一种基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法与流程

本发明属于沙料含水率检测，尤其涉及一种基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法。

背景技术：

1、在混凝土搅拌、建筑材料生产及沙石加工等领域，沙料含水率直接影响配合比精度、产品质量与工艺稳定性。传统烘干称重法检测周期长，难以满足在线实时控制需求。微波、电容、近红外等在线检测方法普遍需要对传感器进行严格标定，且易受物料密度、温度、成分波动及安装条件影响，设备成本较高。落料声纹分析作为一种非接触式检测手段，虽然具有结构简单、响应快的优势，但实际采集的声学信号中往往混杂接料板结构共振、环境噪声以及传感器幅值响应不一致等干扰，导致干湿状态相关的冲击高频特征被掩盖，现有基于单一传声器频谱能量的方法通常需要进行绝对声压标定，对结构共振峰敏感，鲁棒性不足，难以在常规工况下快速部署。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于提供一种基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，旨在解决上述问题。

2、本发明是这样实现的，一种基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，包括以下步骤：s10，同步采集落料过程中接料板的结构振动数字信号和空间声学数字信号，基于短时局部期望算子计算得到未标定绝对幅值的振动自功率谱密度和声学自功率谱密度；s20，从未标定绝对幅值的振动自功率谱密度中动态提取多阶主导模态的当前共振频率与当前阻尼比，直接构建用于表征结构以加速度为辐射源的放大效应的无量纲共振形态滤波器；s30，利用无量纲共振形态滤波器和带通窗函数，对未标定绝对幅值的声学自功率谱密度进行频域自适应逆滤波，压制结构共振峰的能量突出并限制有效频带，得到形态解耦后的沙料冲击激励自功率谱密度；s40，根据形态解耦后的沙料冲击激励自功率谱密度，计算表征沙料冲击高频衰减特征的谱质心频率；s50，融合一阶主导模态的当前阻尼比与谱质心频率，构建无量纲干湿状态指数，并通过引入具备已知真实质量含水率的饱和湿润沙料边界标定常量，计算并输出沙料质量含水率百分数。

3、进一步的技术方案，所述步骤s20中，动态提取多阶主导模态的当前共振频率与当前阻尼比的具体实施机制为：采用基于局部窄带平坦假设联合背景基线补偿的曲线拟合法，在以初始共振峰值为中心的截断窄带频率窗口内，将沙料冲击的有色激励谱近似为低阶多项式基线，并利用带有该低阶多项式基线补偿的频响函数模型进行非线性最小二乘拟合，以解耦背景谱形状干扰；同时，通过计算模态峰值能量在结构总振动响应能量中的累计占比阈值，自适应截断并确定多阶主导模态的总阶数。

4、进一步的技术方案，所述步骤s30中，带通窗函数具体采用巴特沃斯带通滤波器，其设定的有效下限角频率与上限角频率构成的隔离频段用于滤除低频气流干扰与高频非线性底噪；所述频域自适应逆滤波过程引入的无量纲微小正则化常数为非零极小正值，用于防止逆向衰减除法在非共振局域产生数值发散。

5、进一步的技术方案，所述步骤s10中，无需进行传感器绝对物理量标定，直接基于采集设备的数字量化值获取频域能量分布，其具体计算机制为：对局部截断时窗内的接料板的结构振动数字信号和空间声学数字信号，分别应用时窗函数抑制频谱泄漏后进行频域映射；将短时局部期望算子作用于频域映射结果的能量尺度上，通过执行短时准稳态过程的平滑统计平均，以提取能够表征落料冲击随机特性的能量频域分布，从而分别获得未标定绝对幅值的振动自功率谱密度和未标定绝对幅值的声学自功率谱密度。

6、进一步的技术方案，所述步骤s20中，无量纲共振形态滤波器无需先验结构刚度与质量参数，其频域映射机制严格受限于以下结构动力学物理约束条件：在频域趋近各阶当前共振频率的局域频段内，无量纲共振形态滤波器的幅值响应表现为由各阶所述当前阻尼比唯一主导的高增益能量突起特征；在频域高于最高阶当前共振频率的延伸频段内，无量纲共振形态滤波器的幅值响应呈现出不随频率递减的平坦渐近特性；结合高增益能量突起特征与平坦渐近特性，构建无量纲共振形态滤波器，模拟以加速度为直接辐射源的结构声辐射路径对冲击激励能量的动态放大效应。

7、进一步的技术方案，所述步骤s30中，对未标定绝对幅值的声学自功率谱密度进行频域自适应逆滤波的具体操作机制为：在频域维度上，将未标定绝对幅值的声学自功率谱密度的幅值尺度，相对于无量纲共振形态滤波器的响应尺度进行逆向衰减除法运算，以解耦结构共振路径的能量畸变；在此逆滤波过程中，同步引入非零的无量纲微小正则化常数以防止除法运算中的数值奇异性发散，并利用无量纲带通窗函数在频域上截除低频气流干扰频段与高频非线性底噪频段，隔离非有效频带内的噪声被逆向放大的干扰风险，最终生成形态解耦后的沙料冲击激励自功率谱密度。

8、进一步的技术方案，所述步骤s40中，谱质心频率的计算因概率密度分布期望机制，免疫于测量链路的绝对幅值缩放，具体计算机制为：在无量纲带通窗函数设定的有效下限角频率与上限角频率所构成的积分频带内，将形态解耦后的沙料冲击激励自功率谱密度作为频率轴上的能量权重函数；计算物理角频率在积分频带内的一阶谱矩中心，并将该能量分布的质量加权中心作为谱质心频率输出，用以量化因湿沙流变缓冲效应引起的冲击频带整体向低频迁移的物理现象。

9、进一步的技术方案，所述步骤s50中，无量纲干湿状态指数与沙料质量含水率百分数的具体映射机制为：计算一阶主导模态的当前阻尼比相对于预先测得的基准阻尼比的增量演化因子，以及预先测得的基准谱质心频率相对于谱质心频率的迁移演化因子，并将两者基于单调正相关的融合准则运算，生成无量纲干湿状态指数；基于无量纲干湿状态指数，构建一个趋于饱和边界的非线性渐近映射函数，使得估测输出的沙料质量含水率百分数的值域被严格约束在0至100%之间。

10、进一步的技术方案，所述非线性渐近映射函数的边界曲率由具备已知真实质量含水率的饱和湿润沙料边界标定常量唯一控制，该标定常量通过联立单次饱和湿沙落料测试过程中的已知真实质量含水率及其对应的实时无量纲干湿状态指数逆向求解获取。

11、相比于现有技术，本发明的有益效果：

12、1.本发明通过同步采集结构振动与空间声学信号，利用振动谱构建共振形态滤波器并对声学谱进行逆滤波，有效压制接料板结构共振峰干扰，提取更纯粹的沙料冲击激励特征，提高含水率估测鲁棒性。

13、2.本发明无需传感器绝对物理量标定，仅利用数字量化值及比值型特征，简化了系统部署和校准流程，降低对专业标定设备和人员的依赖，便于在搅拌站等工业现场快速部署。

14、3.本发明通过单次饱和湿沙边界标定即可确定含水率映射参数，无需大量样本训练，在线计算量小，能够实时输出沙料质量含水率百分数，满足连续生产过程中的在线监控需求。

1.一种基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s20中，动态提取多阶主导模态的当前共振频率与当前阻尼比的具体实施机制为：

3.根据权利要求1所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s30中，带通窗函数具体采用巴特沃斯带通滤波器，其设定的有效下限角频率与上限角频率构成的隔离频段用于滤除低频气流干扰与高频非线性底噪；所述频域自适应逆滤波过程引入的无量纲微小正则化常数为非零极小正值，用于防止逆向衰减除法在非共振局域产生数值发散。

4.根据权利要求1所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s10中，无需进行传感器绝对物理量标定，直接基于采集设备的数字量化值获取频域能量分布，其具体计算机制为：

5.根据权利要求4所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s20中，无量纲共振形态滤波器无需先验结构刚度与质量参数，其频域映射机制严格受限于以下结构动力学物理约束条件：

6.根据权利要求5所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s30中，对未标定绝对幅值的声学自功率谱密度进行频域自适应逆滤波的具体操作机制为：

7.根据权利要求6所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s40中，谱质心频率的计算因概率密度分布期望机制，免疫于测量链路的绝对幅值缩放，具体计算机制为：

8.根据权利要求7所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述步骤s50中，无量纲干湿状态指数与沙料质量含水率百分数的具体映射机制为：

9.根据权利要求8所述的基于落料声纹分析的沙料干湿比例估测方法，其特征在于，所述非线性渐近映射函数的边界曲率由具备已知真实质量含水率的饱和湿润沙料边界标定常量唯一控制，该标定常量通过联立单次饱和湿沙落料测试过程中的已知真实质量含水率及其对应的实时无量纲干湿状态指数逆向求解获取。