基于声信号的农用喷嘴堵塞检测方法及试验研究

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农用喷嘴的滤网性堵塞是施药过程中常见的喷嘴故障。常用的农用喷雾设备会根据不同的喷雾需求搭载不同类型的喷嘴,且搭载的喷嘴数量较多,目前常用的方法很难进行多喷嘴的故障检测。基于这一点,本研究根据对农用喷嘴的已有研究及市场占有率的调研,选取了具有代表性的农用喷嘴,并提出了一种基于声信号的农用喷嘴滤网堵塞检测方法,探讨利用麦克风阵列的声源识别定位能力来检测双喷嘴中喷嘴的堵塞情况,并通过试验证明了方法的可行性,能够更便捷地检验喷嘴的堵塞情况,为基于声信号检测喷嘴堵塞问题提供有力依据。主要研究结论如下:1、结合农用喷嘴的结构、工作原理和农药属性进行喷嘴不同堵塞类型及产生堵塞的原因原分析,得出喷嘴滤网性堵塞是目前农业喷雾领域中发生频率极高的故障,确定本文研究的堵塞类型为喷嘴的滤网性堵塞。根据实际喷雾作业中农用喷嘴的使用情况,选取了具有足够的代表性的常规扇形喷嘴、空心锥喷嘴和防飘移喷嘴3种类型6种不同型号的农用喷嘴进行堵塞试验。根据堵塞原因分析,确定了喷嘴滤网的不同堵塞模式及不同堵塞程度对喷雾流量影响的模拟试验。对试验结果进行统计分析,结果显示在同一喷雾压力下,喷嘴不同堵塞模式对喷雾流量变化的影响在统计学上无显著差异,而喷嘴堵塞程度对喷嘴流量变化的影响存在显著差异。2、在分析近场阵列声波传递模型的基础上,结合时延估计和波束形成算法,进行阵列布置方式对双声源定位识别能力试验,结果得到了一个恰当的环形麦克风阵列布置方式,达到声源识别定位和提高信号质量的作用。试验确定麦克风阵列的声源识别和定位的合适阵型为三层环形阵列(阵列设置三层麦克风,第一层布置半径为R=36cm,数目M1=5个;阵列第二层R=29cm,数目M2=5个;阵列第三层R=22cm,M3=5个)。通过试验得出了环形麦克风阵列的布置方式对于提高声源定位识别能力的基本准则:(1)麦克风布置半径和布置层数越大,阵列对声源的定位识别能力越强。(2)同一布置半径上,麦克风数目的增加无法提高阵列的声源定位识别能力。将得到的麦克风阵列的布置方案应用于喷嘴声音信号采集并使用波束形成算法进行阵列信号的处理,处理结果通过峰值信噪比的评估方法能够有效的提升目标信号的信噪比,改善声源质量。3、根据喷雾发声的声学传输率变化的可检测性,利用麦克风阵列的声源识别定位能力,提出了基于声信号检测双喷嘴的滤网堵塞及堵塞程度的方法。该方法包括以下几个步骤:(I)信号数据序列的采集;(II)信号预处理;(III)功率谱密度计算;(IV)频带功率计算;(Ⅴ)去除异常值;(Ⅵ)频带功率差异计算;(Ⅶ)频带功率差异求和;(Ⅷ)确定阈值检测喷嘴堵塞。该方法使用6种具有代表性的农用喷嘴和80不锈钢防滴滤网,在0.2-0.4MPa的喷雾压力下,对喷嘴滤网的三种堵塞程度(D1、D2、D3)进行试验。试验结果表明,随着喷雾压力的增大检测方法的检测性能会降低。在喷雾压力为0.2MPa和0.3MPa下,对不同程度堵塞情况下检测的准确率可以达到94%和83%。当喷嘴发生堵塞时,从喷嘴外部测量的声压响应中观察到功率谱密度是呈现下降趋势,而且频带功率差异之和(SAD)随着滤网堵塞程度的增加而减小。同种型号的不同喷嘴对于检测结果的准确性在统计学上没有显著影响。
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