一种超声凝固过程中空化噪声分离方法及系统

技术领域

本发明涉及先进材料制备及加工技术领域，特别是涉及一种超声凝固过程中空化噪声分离方法及系统。

背景技术

超声凝固是指利用功率超声产生空化效应来调控合金熔体凝固过程的一种材料制备方法。其中，空化效应的强弱是影响调控效果的主要因素。因此，高温熔体中空化效应的精确测量是提升调控效果获得高性能材料的重要前提。

受高温环境的影响，金属熔体中空化效应的测量以空化噪声法为主，重要分为时域法和频域法两类：(1)时域法以传感器测得的空化噪声总声压级、总声强级做为空化效应的表征量，然而，空化噪声成分复杂，包含了超声驱动噪声、稳态空化噪声、瞬态空化噪声等，其中超声驱动噪声与空化效应无关，因此时域法并不能准确表征空化效应的强弱；(2)频域法则对传感器测得的空化噪声进行频谱分析，通过频域特征将不同的空化噪声成分分离出来，消除超声驱动噪声的影响，可以准确表征空化效应的强弱。但由于空化是一个强烈的非线性混沌过程，空化噪声频谱成分复杂，且存在毛刺多、随机频率偏移等问题，给频域特征选取、频带范围等分离参数的自适应选取等带来较大困难，直接影响空化效应表征的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声凝固过程中空化噪声分离方法及系统，用以降低空化噪声频谱毛刺的影响，提高空化噪声分离质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超声凝固过程中空化噪声分离方法，包括：

获取空化噪声信号的原始频谱；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声以及瞬态空化噪声；

对所述原始频谱进行分段，并基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱；

在设定的功率超声换能器驱动频率的1kHz邻域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为驱动噪声中心频率；所述驱动噪声中心频率对应的所述拟合谱的频谱为驱动噪声分量；

根据所述功率超声换能器驱动频率以及所述驱动噪声量的中心频率，确定谐波频率域；

在所述谐波频率域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为稳态空化噪声中心频率；

基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量；

从所述原始频谱中除去所述驱动噪声分量和所述稳态空化噪声分量，剩余为瞬态空化噪声分量。

可选地，所述获取空化噪声信号的原始频谱，具体包括：

采集合金熔体内的空化噪声信号；

对所述空化噪声信号进行N点离散傅里叶变换，得到空化噪声信号的原始频谱；N为正整数。

可选地，所述基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱，具体包括：

对分段后的原始频谱采用m阶多项式进行拟合，得到初始拟合谱；

对相邻两段所述初始拟合谱的重叠部分进行拼接和平滑处理，得到拟合谱。

可选地，所述基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量，具体包括：

对所述原始频谱和所述拟合谱做谱减法，并对谱减法结果取绝对值；

确定取绝对值后的结果在所述稳态空化噪声中心频率左侧的第2个极值点为线谱带宽起始频点；

确定取绝对值后的结果在所述所述稳态空化噪声中心频率右侧的第2个极值点为线谱带宽结束频点；

根据所述线谱带宽起始频点和所述线谱带宽结束频点确定线谱带宽；所述线谱带宽对应的所述拟合谱的频谱为稳态空化噪声分量。

本发明还提供了一种超声凝固过程中空化噪声分离系统，包括：

原始频谱获取模块，用于获取空化噪声信号的原始频谱；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声以及瞬态空化噪声；

拟合谱获取模块，用于对所述原始频谱进行分段，并基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱；

驱动噪声分量确定模块，用于在设定的功率超声换能器驱动频率的1kHz邻域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为驱动噪声中心频率；所述驱动噪声中心频率对应的所述拟合谱的频谱为驱动噪声分量；

谐波频率域确定模块，用于根据所述功率超声换能器驱动频率以及所述驱动噪声量的中心频率，确定谐波频率域；

稳态空化噪声中心频率确定模块，用于在所述谐波频率域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为稳态空化噪声中心频率；

稳态空化噪声分量确定模块，用于基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量；

瞬态空化噪声分量确定模块，用于从所述原始频谱中除去所述驱动噪声分量和所述稳态空化噪声分量，剩余为瞬态空化噪声分量。

可选地，所述原始频谱获取模块具体包括：

采集单元，用于采集合金熔体内的空化噪声信号；

离散傅里叶变换单元，用于对所述空化噪声信号进行N点离散傅里叶变换，得到空化噪声信号的原始频谱；N为正整数。

可选地，所述拟合谱获取模块具体包括：

拟合单元，用于对分段后的原始频谱采用m阶多项式进行拟合，得到初始拟合谱；

拼接和平滑处理单元，用于对相邻两段所述初始拟合谱的重叠部分进行拼接和平滑处理，得到拟合谱。

可选地，所述稳态空化噪声分量确定模块具体包括：

谱减法单元，用于对所述原始频谱和所述拟合谱做谱减法，并对谱减法结果取绝对值；

线谱带宽起始频点确定单元，用于确定取绝对值后的结果在所述稳态空化噪声中心频率左侧的第2个极值点为线谱带宽起始频点；

线谱带宽结束频点确定单元，用于确定取绝对值后的结果在所述所述稳态空化噪声中心频率右侧的第2个极值点为线谱带宽结束频点；

稳态空化噪声分量确定单元，用于根据所述线谱带宽起始频点和所述线谱带宽结束频点确定线谱带宽；所述线谱带宽对应的所述拟合谱的频谱为稳态空化噪声分量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种超声凝固过程中空化噪声分离方法，包括：获取空化噪声信号的原始频谱；对所述原始频谱进行分段，并基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱；在设定的功率超声换能器驱动频率的1kHz邻域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为驱动噪声中心频率；所述驱动噪声中心频率对应的所述拟合谱的频谱为驱动噪声分量；根据所述功率超声换能器驱动频率以及所述驱动噪声量的中心频率，确定谐波频率域；在所述谐波频率域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为稳态空化噪声中心频率；基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量；从所述原始频谱中除去所述驱动噪声分量和所述稳态空化噪声分量，剩余为瞬态空化噪声分量。本发明基于m阶多项式的频谱分段拟合与平滑方法获得了平滑的拟合谱，抑制了频谱毛刺带来的干扰，并通过去毛刺的拟合谱来计算各线谱的中心频率与占用频带，实现了空化噪声各分量的精确分离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例超声凝固过程中空化噪声分离方法的流程图；

图2为本发明实施例对所述原始频谱进行分段的示意图；

图3为本发明实施例谱减法结果

图4为本发明实施例谱减法结果绝对值

图5为本发明实施例线谱带宽确定示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超声凝固过程中空化噪声分离方法及系统，用以降低空化噪声频谱毛刺的影响，提高空化噪声分离质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的超声凝固过程中空化噪声分离方法，包括以下步骤：

步骤101：获取空化噪声信号的原始频谱；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声以及瞬态空化噪声。

通过采集卡、高温声场传感器等设备采集合金熔体内的空化噪声信号，并对其做65536点的离散傅里叶变换，得到空化噪声信号的原始频谱S。

步骤102：对所述原始频谱进行分段，并基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱。

将S划分为K段，每段为P点，相邻段之间的重叠点数为P/4；使用m阶多项式对每个段进行拟合，使其残差平方和最小，得到分段拟合谱；对相邻段重叠处的拟合谱做中值滤波，最终得到平滑的拟合谱S

作为一个具体的实施例，对频谱S做分段，将S划分为1365段，每段为32点，相邻段之间的重叠点数为8，如图2所示。

分段完成后，使用3阶多项式对每段进行拟合，拟合多项式如下：

S

式中S

对拟合谱相邻两段的重叠部分先做平均处理，完成分段拟合谱的前后拼接，算法如下：

式中

d＝(S

S

S

S

S

式中d表示平滑修正值。

步骤103：在设定的功率超声换能器驱动频率的1kHz邻域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为驱动噪声中心频率；所述驱动噪声中心频率对应的所述拟合谱的频谱为驱动噪声分量。

在获得拟合谱S

步骤104：根据所述功率超声换能器驱动频率以及所述驱动噪声量的中心频率，确定谐波频率域。

由线谱谐波频率与驱动频率之间的关系，建立由L个谐波频率域集合PFA，l次谐波频率域写为PFA

PFA＝{[0.5×j×(f

＝{[l×(f

j＝1…J∩j≠2

步骤105：在所述谐波频率域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为稳态空化噪声中心频率。

上式中，鉴于空化噪声带宽较宽且离散傅里叶变换的频谱分辨率有限，为了避免遗漏，将谐波频率域设为-Δf～Δf。在每个谐波频率域内寻找最大幅值所对应的频率点记为f

本发明采用了实测驱动频率的方式，得到了当前空化噪声驱动频率的真实值f

步骤106：基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量。

对频谱S和其拟合谱S

具体的，对频谱S和其拟合谱S

对谱减法结果

步骤107：从所述原始频谱中除去所述驱动噪声分量和所述稳态空化噪声分量，剩余为瞬态空化噪声分量。

当功率超声施加于熔体时，产生的空化噪声由以下三部分构成：驱动噪声、稳态空化噪声和瞬态空化噪声。其中驱动噪声在频谱上表现为中心频率为f

利用拟合谱S

本发明还提供了一种超声凝固过程中空化噪声分离系统，包括：

原始频谱获取模块，用于获取空化噪声信号的原始频谱；所述空化噪声包括驱动噪声、稳态空化噪声以及瞬态空化噪声；

拟合谱获取模块，用于对所述原始频谱进行分段，并基于m阶多项式对分段后的原始频谱进行拟合和平滑处理，得到拟合谱；

驱动噪声分量确定模块，用于在设定的功率超声换能器驱动频率的1kHz邻域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为驱动噪声中心频率；所述驱动噪声中心频率对应的所述拟合谱的频谱为驱动噪声分量；

谐波频率域确定模块，用于根据所述功率超声换能器驱动频率以及所述驱动噪声量的中心频率，确定谐波频率域；

稳态空化噪声中心频率确定模块，用于在所述谐波频率域内确定所述拟合谱的最大幅值所对应的频率点，作为稳态空化噪声中心频率；

稳态空化噪声分量确定模块，用于基于所述原始频谱、所述拟合谱以及所述稳态空化噪声中心频率，确定稳态空化噪声分量；

瞬态空化噪声分量确定模块，用于从所述原始频谱中除去所述驱动噪声分量和所述稳态空化噪声分量，剩余为瞬态空化噪声分量。

其中，所述原始频谱获取模块具体包括：

采集单元，用于采集合金熔体内的空化噪声信号；

离散傅里叶变换单元，用于对所述空化噪声信号进行N点离散傅里叶变换，得到空化噪声信号的原始频谱；N为正整数。

其中，所述拟合谱获取模块具体包括：

拟合单元，用于对分段后的原始频谱采用m阶多项式进行拟合，得到初始拟合谱；

拼接和平滑处理单元，用于对相邻两段所述初始拟合谱的重叠部分进行拼接和平滑处理，得到拟合谱

其中，所述稳态空化噪声分量确定模块具体包括：

谱减法单元，用于对所述原始频谱和所述拟合谱做谱减法，并对谱减法结果取绝对值；

线谱带宽起始频点确定单元，用于确定取绝对值后的结果在所述稳态空化噪声中心频率左侧的第2个极值点为线谱带宽起始频点；

线谱带宽结束频点确定单元，用于确定取绝对值后的结果在所述所述稳态空化噪声中心频率右侧的第2个极值点为线谱带宽结束频点；

稳态空化噪声分量确定单元，用于根据所述线谱带宽起始频点和所述线谱带宽结束频点确定线谱带宽；所述线谱带宽对应的所述拟合谱的频谱为稳态空化噪声分量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。