基于核密度估計(jì)方法的滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)分析

王　瑾,林蘭天,高　琮,辛斌杰,申炎仃

(上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上?！?01620)

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基于核密度估計(jì)方法的滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)分析

王瑾,林蘭天,高琮,辛斌杰,申炎仃

(上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海201620)

摘要：為了研究滌棉混紡紗拉伸斷裂過程中各組分纖維的斷裂情況，自主搭建了聲發(fā)射信號(hào)采集裝置，分別采集純滌綸、純棉和滌棉混紡環(huán)錠紗的拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)，采用HHT和ICA分析方法將聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，并提取特征量頻率與幅值?；诤嗣芏裙烙?jì)方法對(duì)滌棉混紡紗的拉伸過程中滌綸與棉纖維的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：滌棉混紡紗拉伸過程中其組分纖維的聲發(fā)射信號(hào)可以用特征頻譜表征；在拉伸過程的每一個(gè)階段，各種材料聲發(fā)射特征頻譜的不同可以由特征頻率的核密度估計(jì)表達(dá)，并可推測(cè)其組分纖維的斷裂次序。

關(guān)鍵詞：纖維制造技術(shù)；滌棉混紡紗; 核密度估計(jì); 特征頻譜; 聲發(fā)射; HHT; ICA; 拉伸斷裂

王瑾, 林蘭天, 高琮,等.基于核密度估計(jì)方法的滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)分析 [J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(1):83-87.

WANG Jin, LIN Lantian, GAO Cong,et al.Analysis of acoustic emission signal of polyester/cotton yarns in the moment of tensile fracture by kernel density estimation method[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(1):83-87.

滌棉混紡紗是最常見的二組分混紡紗，其組分中各種纖維的彈性模量、伸長(zhǎng)率以及斷裂強(qiáng)度相差很大，對(duì)成紗的力學(xué)性能尤其是拉伸斷裂強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響[1]。材料受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，應(yīng)變能以彈性波形式釋放會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。不同種類的材料物理化學(xué)屬性和空間結(jié)構(gòu)各不相同，其聲發(fā)射信號(hào)特征也不相同[2-4]。滌棉混紡紗因其組分纖維種類的不同在拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生豐富的聲發(fā)射信號(hào)，若單一組分的聲發(fā)射特征已知，就有可能通過分析聲發(fā)射信號(hào)的特征量獲知混合材料的信號(hào)歸屬。

材料拉伸斷裂的聲發(fā)射信號(hào)是一種非線性、非平穩(wěn)的時(shí)域信號(hào)，常選用短時(shí)傅里葉變換(STFT)、小波變換(WT)[5-7]和希爾伯特黃變換(HHT)等時(shí)頻分析方法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)而分析信號(hào)的每一個(gè)頻率分量。希爾伯特黃變換(HHT)作為一種新型時(shí)頻分析方法用于處理非線性非平穩(wěn)信號(hào)具有較高的解析分辨率，在包括紡織材料的材料拉伸斷裂研究中的應(yīng)用在迅速擴(kuò)大[8-11]。紗線的拉伸信號(hào)具有猝發(fā)性，內(nèi)涵豐富，使用以上3種時(shí)頻分析方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻變換會(huì)產(chǎn)生大量的衍生頻率，陳群濤[12]、李林潔[13]、賈瑞生等[14]研究將希爾伯特黃變換(HHT)、獨(dú)立成分分析(ICA)與快速傅里葉分析(FFT)相結(jié)合對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行篩選和剔除實(shí)現(xiàn)了特征信號(hào)的提取。

核密度估計(jì)方法是概率論中用于估計(jì)未知數(shù)據(jù)集的密度函數(shù)，是一種非參數(shù)估計(jì)方法，常用于判別非參數(shù)數(shù)據(jù)集的分布特征，與直方圖估計(jì)相比密度函數(shù)更平滑且不受數(shù)據(jù)維度的限制[15]。由于多種時(shí)頻分析方法相結(jié)合的技術(shù)目前尚不成熟，且紗線因其組分纖維的細(xì)度、長(zhǎng)度、強(qiáng)度、彈性以及斷裂伸長(zhǎng)的不同而造成的纖維差異大，斷裂特征會(huì)有很大不同，因此，所提取的聲發(fā)射信號(hào)特征頻率也具有數(shù)量大(頻率個(gè)數(shù)可達(dá)上千個(gè))、分辨率不高等特點(diǎn)，很難從這些大量特征頻率中分析和辨識(shí)紗線拉伸斷裂的行為。需結(jié)合數(shù)學(xué)方法對(duì)混紡紗中不同組分纖維的聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率進(jìn)行分類和識(shí)別以分析其紗線整體的拉伸斷裂機(jī)理。本文基于核密度估計(jì)的方法，從概率分布密度的角度來判斷滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)。

圖1　聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1　Diagram of acoustic emission testing system

1試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)材料與設(shè)備

3種環(huán)錠紗：純棉紗(21 s)、滌綸紗(20 s)、滌棉混紡紗(21 s T/C40/60)；凡士林(耦合劑)；YG065C型電子織物強(qiáng)力儀。

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)系自主搭建,其示意圖如圖1所示，主要由聲發(fā)射傳感器、信號(hào)放大器、M2i.4911-exp型多通道數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集控制軟件4個(gè)部分組成。

1.2　試驗(yàn)方法

將試樣固定在電子織物強(qiáng)力儀的夾具上，將PVDF傳感器背面粘貼軟磁鐵，其接觸紗線面涂抹適量凡士林，調(diào)整PVDF傳感器支架使傳感器接觸紗線，將薄鐵片輕輕地貼附在PVDF傳感器正面，使紗線與傳感器充分接觸。設(shè)定電子織物拉伸儀試驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)采集軟件參數(shù)，進(jìn)行紗線的定速拉伸試驗(yàn)。

電子織物拉伸儀拉伸速度為250 mm/min，試樣拉伸隔距為70 mm，每組試驗(yàn)次數(shù)為15次。環(huán)境溫度t=(25±2)℃，相對(duì)濕度RH=65%。試驗(yàn)前已將試樣在試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條件下放置24 h，以使試樣達(dá)到平衡回潮率。

數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置采樣啟動(dòng)閾值為10 mV，采樣頻率10 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)2×106。

2對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的處理

對(duì)純滌綸、純棉與滌棉混紡環(huán)錠紗的拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分解，得到數(shù)千個(gè)準(zhǔn)特征頻率，經(jīng)過篩選、剔除之后形成相互獨(dú)立的頻率集合，其數(shù)量近千個(gè)，仍無(wú)法對(duì)單個(gè)頻率或者某個(gè)頻率段進(jìn)行判斷或者定義。因此，探討以聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率譜來表征紗線拉伸斷裂情況。聲發(fā)射信號(hào)的處理過程如下。

1)以Matlab軟件為平臺(tái)編制聲發(fā)射信號(hào)處理程序，分別處理滌綸紗、純棉紗的拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)(見圖2、圖3)，以圖中橫坐標(biāo)上主斷裂區(qū)中的聲發(fā)射信號(hào)主峰峰值點(diǎn)為中心向左右兩邊各截取10 000點(diǎn)作為分析區(qū)間。從圖2、圖3的聲發(fā)射信號(hào)圖可以看出，拉伸斷裂是一個(gè)過程，材料的斷裂不是瞬間完成的。根據(jù)采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，可知拉伸斷裂過程中材料的應(yīng)力應(yīng)變能集中釋放，持續(xù)時(shí)間為(2±0.4) ms。

圖2　滌綸紗拉伸斷裂的原始信號(hào)Fig.2　Original signal of polyester yarn in tensile fracture process

圖3　純棉紗拉伸斷裂的原始信號(hào)Fig.3　Original signal of cotton yarn in tensile fracture process

2)以希爾伯特黃變換(HHT)為基本算法對(duì)解析信號(hào)作獨(dú)立成分分析(ICA)[10-11]；對(duì)各獨(dú)立成分作快速傅里葉變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)得到幅值譜，從中篩選出幅值為前5%的峰值點(diǎn)；而后，對(duì)比滌綸紗和純棉紗聲發(fā)射信號(hào)的15個(gè)樣本，將獨(dú)有頻率以及高頻數(shù)(相對(duì)另一種纖維)作為該種纖維的拉伸斷裂聲發(fā)射特征頻率集合。該集合涵蓋了被測(cè)材料包括纖維間滑移、伸長(zhǎng)、斷裂在內(nèi)的全部信息。

3)對(duì)滌棉混紡紗拉伸斷裂信號(hào)進(jìn)行分段處理，操作方法同上。分段處理方法如下：以聲發(fā)射信號(hào)主峰峰值點(diǎn)為中心前后10 000點(diǎn)為分段，該段即滌棉混紡紗的主斷裂區(qū)。為了識(shí)別特征信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間位置，觀察聲發(fā)射信號(hào)原始圖，以主斷裂區(qū)為基礎(chǔ)段，分別向左推移10 000點(diǎn)2次，在主斷裂區(qū)前截取2段有效信號(hào)；而后以主斷裂區(qū)為基礎(chǔ)段向右同樣截取7段，加上主斷裂區(qū)1段，共截取有效信號(hào)11段。以滌綸紗和純棉紗2組紗線的特征信號(hào)為依據(jù)，在滌棉混紡紗的11個(gè)分段中尋找滌綸紗與純棉紗的特征頻率。滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)圖如圖4所示。

圖4　滌棉混紡紗的拉伸斷裂原始信號(hào)Fig.4　Original signal of the polyester/cotton yarn in tensile fracture process

3基于核密度估計(jì)的聲發(fā)射信號(hào)分析

核密度估計(jì)具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)聚類分析特點(diǎn)，能很好地對(duì)滌綸紗和純棉紗的特征頻率進(jìn)行分類分析[15]。為了對(duì)滌棉混紡紗拉伸斷裂過程中滌綸與棉纖維的斷裂的特征頻譜進(jìn)行分析，本文利用Matlab平臺(tái)自帶的ksdensity函數(shù)[16]對(duì)每一段滌棉混紡紗的信號(hào)分解后尋找到的滌綸和純棉紗的特征頻率組合做概率密度分析，計(jì)算得每一分段兩種單一纖維紗線的特征頻率的概率分布，從而獲得滌綸和純棉紗各自拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)特征頻率分布概率密度估計(jì)，如圖5所示。

圖5　滌綸和純棉紗拉伸斷裂信號(hào)特征頻率的概率密度估計(jì)Fig.5　Probability density of characteristic frequency on acoustic signal of polyester and cotton yarns in tensile failure process

從圖5可知，滌綸紗和純棉紗兩者特征頻率的概率密度分布曲線具有相似性，但也存在差異：純棉紗的特征頻率在低頻部分較密集，滌綸的特征頻率在高頻部分較密集；二者的概率密度最高的頻率主要分布在1×106Hz左右，滌綸斷裂的特征頻率概率密度最大值為1.124×106Hz，棉纖維斷裂的特征頻率概率密度最大值為1.104×106Hz。由于信號(hào)分析區(qū)間選在主斷裂區(qū)，即斷裂能量最為集中釋放的區(qū)間，因此1.124 MHz可視作為滌綸斷裂的特征頻率，1.104 MHz可視作為棉纖維斷裂的特征頻率。

對(duì)滌棉混紡紗拉伸斷裂聲發(fā)射信號(hào)主斷裂區(qū)及主斷裂區(qū)前3段進(jìn)行與滌綸紗和純棉紗特征頻率相關(guān)的核密度估計(jì)分析，分別得到主斷裂區(qū)及主斷裂區(qū)前3段的滌綸與棉纖維特征頻率的概率密度，如圖6、圖7所示。而滌棉混紡紗拉伸斷裂各階段滌綸與棉特征頻率的概率密度分布見圖8。

圖6　滌棉混紡紗主斷裂峰及其前3段滌綸聲發(fā)射信號(hào)的頻率概率密度Fig.6　Probability density of characteristic frequency on the main peak and the former three parts of polyester of polyester/cotton yarn in tensile failure process

圖7　滌棉混紡紗主斷裂區(qū)及其前3段棉特征信號(hào)的頻率概率密度Fig.7　Probability density of characteristic frequency on the main peak and the former three parts of cotton of polyester/cotton yarn in tensile failure process

圖8　滌棉混紡紗拉伸過程中各階段最大概率密度點(diǎn)曲線圖Fig.8　Curves of the maximum probability densitypoints on polyester/cotton yarn in tensile failure process

圖6、圖7顯示滌綸、棉紗的聲發(fā)射信號(hào)特征頻率概率核心密度值在這4段有明顯差異。一般而言，紗線拉伸斷裂過程包括纖維伸長(zhǎng)、斷裂和滑移，纖維斷裂時(shí)內(nèi)部應(yīng)變能瞬間釋放產(chǎn)生高頻信號(hào)，纖維間滑移時(shí)產(chǎn)生低頻信號(hào)。圖7顯示棉纖維在第1段(主斷裂區(qū)前第3段)的特征頻率高密度集中在相對(duì)低頻段(0.5 MHz左右)，而主斷裂區(qū)概率密度最大的特征頻率在1 MHz左右，未靠近主斷裂區(qū)，可推測(cè)主要為棉纖維間的摩擦滑移與纖維伸長(zhǎng)，無(wú)纖維斷裂，這與紗線力學(xué)性能基本一致；圖7第2段和第3段的特征頻率概率密度分布曲線形態(tài)極為相似，特征頻率帶與主斷裂區(qū)(第4段)重合較多、頻率帶中心接近(即高概率密度的頻率相近)，呈現(xiàn)明顯的纖維開始斷裂跡象。圖6第1、第2段的特征頻率也高密度集中在相對(duì)低頻段(0.5 MHz左右)，說明滌綸在第1，2段(主斷裂區(qū)前第2，3段)并未發(fā)生斷裂，可推測(cè)主要為滌綸短纖間的摩擦滑移與纖維伸長(zhǎng)；滌綸僅在第3段的特征頻率概率密度分布曲線分布與第四段(主斷裂區(qū))曲線重合較多，呈現(xiàn)纖維開始斷裂跡象。

從圖8可知，隨著拉伸過程的進(jìn)行，棉纖維的分段概率核心密度值在前3段呈線性增加，在第2段核密度曲線開始部分覆蓋表征棉纖維斷裂的核心密度值為1.104 MHz，；滌綸的特征頻率概率核心密度值在前2段(主峰前第3段和第2段)變化較小，從第3段(主峰前第1段)開始增加，從第3段(主峰前面1段)開始增加并部分覆蓋表征滌綸纖維斷裂的核心密度值為1.124 MHz，在主斷裂區(qū)則完全覆蓋。結(jié)合圖6和圖7，可初步判斷棉纖維在主斷裂峰前第2階段就已經(jīng)開始斷裂，而滌綸的斷裂起始于第3階段。從主斷裂區(qū)延后5段(即第5至第9段)，棉纖維的特征頻率概率核心密度值逐段降低，在第9段到第11段則有1次先升后降現(xiàn)象，但其峰值已距離主斷裂的核心密度值1 MHz較遠(yuǎn)，說明滌棉混紡紗中棉纖維斷裂時(shí)間開始于第2段時(shí)間，集中斷裂在主斷裂區(qū)，而后僅有少量纖維補(bǔ)充斷裂；而滌綸在第5段到第11段內(nèi)有2次升高，且第1次升高接近1 MHz，結(jié)合圖6分析，主斷裂區(qū)的概率密度峰頂寬而平，表明這一段滌綸的特征頻率非常豐富，即滌綸的斷裂一直在這一段高密度地發(fā)生，且在后續(xù)仍有集中斷裂的區(qū)段，說明滌棉混紡紗中滌綸纖維斷裂時(shí)間開始于第3段時(shí)間，集中斷裂在主斷裂區(qū)及第7段，而后還有1次少量纖維補(bǔ)充斷裂。滌綸與棉纖維在滌棉混紡紗拉伸過程中斷裂現(xiàn)象符合經(jīng)典紡織材料學(xué)中短纖維紗線拉伸斷裂的描述?；旒徏喸诶鞌嗔堰^程中不同組分纖維斷裂不是同步的，其斷裂的先后次序與其材料本身的力學(xué)性能有關(guān)。

4結(jié)論

1)滌棉混紡紗拉伸過程中其組分纖維的聲發(fā)射信號(hào)可以用特征頻譜表征，該特征頻譜包含滌綸與棉纖維所有的聲發(fā)射特征頻率，且一種纖維的所有特征頻率在核心密度值上與其他纖維材料不同；

2)采用核密度估計(jì)方法對(duì)拉伸過程中滌綸與棉纖維聲發(fā)射信號(hào)的特征頻率進(jìn)行概率密度估計(jì)，可知拉伸過程中滌綸斷裂的特征頻率核心密度值為1.124×106Hz，棉纖維斷裂的特征頻率核心密度值為1.104×106Hz；

3)滌棉混紡紗拉伸過程的每一個(gè)時(shí)間段，其組分纖維的聲發(fā)射特征頻譜各不相同，可以用特征頻率的核密度估計(jì)表征特征頻率譜中各頻段的出現(xiàn)密集程度；

4)本文從核密度估計(jì)角度研究滌棉混紡紗拉伸過程，發(fā)現(xiàn)棉纖維比滌綸先發(fā)生斷裂，集中斷裂在主斷裂區(qū)，而后還有再次發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，說明材料性能的差異與材料拉伸斷裂過程中的聲發(fā)射信號(hào)特征頻率的核密度估計(jì)有關(guān)。

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Analysis of acoustic emission signal of polyester/cotton yarns in the moment of tensile fracture by kernel density estimation method

WANG Jin, LIN Lantian, GAO Cong, XIN Binjie, SHEN Yanding

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract:To study tensile fracture of various component fibers of polyester/cotton yarns, acoustic emission signal acquisition device is built, which is used to collect the acoustic emission signals of polyester, cotton and polyester/cotton ring spun yarn, respectively. The acoustic emission time domain signal is translated into frequency domain signal by HHT and ICA analysis method, and the frequency and amplitude are extracted. Based on kernel density estimation method, acoustic emission signals of polyester fibers and cotton fibers in the tensile process of polyester/cotton yarns are analyzed. The results show that frequency spectrum can be used to characterize the acoustic emission signals of the component fibers, the difference of characteristic frequency spectrum of acoustic emission signal of various materials can be expressed by kernel density estimation of characteristic frequency in each stage of tensile fracture process, and the fracture order of the component fibers can be deduced.

Keywords:fiber manufacturing technology; polyester/cotton yarn; kernel density estimation; characteristic frequency spectrum; acoustic emission; HHT; ICA; tensile fracture

通訊作者：林蘭天教授。E-mail:llt39@126.com

作者簡(jiǎn)介：王瑾(1989—)，女，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事紡織品檢測(cè)方面的研究。

基金項(xiàng)目：上海市教委學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(XKCZ1207)

收稿日期：2015-08-14；修回日期：2015-11-11；責(zé)任編輯：張軍

中圖分類號(hào)：TS107.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01014

文章編號(hào)：1008-1542(2016)01-0083-05