，该点则为可疑点。

声速出现异常情况的临界值判据表示为
Vi
^ V 〇
(13)
式中,表示检测点£'的声速,k m /S ,i 是判断声速异常情况 的临界值。

在进行声波检测时,波幅异常临界值的判断通过下述公 式进行计算
(14)
(15)
A … <A m -6式中,/!…,表示波幅平均值，&代表波幅临界值，为检测点数 量，当上述两个公式均满足条件时，可判定此波幅出现异常。

声波检测时，需要对斜率异常进行判断,SP
PSD = K - A T n
K
(16)(17)(18)~ Z i -\
A T = Tc i - T c i _'
式中，与：
分别表示第；和z - i 检测点时，与
分
别代表i 点和i - 1点深度。

从上述三个方面分别检测声波的异常情况，出现异常情 况的区域即为密肋复合墙体空鼓区域。

4仿真分析
4.1仿真环境
为了验证所提方法的有效性,进行仿真分析。

实验选择
W i n d o w s x p
系统，运行内存为8 G B ,选择某一存在空鼓问题
的密肋复合墙体进行检测,实验环境如图4所示。

&
m s s m
•• #
s i
(b )检测仪器
图4实验环境
4.2实验参数设计
实验过程中，密肋复合墙体的参数如表1所示。

表1
实验参数
参数
取值墙深/m 32-45墙宽/cm 50
渗透系数/cm/s nxH T 6
渗透比降彡45弹性模量/MPa
500 ~1500抗压强度/MPa
2.0-5.0
采用对比所提方法、高密度电法检测方法以及脉冲红外 热成像检测方法，以声波去噪、声波检测的准确性为实验指 标进行实验。

4.3结果分析
4.3.1不同方法声波去噪效果分析
为了验证所提方法的声波去噪效果，实验对比了所提方 法、高密度电法以及脉冲红外热成像检测方法在相同条件 下，对声波去噪效果,实验结果如图4所示。

>
日/桠馨
>s /w ®
A
日—415
—
表2
不同方法声波检测准确度对比（％ J 迭代次数/次
所提方法
高密度电法
脉冲红外热成像方法
19587902968386396848249782805
96
80
71
分析表2中数据可以看出，采用三种方法对密肋复合墙 体空鼓声波进行检测，检测的准确度存在一定差距。

其中， 所提方法的准确度最高可达97 %，而其它两种方法准确度 最高分别为87 %和90 %，相比之下分别提高了 10 %和7 %。

这是由于所提方法在进行声波检测前对声波中存在的 噪声进行去除，排除了其它干扰因素的影响，且引人D S P 技 术将信号进行转换等，验证了所提方法的有效性。

5
结论
为改善传统空鼓声波检测准确率低等问题，
在D S P 技术基础上对密肋复合墙体空鼓进行声波检测。

通过分析密肋复合墙体的结构与材料，计算弹性抗侧刚度等 相关参数;引人D S P 技术对数字信号转换等。

仿真结果表 明：
1) 所提方法在声波去噪中效果由于传统方法，较为理
想。

2)
所提方法在密肋复合墙体空鼓进行声波检测时，检测
的准确度高度97 %，说明所提方法具有一定可靠性。

上述实验结果验证了所提方法具有较好的整体效果，此 技术在密肋复合墙体声波检测中具有一定意义。

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[作者简介]
秦月（1981-)，男（汉族），黑龙江五常人，硕士，
讲师，研究方向:信息采集与控制；
朱磊（1982-)，女（汉族），吉林省敦化人，博士，
教授，主要从事电磁超常媒质、微波器件、高性能天 线设计等方面的研究；
董
亮（1979-)，男（汉族），天津人，硕士，副教授，主要从事无线通
信系统的开发及片上系统的开发工作。

(上接第407页）[7]
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[作者简介]
闵红霞（1987-)，女（汉族），四川眉山人，硕士，讲
师，主要研究方向：工程造价确定与控制、建筑工程 信息化管理。

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