本发明涉及道路工程质量检测技术领域，具体涉及一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统及方法。
背景技术：
在建筑工程中，混凝土的使用必不可少，特别是现有的建筑，大都结构梁、柱、墩、桩等都需要使用到。因此混凝土质量的优劣，直接影响到建筑物结构的耐久性和安全性，特别是对于隧道工程，混凝土质量的优劣制约着隧道工程经济和社会效益的发挥。当施工工艺不规范、工序不严格或是管理不当，会造成隧道衬砌厚度不足、衬砌于围岩接触不密实，出现空洞、衬砌变形裂损、漏水、甚至掉块等安全问题。其中衬砌的掉块和脱落对高速列车的安全危害极大，因此，对隧道衬砌缺陷检测是非常必要的。
目前对隧道衬砌表面缺陷检测方法是地质雷达法配合敲击法，即2019年2月1日实施的《铁路隧道工程施工质量验收标准》tb10417-2018中规定隧道衬砌检测应使用地质雷达法配合敲击法。这其中敲击法主要关注检测信号的频率特性(音调)，凭借人耳听对衬砌缺陷进行判断，具体为：敲击法检测过程检测人员在每小时1公里的检测架上，边移动边用激振锤对隧道衬砌进行敲击，敲击声音清脆，发出“铛、铛、铛”的声音说明衬砌混凝土比较密实，如果敲击声音沉闷出现“咚、咚、咚”的声音说明衬砌混凝土存在空洞。但是上述方法检测深度受限，一般不能超过10cm；另外，由于检测过程主要依赖检测人员的主观判断，当检测时间过长，检测人员出现疲劳，其听觉敏感度下降，导致对隧道衬砌质量检测误差增大，检测结果不准确。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是检测过程主要依赖检测人员的主观判断，检测结果不准确，提供一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统及方法，提高对隧道衬砌质量检测结果的准确性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统，包括处理器、激振锤、滤波器和麦克风；所述滤波器包括去耦电容模块、滤波模块和正负电源转换模块；所述麦克风与所述滤波模块的输入端连接，所述滤波模块的输出端与所述处理器连接，所述处理器与所述激振锤连接。
进一步地，所述滤波模块包括第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和第四滤波单元；
所述第一滤波单元、所述第二滤波单元、所述第三滤波单元和所述第四滤波单元依次连接，所述第一滤波单元连接所述滤波模块的输入端，所述第四滤波单元连接所述滤波模块的输出端。
进一步地，所述第一滤波单元包括第一运算放大器、第一电容、第二电容、第十三电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第十六电阻、电源电压和负电压；
所述第一电容的一端连接所述滤波模块的输入端，所述第一电容的另一端分别与所述第二电容的一端和所述第一电阻的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二电容的另一端分别与所述第一运算放大器的同相输入端和所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端接地，所述第一运算放大器的反向输入端分别与所述第十六电阻的一端和所述第十三电容的一端连接，所述第十六电阻的另一端和所述第十三电容的另一端分别连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的输出端与还连接有电源电压和负电压。
进一步地，所述第二滤波单元包括第二运算放大器、第三电容、第四电容、第十四电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第十七电阻；
所述第三电容的一端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第三电容的另一端分别与所述第四电容的一端和所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第四电容的另一端分别与所述第二运算放大器的同相输入端和所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地，所述第二运算放大器的反向输入端分别与所述第十七电阻的一端和所述第十四电容的一端连接，所述第十七电阻的另一端和所述第十四电容的另一端分别连接至所述第二运算放大器的输出端。
进一步地，所述第三滤波单元包括第三运算放大器、第五电容、第六电容、第十五电容、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十八电阻、电源电压和负电压；
所述第五电容的一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第五电容的另一端分别与所述第六电容的一端和所述第七电阻的一端连接，所述第七电阻的另一端与所述第八电阻的一端连接，所述第八电阻的另一端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第六电容的另一端分别与所述第三运算放大器的同相输入端和所述第九电阻的一端连接，所述第九电阻的另一端与所述第十电阻的一端连接，所述第十电阻的另一端接地，所述第三运算放大器的反向输入端分别与所述第十八电阻的一端和所述第十五电容的一端连接，所述第十八电阻的另一端和所述第十五电容的另一端分别连接至所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端与还连接有电源电压和负电压。
进一步地，所述第四滤波单元包括第四运算放大器、第七电容、第八电容、第十六电容、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻和第十九电阻；
所述第七电容的一端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第七电容的另一端分别与所述第八电容的一端和所述第十一电阻的一端连接，所述第十一电阻的另一端与所述第十二电阻的一端连接，所述第十二电阻的另一端与所述第四运算放大器的输出端连接，所述第八电容的另一端分别与所述第四运算放大器的同相输入端和所述第十三电阻的一端连接，所述第十三电阻的另一端与所述第十四电阻的一端连接，所述第十四电阻的另一端与所述第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端接地，所述第四运算放大器的反向输入端分别与所述第十九电阻的一端和所述第十六电容的一端连接，所述第十九电阻的另一端和所述第十六电容的另一端分别连接至所述第四运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的输出端与所述滤波模块的输出端连接。
进一步地，所述正负电源转换模块包括电源转换芯片、二极管、第十七储能电容和第十八储能电容；
所述电源转换芯片上的储能电容正极引脚与所述第十七储能电容的正极连接，所述电源转换芯片上的储能电容负极引脚与所述第十七储能电容的负极连接；所述电源转换芯片上的输出引脚与所述二极管的负极连接，所述二极管的正极分别与负电压和所述第十八储能电容的负极连接，所述第十八储能电容的正极接地；所述电源转换芯片的电源引脚连接所述电源电压，所述电源转换芯片的接地引脚接地。
进一步地，所述去耦电容模块包括第九电容、第十电容、第十一电容和第十二电容；所述第九电容和所述第十电容并联，所述第十电容的一端连接电源电压，另一端接地；所述第十一电容和第十二电容并联，所述第十二电容的一端连接负电压，另一端接地。
进一步地，所述隧道衬砌检测系统还包括耳机；所述耳机与所述处理器连接。
一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述麦克风采集原始声频信号，并将所述原始声频信号发送给滤波器；
所述滤波器对所述原始声频信号进行噪音过滤处理，获取有效声频信号；
所述处理器对所述声频信号进行计算分析处理，获取分析结果，并将所述分析结果与第一预设判断阈值和第二预设判断阈值进行比较，获取检测结果，将所述检测结果转化为检测语音发送给所述耳机。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统及方法，通过麦克风采集激振锤发出的声频信号并发送给滤波器，滤波器对获取的声频信号进行过滤，滤除现场噪音，提高后续处理器的判断结果。在滤除噪音后，滤波器将滤除噪音的声频信号发送给处理器，处理器对声频信号进行判断，并输出检测结果，提高对隧道衬砌质量检测的准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统的结构示意图。
图2为本发明中滤波器的电路原理图。
图3为本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-图2所示，本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统，包括处理器、激振锤、滤波器和麦克风；滤波器包括去耦电容模块、滤波模块和正负电源转换模块；麦克风与滤波模块的输入端p1连接，滤波模块的输出端p2与处理器连接，处理器与激振锤连接。
进一步地，滤波模块包括第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和第四滤波单元。
第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和第四滤波单元依次连接，第一滤波单元连接滤波模块的输入端，第四滤波单元连接滤波模块的输出端。
具体地，激振锤上设置有加速度传感器，当激振锤敲击隧道时，其上的加速度传感器会生成加速度信号，并发送给处理器。处理器在接收到加速度信号后，控制麦克风开启，采集激振锤敲击隧道的声频信号，以防止麦克风采集无效的声频信号。本实施例中有效的声频信号指激振锤敲击隧道的声音信号。
麦克风将采集的声频信号发送给滤波器，滤波器对声频信号进行过滤，以滤除噪音，并将滤除噪音后的声频信号发送给处理器，处理器根据预先设置的处理方法对滤除噪音后的声频信号进行处理，获取检测结果。
其中，处理器中的处理方法具体为：(一)麦克风采集声频信号，并发送给滤波器；(二)滤波器对滤波后的声频信号进行噪音过滤处理，并发送给处理器；(三)处理器对噪音过滤处理后的声频信号进行计算分析处理，获取分析结果，并将分析结果与第一预设判断阈值和第二预设判断阈值进行比较，获取检测结果，将检测结果转化为检测语音发送给耳机。
具体地，处理器在获取噪音过滤处理后的声频信号后，对声频信号进行频谱分析，获取n个声频特征值，通过
其中，第一预设判断阈值和第二预设判断阈值，分别指预先设置的用于判断检测结果是否满足要求的阈值。本实施例中的第一预设判断阈值为1。第二预设判断阈值通过t1＝1+aη计算得到，其中，η为修正系数，
进一步地，第一滤波单元包括第一运算放大器u1、第一电容c1、第二电容c2、第十三电容c13、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第十六电阻r16、电源电压和负电压。
第一电容c1的一端连接滤波模块的输入端，第一电容c1的另一端分别与第二电容c2的一端和第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第一运算放大器u1的输出端连接，第二电容c2的另一端分别与第一运算放大器u1的同相输入端和第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与第三电阻r3的一端连接，第三电阻r3的另一端接地，第一运算放大器u1的反向输入端分别与第十六电阻r16的一端和第十三电容c13的一端连接，第十六电阻r16的另一端和第十三电容c13的另一端分别连接至第一运算放大器u1的输出端，第一运算放大器u1的输出端与还连接有电源电压和负电压。
进一步地，第二滤波单元包括第二运算放大器u2、第三电容c3、第四电容c4、第十四电容c14、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6和第十七电阻r17。
第三电容c3的一端与第一运算放大器u1的输出端连接，第三电容c3的另一端分别与第四电容c4的一端和第四电阻r4的一端连接，第四电阻r4的另一端与第二运算放大器u2的输出端连接，第四电容c4的另一端分别与第二运算放大器u2的同相输入端和第五电阻r5的一端连接，第五电阻r5的另一端与第六电阻r6的一端连接，第六电阻r6的另一端接地，第二运算放大器u2的反向输入端分别与第十七电阻r17的一端和第十四电容c14的一端连接，第十七电阻r17的另一端和第十四电容c14的另一端分别连接至第二运算放大器u2的输出端。
进一步地，第三滤波单元包括第三运算放大器u3、第五电容c5、第六电容c6、第十五电容c15、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十八电阻r18、电源电压和负电压。
第五电容c5的一端与第二运算放大器u2的输出端连接，第五电容c5的另一端分别与第六电容c6的一端和第七电阻r7的一端连接，第七电阻r7的另一端与第八电阻r8的一端连接，第八电阻r8的另一端与第三运算放大器u3的输出端连接，第六电容c6的另一端分别与第三运算放大器u3的同相输入端和第九电阻r9的一端连接，第九电阻r9的另一端与第十电阻r10的一端连接，第十电阻r10的另一端接地，第三运算放大器u3的反向输入端分别与第十八电阻r18的一端和第十五电容c15的一端连接，第十八电阻r18的另一端和第十五电容c15的另一端分别连接至第三运算放大器u3的输出端，第三运算放大器u3的输出端与还连接有电源电压和负电压。
进一步地，第四滤波单元包括第四运算放大器u4、第七电容c7、第八电容c8、第十六电容c16、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第十四电阻r14、第十五电阻r15和第十九电阻r19。
第七电容c7的一端与第三运算放大器u3的输出端连接，第七电容c7的另一端分别与第八电容c8的一端和第十一电阻r11的一端连接，第十一电阻r11的另一端与第十二电阻r12的一端连接，第十二电阻r12的另一端与第四运算放大器u4的输出端连接，第八电容c8的另一端分别与第四运算放大器u4的同相输入端和第十三电阻r13的一端连接，第十三电阻r13的另一端与第十四电阻r14的一端连接，第十四电阻r14的另一端与第十五电阻r15的一端连接，第十五电阻r15的另一端接地，第四运算放大器u4的反向输入端分别与第十九电阻r19的一端和第十六电容c16的一端连接，第十九电阻r19的另一端和第十六电容c16的另一端分别连接至第四运算放大器u4的输出端，第四运算放大器u4的输出端与滤波模块的输出端连接。
进一步地，正负电源转换模块包括电源转换芯片、二极管d1、第十七储能电容c17和第十八储能电容c18。
电源转换芯片上的储能电容正极引脚与第十七储能电容c17的正极连接，电源转换芯片上的储能电容负极引脚与第十七储能电容c17的负极连接；电源转换芯片上的输出引脚与二极管d1的负极连接，二极管d1的正极分别与负电压和第十八储能电容c18的负极连接，第十八储能电容c18的正极接地；电源转换芯片的电源引脚连接电源电压，电源转换芯片的接地引脚接地。
进一步地，去耦电容模块包括第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11和第十二电容c12；第九电容c9和第十电容c10并联，第十电容c10的一端连接电源电压，另一端接地；第十一电容c11和第十二电容c12并联，第十二电容c12的一端连接负电压，另一端接地。
其中，电源电压通过电源电压端p3与上述电路连接。
具体地，用户可根据实际情况设置滤波模块中各电容和各电阻的大小。
进一步地，隧道衬砌检测系统还包括耳机；耳机与处理器连接。
具体地，在处理器获取检测结果后，将该检测结果发送给耳机，耳机根据检测结果选取对应的提示音并播放给用户，用于根据耳机发出的提示音确定检测结果。
进一步地，处理器、激振锤、滤波器、麦克风和耳机之间可采用有线连接，可以避免网络不稳定导致数据丢失或错误；也可以采用无线连接，减小因线缆故障导致的检测结果误差，同时有效减小现场线缆复杂程度，使整个检测系统更为简单，具体选用有线连接或无线连接可根据实际需要确定。
本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测系统，通过麦克风采集激振锤敲击隧道衬砌发出的声频信号并发送给滤波器，滤波器中的第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和第四滤波单元依次对获取的声频信号进行过滤，滤除现场噪音，提高后续处理器的判断结果。在滤除噪音后，滤波器将滤除噪音的声频信号发送给处理器，处理器对声频信号进行判断，并输出检测结果，提高对隧道衬砌质量检测的准确性。
实施例2
如图3所示，一种基于上述基于声频分析的隧道衬砌检测系统的方法，包括如下步骤：
s10：麦克风采集原始声频信号，并将原始声频信号发送给滤波器。
s20：滤波器对原始声频信号进行噪音过滤处理，获取有效声频信号。
s30：处理器对声频信号进行计算分析处理，获取分析结果，并将分析结果与第一预设判断阈值和第二预设判断阈值进行比较，获取检测结果，将检测结果转化为检测语音发送给耳机。
本发明一种基于声频分析的隧道衬砌检测方法，通过麦克风采集激振锤发出的声频信号并发送给滤波器，滤波器中的第一滤波单元、第二滤波单元、第三滤波单元和第四滤波单元依次对获取的声频信号进行过滤，滤除现场噪音，提高后续处理器的判断结果。在滤除噪音后，滤波器将滤除噪音的声频信号发送给处理器，处理器对声频信号进行判断，生成检测结果，提高对隧道衬砌质量检测的准确性，并将检测结果转化为对应的检测语音，发送给耳机，以使用户方便得知检测结果。
具体地，以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。