基于LabVIEW的水切割機(jī)切割優(yōu)化方法研究

曹淳

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內(nèi)在聯(lián)系，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求。

【關(guān)鍵詞】 水切割機(jī) 優(yōu)化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機(jī)研究領(lǐng)域，對切割過程進(jìn)行優(yōu)化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進(jìn)速度密切相關(guān)。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達(dá)材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質(zhì)量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進(jìn)行大量的切割加工試驗(yàn)，以尋求切割速度與切割質(zhì)量的對應(yīng)規(guī)律，找出最優(yōu)化的切割速度。而目前的水切割機(jī)產(chǎn)品，切割頭的運(yùn)動控制都是通過數(shù)控系統(tǒng)的程序代碼進(jìn)行設(shè)定，切割速度只能采用人工記錄的方式進(jìn)行采集，很不方便。

實(shí)際情況中，當(dāng)采用不同的切割速度對同等條件下的材料進(jìn)行切割時，切割發(fā)出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應(yīng)關(guān)系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉(zhuǎn)化為找出其對應(yīng)的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設(shè)備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋?zhàn)罴亚懈钏俣鹊目刂葡到y(tǒng)[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力，提供實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連線板等部分構(gòu)成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進(jìn)行分析處理的相關(guān)VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現(xiàn)場錄制的切割聲音信號進(jìn)行讀取的程序框圖和前面板。

2 數(shù)字濾波

從圖2中可以看到，工作現(xiàn)場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進(jìn)行數(shù)字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數(shù)字濾波的作用就是對信號進(jìn)行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經(jīng)典數(shù)字濾波

按照一定規(guī)律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區(qū)域；而工作現(xiàn)場環(huán)境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設(shè)計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經(jīng)典的數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點(diǎn)是相位特性不好控制，而FIR具有嚴(yán)格的線性相位特性[3]。此處預(yù)設(shè)輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設(shè)計了采樣點(diǎn)數(shù)、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設(shè)計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實(shí)現(xiàn)。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達(dá)到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進(jìn)行濾波，其中窗函數(shù)類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經(jīng)典數(shù)字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統(tǒng)的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩(wěn)的信號。水切割機(jī)工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩(wěn)信號，因此需要采用專門針對非平穩(wěn)信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現(xiàn)出來的新的分析方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析，成為工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工具，在信號的多尺度分析、特征點(diǎn)檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領(lǐng)域的軟件，實(shí)現(xiàn)小波變換具有重要的實(shí)際意義。

LabVIEW軟件中直接實(shí)現(xiàn)小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯(lián)合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數(shù)選用這些基本小波。當(dāng)這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設(shè)計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進(jìn)程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設(shè)計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實(shí)值的有限沖擊響應(yīng)濾波器，所以只需要在半個平面上進(jìn)行以上的設(shè)計，可以根據(jù)顯示在設(shè)計面板下方的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)和零點(diǎn)分布情況選擇各項參數(shù)，同時在設(shè)計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數(shù)。

2.3 小波去噪仿真實(shí)例

水切割機(jī)工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點(diǎn)，對非平穩(wěn)信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點(diǎn)。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產(chǎn)生一個正弦信號，同時在第250點(diǎn)處加入一個沖激信號，用來模擬實(shí)際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實(shí)際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經(jīng)典數(shù)字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發(fā)現(xiàn)原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進(jìn)行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點(diǎn)處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態(tài)信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規(guī)律。對信號進(jìn)行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進(jìn)行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態(tài)信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實(shí)質(zhì)是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉(zhuǎn)化為對其權(quán)系數(shù)的研究。傅里葉變換中，標(biāo)準(zhǔn)基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內(nèi)是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實(shí)現(xiàn)FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數(shù)發(fā)生器VI生成。

4 結(jié)語

針對水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求，本文提出根據(jù)聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續(xù)可以根據(jù)水切割機(jī)工作現(xiàn)場的工況條件，安裝實(shí)時采集聲音信號的硬件設(shè)備，結(jié)合LabVIEW快速分析處理的特點(diǎn)，搭建通過切割聲音信號反映切割質(zhì)量的反饋平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]Azlan M Z，Habibollah H，Safian S.Estimation of the Minimum Machining Performance in the Abrasive Waterjet Machining Using Integrated ANN-SA[J].Expert Systems with Applications， 2011（38）.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[3]俞卞章.數(shù)字信號處理.西北工業(yè)大學(xué)出版社[M]，2002.endprint

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內(nèi)在聯(lián)系，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求。

【關(guān)鍵詞】 水切割機(jī) 優(yōu)化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機(jī)研究領(lǐng)域，對切割過程進(jìn)行優(yōu)化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進(jìn)速度密切相關(guān)。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達(dá)材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質(zhì)量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進(jìn)行大量的切割加工試驗(yàn)，以尋求切割速度與切割質(zhì)量的對應(yīng)規(guī)律，找出最優(yōu)化的切割速度。而目前的水切割機(jī)產(chǎn)品，切割頭的運(yùn)動控制都是通過數(shù)控系統(tǒng)的程序代碼進(jìn)行設(shè)定，切割速度只能采用人工記錄的方式進(jìn)行采集，很不方便。

實(shí)際情況中，當(dāng)采用不同的切割速度對同等條件下的材料進(jìn)行切割時，切割發(fā)出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應(yīng)關(guān)系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉(zhuǎn)化為找出其對應(yīng)的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設(shè)備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋?zhàn)罴亚懈钏俣鹊目刂葡到y(tǒng)[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力，提供實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連線板等部分構(gòu)成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進(jìn)行分析處理的相關(guān)VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現(xiàn)場錄制的切割聲音信號進(jìn)行讀取的程序框圖和前面板。

2 數(shù)字濾波

從圖2中可以看到，工作現(xiàn)場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進(jìn)行數(shù)字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數(shù)字濾波的作用就是對信號進(jìn)行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經(jīng)典數(shù)字濾波

按照一定規(guī)律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區(qū)域；而工作現(xiàn)場環(huán)境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設(shè)計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經(jīng)典的數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點(diǎn)是相位特性不好控制，而FIR具有嚴(yán)格的線性相位特性[3]。此處預(yù)設(shè)輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設(shè)計了采樣點(diǎn)數(shù)、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設(shè)計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實(shí)現(xiàn)。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達(dá)到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進(jìn)行濾波，其中窗函數(shù)類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經(jīng)典數(shù)字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統(tǒng)的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩(wěn)的信號。水切割機(jī)工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩(wěn)信號，因此需要采用專門針對非平穩(wěn)信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現(xiàn)出來的新的分析方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析，成為工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工具，在信號的多尺度分析、特征點(diǎn)檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領(lǐng)域的軟件，實(shí)現(xiàn)小波變換具有重要的實(shí)際意義。

LabVIEW軟件中直接實(shí)現(xiàn)小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯(lián)合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數(shù)選用這些基本小波。當(dāng)這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設(shè)計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進(jìn)程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設(shè)計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實(shí)值的有限沖擊響應(yīng)濾波器，所以只需要在半個平面上進(jìn)行以上的設(shè)計，可以根據(jù)顯示在設(shè)計面板下方的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)和零點(diǎn)分布情況選擇各項參數(shù)，同時在設(shè)計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數(shù)。

2.3 小波去噪仿真實(shí)例

水切割機(jī)工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點(diǎn)，對非平穩(wěn)信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點(diǎn)。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產(chǎn)生一個正弦信號，同時在第250點(diǎn)處加入一個沖激信號，用來模擬實(shí)際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實(shí)際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經(jīng)典數(shù)字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發(fā)現(xiàn)原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進(jìn)行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點(diǎn)處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態(tài)信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規(guī)律。對信號進(jìn)行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進(jìn)行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態(tài)信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實(shí)質(zhì)是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉(zhuǎn)化為對其權(quán)系數(shù)的研究。傅里葉變換中，標(biāo)準(zhǔn)基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內(nèi)是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實(shí)現(xiàn)FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數(shù)發(fā)生器VI生成。

4 結(jié)語

針對水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求，本文提出根據(jù)聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續(xù)可以根據(jù)水切割機(jī)工作現(xiàn)場的工況條件，安裝實(shí)時采集聲音信號的硬件設(shè)備，結(jié)合LabVIEW快速分析處理的特點(diǎn)，搭建通過切割聲音信號反映切割質(zhì)量的反饋平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]Azlan M Z，Habibollah H，Safian S.Estimation of the Minimum Machining Performance in the Abrasive Waterjet Machining Using Integrated ANN-SA[J].Expert Systems with Applications， 2011（38）.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社，2007.

[3]俞卞章.數(shù)字信號處理.西北工業(yè)大學(xué)出版社[M]，2002.endprint

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內(nèi)在聯(lián)系，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求。

【關(guān)鍵詞】 水切割機(jī) 優(yōu)化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機(jī)研究領(lǐng)域，對切割過程進(jìn)行優(yōu)化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進(jìn)速度密切相關(guān)。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達(dá)材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質(zhì)量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進(jìn)行大量的切割加工試驗(yàn)，以尋求切割速度與切割質(zhì)量的對應(yīng)規(guī)律，找出最優(yōu)化的切割速度。而目前的水切割機(jī)產(chǎn)品，切割頭的運(yùn)動控制都是通過數(shù)控系統(tǒng)的程序代碼進(jìn)行設(shè)定，切割速度只能采用人工記錄的方式進(jìn)行采集，很不方便。

實(shí)際情況中，當(dāng)采用不同的切割速度對同等條件下的材料進(jìn)行切割時，切割發(fā)出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應(yīng)關(guān)系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉(zhuǎn)化為找出其對應(yīng)的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設(shè)備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋?zhàn)罴亚懈钏俣鹊目刂葡到y(tǒng)[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建工程系統(tǒng)的能力，提供實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標(biāo)和連線板等部分構(gòu)成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進(jìn)行分析處理的相關(guān)VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現(xiàn)場錄制的切割聲音信號進(jìn)行讀取的程序框圖和前面板。

2 數(shù)字濾波

從圖2中可以看到，工作現(xiàn)場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進(jìn)行數(shù)字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數(shù)字濾波的作用就是對信號進(jìn)行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經(jīng)典數(shù)字濾波

按照一定規(guī)律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區(qū)域；而工作現(xiàn)場環(huán)境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設(shè)計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經(jīng)典的數(shù)字濾波器從實(shí)現(xiàn)方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點(diǎn)是相位特性不好控制，而FIR具有嚴(yán)格的線性相位特性[3]。此處預(yù)設(shè)輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設(shè)計了采樣點(diǎn)數(shù)、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設(shè)計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實(shí)現(xiàn)。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達(dá)到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進(jìn)行濾波，其中窗函數(shù)類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經(jīng)典數(shù)字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統(tǒng)的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩(wěn)的信號。水切割機(jī)工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩(wěn)信號，因此需要采用專門針對非平穩(wěn)信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現(xiàn)出來的新的分析方法，其中應(yīng)用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應(yīng)用于非平穩(wěn)信號的分析，成為工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的工具，在信號的多尺度分析、特征點(diǎn)檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領(lǐng)域的軟件，實(shí)現(xiàn)小波變換具有重要的實(shí)際意義。

LabVIEW軟件中直接實(shí)現(xiàn)小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯(lián)合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數(shù)選用這些基本小波。當(dāng)這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設(shè)計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進(jìn)程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設(shè)計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實(shí)值的有限沖擊響應(yīng)濾波器，所以只需要在半個平面上進(jìn)行以上的設(shè)計，可以根據(jù)顯示在設(shè)計面板下方的濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)和零點(diǎn)分布情況選擇各項參數(shù)，同時在設(shè)計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數(shù)。

2.3 小波去噪仿真實(shí)例

水切割機(jī)工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點(diǎn)，對非平穩(wěn)信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點(diǎn)。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產(chǎn)生一個正弦信號，同時在第250點(diǎn)處加入一個沖激信號，用來模擬實(shí)際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實(shí)際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經(jīng)典數(shù)字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發(fā)現(xiàn)原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進(jìn)行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點(diǎn)處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態(tài)信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規(guī)律。對信號進(jìn)行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進(jìn)行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態(tài)信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實(shí)質(zhì)是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉(zhuǎn)化為對其權(quán)系數(shù)的研究。傅里葉變換中，標(biāo)準(zhǔn)基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內(nèi)是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實(shí)現(xiàn)FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數(shù)發(fā)生器VI生成。

4 結(jié)語

針對水切割機(jī)切割過程優(yōu)化控制的需求，本文提出根據(jù)聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設(shè)計了對切割聲音信號進(jìn)行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續(xù)可以根據(jù)水切割機(jī)工作現(xiàn)場的工況條件，安裝實(shí)時采集聲音信號的硬件設(shè)備，結(jié)合LabVIEW快速分析處理的特點(diǎn)，搭建通過切割聲音信號反映切割質(zhì)量的反饋平臺。

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