基于MATLAB声学检测刹车片材质的研究

基于MATLAB声学检测刹车片材质的研究
摘要刹车片也叫刹车皮，在汽车的刹车系统中，刹车片是非常关键的零件，它是刹车系统的基础，是刹车效果的直接体现，一个好的刹车片才能保证汽车的安全。

因此刹车片成为了整个刹车系统与整个汽车系统的安全保障，对刹车片的检测也成了至关重要一个步骤。

本文通过MATLAB对刹车片进行仿真声学检测，对采集刹车片的声音信号进过滤波，放大，频谱分析等处理来判断刹车片材质的好坏，该方法有较强的实用性，克服了国内现有的普遍靠肉眼，人工经验的方式。

关键词刹车片；声学检测；频谱分析
0 引言
随着近年来我国经济技术的发展，也带动了汽车行业也飞速发展，21世纪的第一个十年我国汽车产量突飞猛进，在2000年时候我国汽车产量不足美国1/6，销量不足1/8，而十年之后产量已经是美国的2倍，销量1.5倍，2005年和2006年产量都超过了30%。

与此同时，随着产量的增长，随之引发的交通事故也逐渐增多，据有关资料统计，每年出现交通事故多达40万起，平均不到三分钟就发生一起，因交通事故死亡人数超过10万，其中的一部分就是由于刹车系统故障引起的，由于刹车片的缺陷，老化等因素导致。

为了减少因刹车系统故障所产生的事故，生产出高质的刹车片，对刹车片的检测成为了一个重要的环节，目前国内已有多家生产刹车片的企业，但是有相当一部分生产技术落后，水平不高，对刹车片质量的检测的概念还比较淡薄，主要依靠人的肉眼或者有经验的技术人员凭借敲打聆听来判断刹车片的好坏，这样检测的方式很费时费力而且也不是很精确。

针对此情况本文设计了一种对刹车片内部的材质的检测方法，性能可靠。

1 系统设计
1.1 刹车片简介
刹车片（brake pad）一般由粘接隔热层、钢板和摩擦块构成。

其中隔热层是由不传热的材料组成，目的是更好的隔热，钢板要经过涂装来防锈，摩擦块由摩擦材料和粘合剂组成的，刹车就是主要通过摩擦块与刹车盘的摩擦来实现的。

由于刹车产生的摩擦，摩擦块会逐渐被磨损，这样会逐渐削弱摩擦作用，会影响汽车的刹车效果，一般而言成本越低的刹车片其质量越低，磨损得会越快。

因此要定期检查刹车片并判断是否更换刹车片。

图1 盘式刹车片
刹车片的要求：安全性、稳定性高，摩擦系数大，摩擦系数系数稳定，良好的耐磨性，机械强度，散热性好。

刹车片的分类：石棉型刹车片，无石棉型刹车片。

无石棉型又分为半金属，少金属，碳纤维，粉末冶金，陶瓷等。

1.2 设计流程
图2 设计流程图
如图2所示，对刹车片固定位置敲打的声音进行采集，采集的声音模拟信号经过滤波电路与放大电路后进行信号的分析处理，根据信号的频谱和功率谱分析来识别刹车片材质的好坏。

1.3 模块设计
声学检测在如今已经在很多场合应用，比如在语音识别中对声音的检测，在医学上对人体内部进行的超声波检测等。

我国的声学研究所成立于1964年，主要针对于水声，空气声以及超声进行研究和信号的处理，美国的声学研究起步比我国早一些，一开始主要用于对地震进行检测，后来逐渐应用于其他如军事、科研以及医学等方面。

声学检测现如今已经应用的更为广泛，很多民营企业也通过此方法来检测产品，应用非常方便。

本文通过声学对刹车片进行内部材质的检测，声音采集通过拾音器完成，拾音器是用来采集现场声音的一个配件，一种靠接收声音震动，将声音放大的电声学仪器，通过拾音器后的声音信号如图3。

图3 采集的声音信号
由于存在机械振动的低频信号跟环境的高频噪声，因此需要对声音信号进行滤除噪声，尽管在之前已经有源带通滤波，因为在模拟电路中放大，AD转换时候又会对信号造成干扰，因此需要进行数字滤波。

常用的数字滤波有FIR跟IIR 两种，FIR是有限长序列，不存在反馈，因此对于无限长序列偏差较大，而IIR 是适用无限序列，且存在反馈回路。

两者的传递函数：
FIR:
IIR:
FIR是非递归型数字滤波器，h(n)是因果序列，H（z）的（N-1）个极点都在单位圆内，所以FIR是稳定系统，当它的零点也分布在单位圆内时就是最小相位系统，FIR系统有直接型、级联型结构，其特点是可以做到确定的线性相位，在图像处理等应用上非常广泛。

IIR是递归型数字滤波器，单位冲激可以相应无限长序列，对同样的滤波器过渡带要求，其实现的阶数可以比较低，因而减少了延时单元和乘法器。

IIR系统有直接I型、直接II型、级联型和并联型结构，其系统函数的零极点关系不是很明确，因此控制比较困难，会导致系统的稳定性问题，需要在设计中注意。

本文的设计对相应时间有要求因此选择IIR滤波器设计。

根据刹车片敲击声音信号的特点，设计相应的IIR滤波器，通带频率为300Hz～6kHz，阻带的截止频率为500Hz跟7kHz，采样频率为22.10kHz，设置其通带衰减小于3dB的带宽，其阻带衰减大于20dB的带宽。

经过IIR滤波器后的信号如图4。

图4 IIR滤波后的信号
提取信号是时域的声音信号，没有明显规律，不能直接判断材质，采用FFT （快速傅里叶变换）方法进行频谱分析可以比较频域信号的不同点，FFT是DFT （离散傅里叶变换）的快速算法，一个有限长复序列X(k)，它的长度为N，如果计算X(k)的一个值就需要N次复数乘法与N-1次复数加法，而计算整个N点的X(k)就需要次复数乘法和N(N-1)次复数加法，当N很大时N(N-1)≈，因此直接计算DFT的运算量就几乎同成正比，随着N的增加，运算量会急剧增大，因此采用FFT运算可以有效地减少运算量。

FFT算法有两类：DIT-FFT（按时间抽取）跟DIF-FFT（按频率抽取），按时间抽取是把时域序列进行奇偶分组，频域下按前后分组，按频率抽取是在时域下对输入前后分组，输出按顺序奇偶分组，其区别
与联系：DIT-FFT输入是自然序列，输出时倒叙，其蝶形运算是先乘以旋转因子，后进行加
减运算，而DIF-FFT相反；两者互为转置；两者的计算量完全相同。

图5 正常刹车片与材质不均刹车片频谱对比
经过FFT运算后的信号频谱图如图5所示，从图中可以得到在最大频谱分量时候的频率值f1，正常刹车片的f1在2900Hz左右，而材质不均的刹车片的f1在2500Hz左右，正常刹车片频谱在2500Hz-3500Hz存在较多频谱分量，而材
质不均的刹车片在3500Hz-5000Hz存在较多的频谱分量。

在频谱的基础上通过自相关法得到不同刹车片的功率谱，如图6所示。

图6 正常刹车片跟材质不均刹车片的功率谱对比
利用功率谱中的数据进行材质检测，根据声学原理，同一个功率谱的峰值点之间存在相关关系，为此针对相关关系进行故障检测，并给出频谱峰值点的提取算法。

从功率谱中可以得到最大功率时候的频率f2，从图中可以看出正常刹车片的功率谱的f2在2900Hz左右，而材质不均的刹车片的f2在2500Hz左右。

1.4 实验统计数据
表1是不同刹车片测试的数据结果。

正常刹车片数据材质不均刹车片数据
编号f1(Hz) f2(Hz) 编号f1(Hz) f2(Hz)
1 2859.5 2866.3 1 2446.5 2450.5
2 2850.4 2886.2 2 2360.
3 2434.6
3 2903.6 2880.6 3 2530.9 2450.6
4 2875.
5 2876.5 4 2456.5 2440.8
5 2868.4 2906.
6 5 2504.6 2446.2
表1 正常刹车片跟材质不均刹车片的实验数据对比
从表1可以看出正常刹车片跟材质不均刹车片的最大频谱分量对应的f1跟最大功率时对应的频率f2分布区间有明显区别，可以根据相应的判别方式来区别。

2 结论
本文根据现有刹车片的质检情况，通过声学原理，采用一定的识别算法完对不同刹车片声音信号进行频谱和功率谱的分析，实现一种较新的检测方法，从仿真数据结果显示能够对材质不均的刹车片进行有效地判断，该方法有很好的实用性跟参考性。

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