隨著近年來我國經濟技術的發展，也帶動了汽車行業也飛速發展，21世紀的第一個十年我國汽車產量突飛猛進，在2000年時候我國汽車產量不足美國1/6，銷量不足1/8，而十年之后產量已經是美國的2倍，銷量1.5倍，2005年和2006年產量都超過了30%。與此同時，隨著產量的增長，隨之引發的交通事故也逐漸增多，據有關資料統計，每年出現交通事故多達40萬起，平均不到三分鐘就發生一起，因交通事故死亡人數超過10萬，其中的一部分就是由于剎車系統故障引起的，由于剎車片的缺陷，老化等因素導致。

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　　為了減少因剎車系統故障所產生的事故，生產出高質的剎車片，對剎車片的檢測成為了一個重要的環節，目前國內已有多家生產剎車片的企業，但是有相當一部分生產技術落后，水平不高，對剎車片質量的檢測的概念還比較淡薄，主要依靠人的肉眼或者有經驗的技術人員憑借敲打聆聽來判斷剎車片的好壞，這樣檢測的方式很費時費力而且也不是很精確。針對此情況本文設計了一種對剎車片內部的材質的檢測方法，性能可靠。

　　1 系統設計

　　1.1 剎車片簡介

　　剎車片(brake pad)一般由粘接隔熱層、鋼板和摩擦塊構成。其中隔熱層是由不傳熱的材料組成，目的是更好的隔熱，鋼板要經過涂裝來防銹，摩擦塊由摩擦材料和粘合劑組成的，剎車就是主要通過摩擦塊與剎車盤的摩擦來實現的。由于剎車產生的摩擦，摩擦塊會逐漸被磨損，這樣會逐漸削弱摩擦作用，會影響汽車的剎車效果，一般而言成本越低的剎車片其質量越低，磨損得會越快。因此要定期檢查剎車片并判斷是否更換剎車片。

　　圖1 盤式剎車片

　　剎車片的要求：安全性、穩定性高，摩擦系數大，摩擦系數系數穩定，良好的耐磨性，機械強度，散熱性好。

　　剎車片的分類：石棉型剎車片，無石棉型剎車片。無石棉型又分為半金屬，少金屬，碳纖維，粉末冶金，陶瓷等。

　　1.2 設計流程

　　圖2 設計流程圖

　　如圖2所示，對剎車片固定位置敲打的聲音進行采集，采集的聲音模擬信號經過濾波電路與放大電路后進行信號的分析處理，根據信號的頻譜和功率譜分析來識別剎車片材質的好壞。

　　1.3 模塊設計

　　聲學檢測在如今已經在很多場合應用，比如在語音識別中對聲音的檢測，在醫學上對人體內部進行的超聲波檢測等。我國的聲學研究所成立于1964年，主要針對于水聲，空氣聲以及超聲進行研究和信號的處理，美國的聲學研究起步比我國早一些，一開始主要用于對地震進行檢測，后來逐漸應用于其他如軍事、科研以及醫學等方面。聲學檢測現如今已經應用的更為廣泛，很多民營企業也通過此方法來檢測產品，應用非常方便。本文通過聲學對剎車片進行內部材質的檢測，聲音采集通過拾音器完成，拾音器是用來采集現場聲音的一個配件，一種靠接收聲音震動，將聲音放大的電聲學儀器，通過拾音器后的聲音信號如圖3。

　　圖3 采集的聲音信號

　　由于存在機械振動的低頻信號跟環境的高頻噪聲，因此需要對聲音信號進行濾除噪聲，盡管在之前已經有源帶通濾波，因為在模擬電路中放大，AD轉換時候又會對信號造成干擾，因此需要進行數字濾波。常用的數字濾波有FIR跟IIR兩種，FIR是有限長序列，不存在反饋，因此對于無限長序列偏差較大，而IIR是適用無限序列，且存在反饋回路。兩者的傳遞函數：

　　FIR:

　　IIR:

　　FIR是非遞歸型數字濾波器，h(n)是因果序列，H(z)的(N-1)個極點都在單位圓內，所以FIR是穩定系統，當它的零點也分布在單位圓內時就是最小相位系統，FIR系統有直接型、級聯型結構，其特點是可以做到確定的線性相位，在圖像處理等應用上非常廣泛。IIR是遞歸型數字濾波器，單位沖激可以相應無限長序列，對同樣的濾波器過渡帶要求，其實現的階數可以比較低，因而減少了延時單元和乘法器。IIR系統有直接I型、直接II型、級聯型和并聯型結構，其系統函數的零極點關系不是很明確，因此控制比較困難，會導致系統的穩定性問題，需要在設計中注意。本文的設計對相應時間有要求因此選擇IIR濾波器設計。

　　根據剎車片敲擊聲音信號的特點，設計相應的IIR濾波器，通帶頻率為300Hz～6kHz，阻帶的截止頻率為500Hz跟7kHz，采樣頻率為22.10kHz，設置其通帶衰減小于3dB的帶寬，其阻帶衰減大于20dB的帶寬。經過IIR濾波器后的信號如圖4。

　　圖4 IIR濾波后的信號

　　提取信號是時域的聲音信號，沒有明顯規律，不能直接判斷材質，采用FFT(快速傅里葉變換)方法進行頻譜分析可以比較頻域信號的不同點，FFT是DFT(離散傅里葉變換)的快速算法，一個有限長復序列X(k)，它的長度為N，如果計算X(k)的一個值就需要N次復數乘法與N-1次復數加法，而計算整個N點的X(k)就需要次復數乘法和N(N-1)次復數加法，當N很大時N(N-1)≈，因此直接計算DFT的運算量就幾乎同成正比，隨著N的增加，運算量會急劇增大，因此采用FFT運算可以有效地減少運算量。FFT算法有兩類：DIT-FFT(按時間抽取)跟DIF-FFT(按頻率抽取)，按時間抽取是把時域序列進行奇偶分組，頻域下按前后分組，按頻率抽取是在時域下對輸入前后分組，輸出按順序奇偶分組，其區別

　　與聯系：DIT-FFT輸入是自然序列，輸出時倒敘，其蝶形運算是先乘以旋轉因子，后進行加

　　減運算，而DIF-FFT相反;兩者互為轉置;兩者的計算量完全相同。

　　圖5 正常剎車片與材質不均剎車片頻譜對比

　　經過FFT運算后的信號頻譜圖如圖5所示，從圖中可以得到在最大頻譜分量時候的頻率值f1，正常剎車片的f1在2900Hz左右，而材質不均的剎車片的f1在2500Hz左右，正常剎車片頻譜在2500Hz-3500Hz存在較多頻譜分量，而材質不均的剎車片在3500Hz-5000Hz存在較多的頻譜分量。在頻譜的基礎上通過自相關法得到不同剎車片的功率譜，如圖6所示。

　　圖6 正常剎車片跟材質不均剎車片的功率譜對比

　　利用功率譜中的數據進行材質檢測，根據聲學原理，同一個功率譜的峰值點之間存在相關關系，為此針對相關關系進行故障檢測，并給出頻譜峰值點的提取算法。從功率譜中可以得到最大功率時候的頻率f2，從圖中可以看出正常剎車片的功率譜的f2在2900Hz左右，而材質不均的剎車片的f2在2500Hz左右。

　　1.4 實驗統計數據

　　表1是不同剎車片測試的數據結果。

　　正常剎車片數據 材質不均剎車片數據

　　編號 f1(Hz) f2(Hz) 編號 f1(Hz) f2(Hz)

　　1 2859.5 2866.3 1 2446.5 2450.5

　　2 2850.4 2886.2 2 2360.3 2434.6

　　3 2903.6 2880.6 3 2530.9 2450.6

　　4 2875.5 2876.5 4 2456.5 2440.8

　　5 2868.4 2906.6 5 2504.6 2446.2

　　表1 正常剎車片跟材質不均剎車片的實驗數據對比

　　從表1可以看出正常剎車片跟材質不均剎車片的最大頻譜分量對應的f1跟最大功率時對應的頻率f2分布區間有明顯區別，可以根據相應的判別方式來區別。

　　2 結論

　　本文根據現有剎車片的質檢情況，通過聲學原理，采用一定的識別算法完對不同剎車片聲音信號進行頻譜和功率譜的分析，實現一種較新的檢測方法，從仿真數據結果顯示能夠對材質不均的剎車片進行有效地判斷，該方法有很好的實用性跟參考性。