基于能量设计范文
基于能量设计范文（精选12篇）
基于能量设计 第1篇
关键词：DSP,数据采集,AD73360
0 引言
自上世纪80年代世界上第一片微型DSP芯片产生以来,就以其独特的结构、丰富的外设配置、众多方便的外部接口以及强大的数据处理功能,得到了广泛的应用。近年来,DSP的性能价格比逐步提高,推动DSP技术迅猛发展,特别是在电力控制领域,DSP技术得到了长足的应用和发展。本文选用的DSP为TMS320LF2407A芯片,功能强大,价格低廉,在控制领域有广泛的应用。2407控制器的片内外设包括一个A/D转换模块,该模块具有内置采样和保持内核,具有灵活的中断控制,使用和编程都很方便,但是片内集成的A/D转换模块是10位内核,转换精度和分辨率不是很高。虽然其具有16路模拟输入,但是通过多路开关控制,只能实现数据的串行采集,对电压和电流采集的瞬间相位有一定的误差,致使计算出的有功功率和无功功率等与相位有关的电力参数会产生误差,满足不了高精度测量监控的要求[1]。鉴于以上原因,数据采集部分采用的是AD73360模数转换器。AD73360是AD公司为高速采样的工业控制而推出的16位可编程A/D转换器。
2 系统的硬件结构
2.1 TMS320LF2407ADSP控制器
2407DSP芯片是TI公司生产的面向数字控制系统的芯片。该芯片是一个高性能16位定点处理器,最高运算速度可达每秒40兆指令。芯片采用了静态CMOS制造技术,工作电压为3.3V。片内集成了32K字的FLASH程序存储器,可独立编址的程序存储器、数据存储器以及I/O端口都具有64K字的外扩展能力。芯片内还集成了丰富的片内外设,有看门狗定时器、16通道10位模数转换器、锁相环、两个事件管理器以及用于外部通信的控制器局域网2.0B模块、同步串行外设接口以及异步串行通信模块等[2]。本文运用同步串行外设接口以及异步串行通信模块完成与数据采集部分和PC机间的通信。
2.2 AD73360串行模数转换器
AD73360是16位串行可编程A/D转换器。内部采用Σ-△A/D转换原理,通过采样、噪声整形等硬件处理方法,有效地抑制了量化噪声,具有很强的抗混叠数字滤波性能,增加了转换器输出的有效分辨率。
AD73360具有6个模拟量输入通道,共占用12条引脚,每个通道可以输出长度为16位的数字量。这六个通道可同时采样,无须CPU干预,从而有效减少了同相电压和电流由于采样时间不同而产生的相位误差,特别适合于三相制电力参数测控的应用。AD73360具有同步串行通信接口,很方便与DSP同步串行接口(SPI)的连接。
对六个模拟输入通道来说,可使用片内寄存器CRG的SEEN位为开通的通道配置成单极输入或配置成差动输入。引脚MCLK为外部时钟输入,可由外部晶体振荡电路提供,也可使用2407的引脚CLKOUT(73号引脚)输出的锁相环确定的系统时钟,本文由DSP提供时钟。片内主时钟DMCLK通过对片内寄存器CRB中的MCD2、MCD1和MCD0三位的设置,获得五种针对外输入时钟不同倍数的片内主时钟。
系统的采样速率是可编程设置的,通过对片内寄存器CRB的DR1和DR0位的设置,获得四种不同的采样率。若输入片内主时钟为16MHz,则采样率可为8kHz、16kHz、32kHz和64kHz,可方便不同技术要求的应用。
引脚SCLK是转换器的输出时钟,该时钟的频率通过对片内寄存器CRB的SCD1和SCD0位的设置,可获得对片内主时钟不同倍数的四种速率。
输入端的滤波电路。引脚REFOUT是带缓冲的基准电源输出端;引脚REFCAP为片上基准电源的滤波电容器接入端,要求电容容量为0.1μF,并应跨接在此引脚与AGND2引脚之间。由于转换器具有良好的内置抗混叠性能,所以对模拟输入端信号滤波要求不高,设计为一阶RC低通滤波器即基本能满足要求。
2.3 AD73360与DSP的连接
(1)AD73360与2407的引脚及连接方式。引脚SCLK输出同步时钟到2407的时钟输入,作为通信的同步信号。引脚SDI和SDO作为通信数据的输入输出与DSP的SPI通信模块的输出和输入连接,进行数据交换。引脚SDIFS和SDOFS为帧输入和帧输出,而2407没有帧同步的输入输出引脚,故将引脚SDIFS和SDOFS短接。引脚SE为输入输出使能控制信号,由2407的IOPC7通用输入输出口发出控制信号,SE为高电位时,通信正常工作;SE为低电位时,输入输出口均呈高阻状态,ADC终止输入输出并处于节能状态。引脚RESET为ADC复位信号,由2407的IOPC7通用输入输出口发出控制信号,当RESET接收到低电平时,ADC进行初始化[2]。
(2)DSP2407同步串行通信口。SPI模块有四个外部引脚。引脚SPICLK为同步串行通信时钟,主出从入。作为输入输出引脚的SPISIMO和SPISOMI因为工作在主从不同方式下,输入输出方向也不同。SPISIMO主机模式下为发送,从机模式下为接收;SPISOMI主机模式下为接收,从机模式下为发送。因为工作在主从方式,AD73360的输出时钟作为同步信号,所以,AD73360为主设备,2407 SPI作为从设备。2407为从机,因此将SPISTE接地使能接收功能。SPI模块有9个内部寄存器,均在数据存储空间有固定的映射地址,通过对寄存器的设置,决定SPI模块的工作方式。
2.4 DSP2407与上位机的通信
DSP2407片内外设SCI是异步串行通信,对外只有两个I/O引脚:数据接收引脚SCIRXD和数据发送引脚SCITXD,两个引脚分别连接接收器和发送器,通过中断方式和查询方式完成数据的接收和发送。接收和发送可独立工作也可同时工作,即可工作在半双工或全双工的方式下。SCI有10个工作寄存器,串行通信的波特率、奇偶校验、接收和发送的方式、中断优先级别以及通信的协议和模式都由寄存器设置完成。
SCI经过适当的设置可与RS-232串行通信口完全兼容,本设计使用SCI与上位机通信。RS-232工业标准信号电平为正负15V,而SCI外设输出电平为3.3V,通过MAX232芯片进行电平转换,完成DSP2407与上位机的通信连接。通信的硬件连接简单,但要在通信的瞬间保证两个设备间的同步,使通信信号得以正确的识别,就成为异步通信要解决的根本问题。除了设置相同的波特率外,主要是通过通信数据的帧格式来解决。本论文采用空闲线方式异步串行通信帧的格式。
系统硬件各部分连接如图1所示。
3 系统的软件设计
正确的硬件连接只是提供了工作可能,还要通过对硬件各部分的初始化和软件驱动来实现系统的正常工作。
3.1 数据采集软件设计
AD73360与2407数据交换运用同步串行通信,具体软件实现上,先对2407系统进行初始化,完成对系统I/O口的功能设置,涉及到采集功能的中断标志进行设置;然后对SPI进行初始化,初始化结束后设置SPICRR寄存器,使SPI处于工作状态;初始化工作结束后,由SPI发送控制字到AD73360,对CRB～CRH共7个寄存器进行相关设置,使AD73360处于设计要求的工作状态;最后对CRA进行设置,进入数据工作模式[3]。初始化准备工作完成后,打开总中断,等待数据输入输出事件发生。
当发生SPI接收中断时,判断SPI状态寄存器SPISTS接收中断标志位是否被置位,若被置位说明接收工作完成,将接受到的数据送入数据处理模块,进行各种运算,一个接收过程完成。此时注意要打开总中断,允许后续中断的发生。
2407通过外设中断扩展控制器(PIE)来完成对外设中断的控制。使能某个具体的外设中断,要经过三层控制:系统中断总开关,CPU内核级中断开关,具体外设中断开关。编程时要综合考虑,才能使各部分功能协调运转。具体外设中断的开关控制上,软件要随时监测各个中断标志位,在中断响应以后还要通过软件对某些中断进行复位。由于控制系统工作的环境存在各种干扰,可能会使中断产生误动作,编程时要充分考虑到这一点,监测发生的中断是否是可用中断,有效地屏蔽一些非法中断[4]。
3.1.1 AD73360初始化
AD73360内置8个控制寄存器,寄存器的配置决定转换器的方式和状态。这8个控制寄存器都映射为固定地址,DSP通过程序对控制寄存器发送控制指令,根据寄存器映射地址将设置写入相应的寄存器中,并由此状态保证转换器的正常工作。
3.1.2 2407的SPI初始化
2407处理器是一套完整的数字系统,SPI是其中的一个内置模块。SPI初始化除了对SPI本身的相应寄存器进行相关的设置外,还要对系统级工作的环境进行设置。系统级初始化涉及到系统配置寄存器1(SCSR1)以及相应输入输出端口(MCRB)的设置。2407的SPI初始化程序如下。
3.2 异步串行通信的软件设计
(1)PC机串行通信的初始化
使用PC机的第一串行通信口COM1,端口映射地址为03F8H,设置通信协议为一个停止位,不使能奇偶校验,空闲线方式,通信字符长度为8位,通信波特率为9600bps。
(2)2407的SCI初始化
SCI是2407处理器数字系统中的一个内置模块。SCI初始化除了对SCI本身的相关寄存器进行相应的设置外,还要对系统级工作的环境进行设置。系统级初始化涉及到系统配置寄存器1(SCSR1)以及相应I/O端口(MCRA)寄存器的设置。
(3)2407的EVA初始化
EVA是2407处理器系统中的一个内置外设模块,包括多种功能和多种工作方式,并通过对众多相关寄存器的设置完成功能和工作方式的选择。在串行通信模块中,使用EVA的计时器和周期中断功能。EVA初始化除了对EVA本身的相关寄存器进行相应的设置外,还要对系统级工作的环境进行设置。系统级初始化涉及到系统配置寄存器1(SCSR1)的设置。
3.3 通信数据包的设计
根据IEC61850标准的要求,每个事件模型都有规定的帧格式。在帧格式中规定了数据的标示符、数据类型、数据长度等信息。发送方按照协议的规定,对相应位赋值构成数据包,完成发送。接收方也按照同一协议的规定,完成解释工作,将相应的数据存入数据库,并对数据进行再加工,得出相应的控制判断。
图2所示为系统装置采集实验数据所上传的十六进制报文。从图2中可看出,根据ASN.1编码方式,首先将第一个TAG分离出来,即A1,紧跟其后的是Length,40(十六进制);表示这个报文内将包含后面的64个十六进制数,以此类推,如逻辑设备名的Length为0F,则表示后面的15个十六进制数都是逻辑设备名的值,这些值根据ASCП码进行编码,解码后为LZJTU-DQ,CO.LTD;逻辑节点名Length为07,解码逻辑节点名为MMXU-01;采样计数Length为02,值为32;采样频率Length为04,值为1600;采样电压、电流及时间值Length为10,值为220V,5A,15:21:36上传;版本号Length为03,值为1.0。
图3所示为系统装置采集实验数据所上传的报文解码。
4 数据处理模块
本文所设计的系统中AD73360采样率为8K/s,此为物理采样率,实际数据处理模块使用的采样率为1600Hz/s,又进行了一次过采样。数据处理模块对采样的数据,每五个进行一次均值滤波,作数据的平滑处理,再次降低干扰对采集数据的影响[5]。这样处理保证了数据的真实可靠,进一步提高了系统的抗干扰能力,取得了良好的效果。
每周波采样32次,设定N=32,组成离散数字序列x(n),数据总量保持32个,满足32=25的要求。
每次送入的新数据将最早送入的数据挤出,进行循环更新,更新后的数据先进行倒位序的重排,将重排后的数据进行FFT运算,得出各次谐波的幅值,并完成各种电力参数的运算。采集到的实时电力参数经过数据处理模块得出的电压、电流都是复数形式,经过取模运算得到各次谐波的峰值,计算得出的各次谐波的峰值与实际物理各次谐波的峰值相差(N/2)倍(直流分量峰值相差N倍)。
以电压为例,计算得出的各次谐波的峰值实际电力电压ν=V/(N/2),相角φ=arctan(Vi/Vr)。这仅仅是计算结果,还不是实际电压的真值。进入DSP的数据是经过电压互感器、变换器、滤波电路及A/D数据采集后,将信号电压调整为0～3.3V的数字量,每级变换都存在电压变换系数和数字整定的方法。还原真值的运算是这个变换过程的逆运算。
5 结束语
进一步提高系统频谱分析的精度和实用性,可从两方面加以改进。一是利用DSP2407事件管理器的捕获单元,加入电力信号频率跟踪硬件电路,根据信号频率的变化,同步改变采样频率值,动态地保证采样点与各次谐波频点吻合,保证采样同步;二是采用合适的窗函数,对采样数据进行滤波,抑制频谱泄漏,并采用插值算法从软件修正算法上提高计算精度,从而实现对电网谐波的精确测量。难点是各部分硬件工作时序的问题,需要通过实验不断调整,因为硬件条件不足和时间问题,这部分还不满足要求,有待提高。
参考文献
[1]刘和平,张学峰.TMS320LF240XDSP结构原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[2]Six-Input Channel Analog Front End AD73360.AnalogDevices[S].2000.
[3]汪安民.DSP嵌入式系统开发典型案例[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[4]汪安民.DSP应用开发实用子程序[M].北京:人民邮电出版社,2005.
基于短时能量的压气机喘振检测 第2篇
及时地检测压气机喘振对提高发动机性能、保障飞行安全具有重要意义.在进入喘振状态的过程中,压气机出口总压脉动增大,短时能量亦增大.通过某型压气机节流试验数据,验证了短时能量在喘振检测中的可行性.该算法可检测模态波或突尖波扰动引起的喘振,信号经平方运算后提高了信噪比,算法简单,易于实现.
作 者：李长征 熊兵 吴晨 LI Chang-zheng XIONG Bing WU Chen 作者单位：李长征,LI Chang-zheng(西北工业大学,动力与能源学院,陕西西安,710072;中国燃气涡轮研究院,四川江油,621703)
熊兵,吴晨,XIONG Bing,WU Chen(中国燃气涡轮研究院,四川江油,621703)
基于能量设计 第3篇
关键词：能量解耦；悬置系统；匹配优化
中图分类号：U461.2 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）04-0025-03
Parameters Design of Vehicle Powertrain Mounts Based on Energy Decoupling
LI Zheng，JI Jin-liang，YANG He-zhou，ZHU Cheng-hui
（Zhengzhou Nissan Auto Co. LTD.，Zhengzhou 450016，China）
Abstract：ADAMS model of a powertrain system whose vibration at idle speed was poor was built.using the model，it found that the vibration energy coupling between the 6DOFs was serious. Then the theory of vibration energy decoupling was concluded and based on the theory，parameters of mounts were redesigned. The effective of the new parameters were validated from the results of another new vibration analysis. Obviously，it is a solution to improve the performance of powertrain mounts.
Keywords：energy decoupling；mounts system；optimization
车身的振动不仅影响车辆的乘坐舒适性品质，而且还会影响操纵稳定性。分析振源主要来自于两个方面：不平路面激励或发动机运转产生的往复倾覆力矩激励。为了隔振降噪，在发动机与车身或车架之间用较软的橡胶或液压悬置连接，一方面隔离动力总成振动，包括控制发动机怠速时较大幅度的低频抖动，隔离并降低高速时的高频振动与噪声，同时作为一吸振器，吸收路面传递到车身或车架上的振动。因此悬置系统的空间布置及性能匹配是车辆设计的重要环节。
本文结合某一怠速振动性能较差的实例车型，借助建立其动力总成系统ADAMS模型，从振动解耦设计理论上进行了参数验证和重新设计。使用优化后的参数，从ADAMS模型提取系统总成的振动线性模态，得到各自由度间的能量分布，验证了所达到的各阶频率和主要自由度解耦目标。
1 悬置系统的振动分析
本文采用FR车型，纵置4缸发动机、4点悬置。由于怠速振动性能较差，为分析动力总成悬置系统的振动特性，建立了其ADAMS动力学模型。
1.1 动力学模型的建立
动力总成悬置系统的临界频率一般在30 Hz以下，大大低于动力总成本身作为弹性体振动模态（最低60 Hz），图1 为动力总成悬置系统的ADAMS模型。
在工程上认为动力总成的振动只存在刚体模态。因此将动力总成简化为空间刚体，并把它通过悬置橡胶垫固连在地上［1］。输入系统质量参数和各悬置的坐标位置、弹性参数（见表1、表2），建立ADAMS模型（见图1）。
1.2 振动特性分析
对上述系统进行VIBRATION分析，抽取线性模态数据，并借助ADAMS计算各阶模态振型在坐标系各方向上的能量分布。结果见表3。
该发动机怠速为850 r/min，则发动机怠速激励频率为850/30≈28.33 Hz，由于系统刚体振动最高模态频率10.17 Hz小于发动机怠速激励频率的0.707倍，即10.17<28.33×0.707=20.03，满足悬置系统刚体模态频率的要求，说明该系统具备一定的隔振性能。
从表3中看出，6个刚体模态中Z/Y轴能量解耦程度较高，然而在绕x轴旋转方向的耦合较严重，在X/RY/RZ方向上的振动能量耦合也很明显。显然在该动力总成悬置设计时，未充分考虑各自由度间的能量解耦或部分解耦。
由于当动力总成悬置系统六个自由度间振动耦合时，会导致动力总成的振幅增大，振动频率范围过宽，对隔振极为不利。且各自由度振动如果互为耦合，很难对产生共振的自由度上的频率进行个别改进而不影响其他自由度上的隔振性能，所以在设计悬置系统时用尽量采用解耦布置［1-5］。下面就着重介绍悬置系统振动解耦的结构和性能参数设计原则。
2 悬置系统振动解耦的理论基础
2.1 动力总成两端垂向运动解耦
依据刚体撞击中心理论，将后（前）悬置布置在前（后）悬置点的共轭点上，使前（后）悬置所受的冲击在后（前）悬置处引起的动反力最小，从而达到良好的隔振效果。
LfLr=Iyy /m（1）
式中，Lf /Lr分别为动力总成质心到前后悬置组的距离；Iyy为动力总成绕主惯性轴Y的惯性矩；m为动力总成质量。
2.2 单轴平动及转动振动解耦
为使动力总成垂向和俯仰自由度振动解耦，前后悬置在垂向上的刚度要满足：
Kzf Lf=KzrLr（2）
式中，Kzf /Kzr分别为前后悬置组等效垂向刚度值。
2.3 扭矩轴理论
如果前后悬置的平面和扭矩轴垂直，并且前后悬置组的弹性中心均落在扭矩轴线上，则可使发动机在Y方向的横向振动、Z方向的垂直振动和绕X轴的扭转振动解耦。
对于V型悬置组，其弹性中心O点确定如图2示。
式中，L=Kw /Kv称为悬置的剪压比；Kw 为悬置剪切方向刚度，Kv为悬置压缩方向刚度，θ为悬置安装倾斜角。
3 悬置系统参数的优化设计
根据表1发动机坐标系下的转动惯量值，可计算得到系统的主惯性矩：Ixx=16.44 kg·m2，Iyy=43.74 kg·m2，Izz=35.47 kg·m2。主惯性轴X和扭矩轴在参考坐标系中的相对空间位置见图3。
代入悬置系统其他参数，运用第2章中的设计原则，可以得到一组优化的系统参数，见表4、表5。这里为使悬置系统其他自由度间尽可能解耦，把后悬置组也设计成倾斜放置，使其弹性中心也落在扭矩轴上。
把上述重新匹配优化后得到的参数代入ADAMS系统模型，重新计算VIBRATION性能，结果见表6。
从表6可看出：采用优化的悬置布置方式及刚度参数后，系统模态频率在限制范围内，Z方向振动能量解耦率达到100%，绕X方向扭转振动解耦率也达到86%，Y/RZ方向的能量解耦率也都在90%以上。虽然X/RY方向上解耦改善不明显，但在这两个方向并不存在主要激励，因此对系统隔振性能影响不大。
4 悬置位移控制
为保证悬置系统的寿命，发动机在正常工作区悬置位移不能太大，而在启动、加速、制动、大侧向加速度转向、冲击等极限工况条件下，悬置系统要有足够的刚度，以避免发动机与周围部件干涉。而这些验证也都可以在ADAMS中快速实现。
5 结论
（1）振动能量解耦率是动力总成悬置系统设计好坏的重要评价指标之一。本文从振动解耦设计理论出发，对某一悬置系统重新进行了参数设计与优化，使得系统具有良好的振动解耦率，为设计改进提供了方案。
（2）为使悬置系统具有良好的隔振吸能效果，在进行车辆总体设计及发动机开发时，就应该遵循设计原则，对悬置点的位置、安装角度及悬置橡胶垫性能进行充分考虑。
（3）对于重量较大的动力总成，在使用四点悬置时，根据工程实际，可以采用不对称的布置方式，但要尽量倾斜布置前后悬置组，以使它们的弹性中心都落在扭矩轴线上，从而最大限度的实现6个自由度上的振动解耦。
参考文献：
［1］ 许立峰. 汽车动力总成悬置系统NVH性能优化与试验验证［D］.北京: 北京林业大学，2009.
［2］ 吕振华，罗捷，范让林. 汽车动力总成悬置系统隔振设计分析方法［J］. 中国机械工程，2003，14（3）： 265-269.
［3］ 阎红玉，徐石安. 发动机悬置系统的能量法解耦及优化设计［J］. 汽车工程，1993，（6）.
［4］ 徐石安. 汽车发动机弹性支承隔振的解耦方法［J］. 汽车工程，1995，（4）.
基于能量设计 第4篇
近年来, 随着无线电通信与MEMS系统技术的不断发展, 微电子设备、微传感器和可携带电子器件等的应用范围不断扩大, 微型机电设备的供能缺陷越发突出。各国学者正在积极研究从周围环境中获取能量的方法, 以取代电池为微型机电设备供电。由文献[1]提供的数据可以看出, 与太阳能、热能相比, 环境中的机械振动最为常见且广泛存在, 并不受光照、温度的限制。因此, 通过能量收集技术收集振动能来取代传统的化学电池具有广阔的运用前景。目前, 悬臂梁压电振子 (线性压电振子) 结构是绝大多数振动能量收集技术研究的焦点, 其理论分析基础是线性压电方程。研究表明, 线性压电振子在应用于振动能量收集时存在明显的缺陷: (1) 共振频率高且共振频带窄; (2) 为了产生最大的电能, 须使压电振子与振源发生共振, 如果一旦偏离共振, 其电能输出会显著减小[2]。因为环境的振动往往在一个较宽而且较低的频率范围内, 因此, 线性压电振子在实际中往往很难应用。
针对压电振动能量收集装置的缺点, 学者们采用不同的方法拓宽收集器的频带。文献[3]发现, 双稳态能量收集系统能在比其共振频率低的频率下工作, 但该系统是根据电磁感应原理设计的, 能量密度低且难以微型化。文献[4]利用压缩梁设计了一种双稳态机构, 发现双稳态系统有更宽频带的峰值能量, 初步展示了双稳态能量收集器的潜力, 然而该结构对压缩梁的制作工艺和材料强度要求较高, 很难实用。文献[5]发现, 双稳态系统通过改变一些参数, 可以转变为非线性单稳态, 然而文章只是做了理论探讨, 并未给出具体的装置。文献[6]发现, 如果能够提供合适的激励振动, 振荡器可以克服势垒, 获得较大的振动幅度, 进而获得较大的能量, 但文章只是探究了激励频率对俘获能量的影响, 未对其他影响因素进行探究。文献[7]设计了一种带有永磁体的双稳态装置, 并进行了比较性实验, 发现带有磁体的双稳态装置可以在更宽的频率内获得更多的能量, 但未提出提高俘获效率的方法。文献[8-9]设计了一种新型的耦合双稳态振动能量收集装置, 但未对影响因素进行分析。从国内外研究现状来看, 研究者们设计了多种新型的双稳态结构, 但对双稳态系统的双稳态特性和对俘获效率的各个影响因素的分析还缺少系统的理论研究。因此, 本文将采用能量密度较大的压电悬臂梁结构, 对系统的双稳态特性和影响因素进行分析, 并提出提高能量俘获效率的方法。
1 振动能量收集装置的设计与分析
1.1 结构设计
本文采用的悬臂梁压电振子模型主要包括基座、永磁铁N35 (8mm×8mm×3mm) 、悬臂梁 (64mm×10mm×0.5mm) 和压电 (PZT) 材料等部分。装置中, 一块磁铁固定在悬臂梁的自由端, 另外一块磁铁固定在基座上, 两磁铁极性相反, 距离为d。悬臂梁上粘贴有压电片 (图1中未画出) 。
1.2 双稳态分析
具有双稳态的系统拥有两个稳定的状态。由最小势能原理可知, 当且仅当一个体系的势能最小时, 系统会处于稳定平衡状态。所以双稳态系统的两个稳定状态都在势能最小的位置。对于本文设计的悬臂梁压电振子来说, 它的势能影响因素包括磁力F[10]、重力meqg和弹性恢复力Keqz, 如图2所示, 其中, Keq为等效刚度, meq为悬臂梁和磁铁的等效质量[11]。在这里忽略重力的影响。假设z=0位置时的势能为0, 则任意z位置的势能[2]为
式中, FV[10]为磁力F在竖直方向的分量。
判断系统是否存在双稳态特性时, 令, 就可以得到系统势能函数的极小值点坐标, 也就可以算出稳态位置的数目。经计算, 当两磁铁之间的距离d≤5mm时, 本文设计的压电悬臂梁系统具有双稳态特性。
将具体数据代入式 (1) , 可以利用MATLAB画出图3所示的非线性势函数。从图3可以看出, 在合适的永磁铁间距下, 非线性势函数图像存在两个明显的稳态势阱, 随着d的增大, 势阱越发不明显。
1.3 悬臂梁的动力学模型
悬臂梁运动时, 可以简化为集中参数模型, 如图4所示。由文献[10]、文献[11]分别可计算出FV (z) 和Keq。其中, FV (z) 为非线性弹簧对悬臂梁施加的力。由于系统存在阻尼, 所以存在能量的转化, 为了简便, 我们用参数ceq表示系统的等效阻尼。悬臂梁和磁铁的等效质量为[11]
式中, mmag为磁铁质量;mb为悬臂梁质量。
由压电悬臂梁简化模型, 可以建立外加磁力的悬臂梁压电振子的等效模型, 得到运动方程:
式中, P (t) 为激励位移;z (t) 为悬臂梁变形时自由端的挠度。
2 振动能量收集装置的仿真
影响系统响应特性的主要因素是两磁铁之间的间距d、激励幅值A、激励频率f。本文采用控制变量法, 分别探究各个影响因素对系统的影响。根据压电悬臂梁的运动方程 (式 (3) ) , 运用MAT-LAB/Simulink, 可以获得激励下的悬臂梁自由端的运动位移的变化曲线, 所建立的模型如图5所示。
2.1 两磁铁之间的距离d对系统响应特性的影响
由两磁铁之间的磁力模型可知, 两磁铁之间磁力的大小与其之间的距离d有密切的关系, 所以d的大小会直接影响系统的响应特性。仿真中, 用同样的正弦激励输入P (t) 、不同的磁铁间距d得到了不同的响应特性曲线 (图6) , 其中, P (t) =5sin (12πt) m m, 即激励幅值为5mm, 激励频率为6Hz。
d≤3.1mm时, 系统的非线性力很大, 激励提供的能量相对不足, 悬臂梁没有足够的能量越过非线性力产生的势垒[12], 最终只能在一个平衡位置做大幅的随机振动, 如图6a所示。3.1mm<d<5mm时, 双稳态特性较为明显, 激励的大小适合, 系统有足够大的能量越过势垒, 在系统的两个稳定状态产生随机振动。随着d的增大, 非线性力减小, 振动幅值会有所减小。从图6b可以看出, 系统在0点上下的两个位置都会发生随机振动, 最大峰值约为25mm。d≥5mm时, 非线性力较小, 双稳态特性大大减弱。从图6c可以看出, 压电振子只是在0挠度位置附近作往复运动, 最大峰值约为6mm。由以上分析可以得出结论, 当两磁铁之间的距离d在3.1~5mm之间时, 本文设计的能量俘获装置处于双稳态下, 其压电振子响应幅值相对较大。
2.2 激励幅值A对系统响应特性的影响
激励是系统的输入, 所以激励的幅值会对系统响应特性有很大的影响。仿真中, 固定两磁铁之间的距离d=3.4mm。激励频率为6Hz时, 采用不同的激励幅值A, 可以得到不同的系统响应曲线。
激励幅值A=1mm时, 非线性系统最终在一个稳定位置做小幅振动 (图7a) , 线性系统做小幅度简谐运动 (图7b) 。A=10mm时, 压电振子分别以两个最小势能点为稳定位置, 交替振动, 形成双稳态, 有磁铁的非线性系统的最大幅值达到40mm (图7c) , 线性系统最大幅值只有1.2mm (图7d) , 有磁铁系统优势明显。A=100mm时, 尽管激励幅值很大, 但系统仍做单一的往复运动, 有磁铁系统的双稳态特性很弱, 响应最大幅值达到0.15m (图7e) 。在此激励下, 线性系统的最大幅值为0.12m (图7f) , 有磁铁系统优势相对不明显。
比较以上三种情况可以看出:激励幅值较小时, 压电振子没有足够大的能量越过势垒, 只能在一个平衡位置做振动;激励幅值较大时, 虽然压电振子获得了较多的能量, 但是系统也没有产生双稳态, 此时的响应幅值只有激励幅值的1.5倍, 振动能量俘获效率相对较低;激励幅值适中即系统处于双稳态时, 最大响应幅值是激励幅值的4倍左右, 能量俘获效率明显较高。可以看出, 系统加了磁铁后, 都能获得更大的振动幅值, 由此可见非线性系统的优越性。
振动幅值的不同会导致振动能量俘获效率不同, 可以根据振动幅值的大小调节两磁铁之间的距离d来改变非线性力的大小, 使振动能量收集器达到最大的俘获效率:振动幅值较小时, 适当调大d, 非线性力减小, 使振动能量能够越过势垒;振动幅值较大时, 适当调小d, 使非线性力增大, 提高非线性力的作用, 使系统处于双稳态。
2.3 激励频率f对系统响应特性的影响
激励是系统的输入, 激励的频率对系统的响应特性也有一定的影响。仿真中, 固定两磁铁之间的距离d=3.4mm, 采用不同的激励频率 (激励幅值为5mm) , 得到了不同的系统响应曲线。响应的最大幅值如表1所示。可以看出, 在远低于一阶固有频率40Hz时, 非线性系统幅值大于线性系统幅值。随着激励频率接近一阶固有频率, 响应幅值逐渐增大。一阶固有频率附近时, 由于系统产生共振, 线性系统幅值反而大于非线性系统幅值。在超过一阶固有频率后, 线性系统的最大幅值迅速下降, 非线性系统的优势又开始显现。位移越大, 压电材料的变形越大, 产生的电压越高, 可见在大部分的低频带激励下, 非线性系统振动能量的收集效率比线性系统高, 非线性系统比线性系统在振动能量收集方面性能更加优越。
mm
3 试验验证
通过试验验证两磁铁之间的距离对系统响应的影响。试验装置如图8所示。在试验中, 信号发生器产生的振动信号经数字放大器放大后, 在激振器上产生振动源, 使固定在激振器上的基座振动, 导致悬臂梁 (64mm×10mm×0.5mm) 产生变形, 压电片产生电信号。信号采集器将信号采集后传给计算机, 经过软件的分析处理在电脑屏幕上显示出来。装置中的两块磁体的型号为N35, 大小为8mm×8mm×3mm。
在试验中, 先选定一个合适的频率值20Hz, 选择幅值为10mm, 调节两磁铁之间的间距, 获得不同的电压信号界面图 (图9) , 输出电压信号的峰峰值见表2。
比较表2的数据可以得出如下结论:产生双稳态现象时, 两磁铁之间的最佳距离约为5mm。此时输出的电压最高;随着距离的减小, 压电振子偏向于一个稳定状态振动, 输出的电压减小;随着距离的增大, 压电振子逐渐向单稳态过渡, 输出的电压减小。
4 结论
(1) 只有在合适的磁铁间距下, 系统才具有双稳态特性。可以通过调节磁铁间距, 改变双稳态特性的强弱。
(2) 振动幅值的不同会导致振动能量俘获效率的不同。在不同的振动环境中调整两磁铁之间的距离, 可以达到最大俘获效率。
(3) 在低频环境中, 除了一阶固有频率附近外, 双稳态能量收集装置与单稳态装置相比, 能够获得更多的能量。
参考文献
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电能和能量教学设计 第5篇
【教学目标】 科学概念
1.能量有电、热、声、光等多种形式，能量还储存在食物、燃料中。
2.电能可以转化成其他的形式的能量，其他不同形式的能量间也能转化。
过程与方法
1.通过观察、小实验和阅读资料，研讨认识能量和能量转化。2.分析常见能量转化的例子。情感、态度、价值观 产生研究能量的兴趣。【养成教育训练点】
培养学生研究的兴趣，能对问题进行认真探究。【教学重、难点】 能量间的储存和转化 【教学准备】 1.学生准备：铁丝 2.教师准备：电扇、电灯 【教学设计】
（一）导入
1．如何让咱们教室内的灯亮起来呢？老师打开开关，电灯亮了，师关闭开关，灯灭。为什么打开开关就能让电灯亮起来呢？
2．电使电灯亮起来了,我们把通电后能工作的机器统称为“用电器”（板书），同学们的家里肯定有很多“用电器”吧？这些用电器有了电才可以工作，我们把电具有的这种能量（板书：能量）叫做电能。（板书：电能）今天我们就来探讨《电能和能量》。
（二）电能和其他能量
1.电能是一种能量，除电能外，你还知道哪些能量吗？
2．学生说说知道的各种能量。（师随机点击出示各种能量的名称）（风能、水能、声能、机械能、地热能、潮汐能、光能、热能„„）
出示各种相关图片，这些不同的能量分别可以做什么工作？你能选择其中的一个举例说明一下吗？
3．不同的能量可以做各种的工作了，那我们人体也要工作、运动，我们的能量又来自于哪里呢？
4．出示人体运动的图片
我们身体也需要能量，这些能量来源于哪里？生说到“食物”，再出示各种食物的图片，师述：各种不同的食物进入人体后，通过化学变化，分解成人体所需的营养。原来 “食物”中储存着能量，但这种能量须经过化学变化之后才能发挥作用，我们将这种能量称“化学能”。（板书：化学能）
5．食物里面储存着能量。让我们再来看这幅图，出示加油机图，哪里看到过这种机器？（加油站）它的任务是什么？（为各种车子加油）车子加了油后才能开动，就相当于我们吃了食物才能工作一样，所以汽油里面也储存着能量。（出示煤炭图）汽油具有能量，那么煤炭呢？它可以做些什么工作呢？
6．师小结：像煤炭、汽油这些物体通过燃烧发生化学变化，能让车子开动，能把水烧开，这种能量也称化学能。
7．自然界中，除了我们刚才讲到的这些能量外，当然还有其他的能量。现在让我们回过头来看看课题，你还想了解些什么呢？（电能与其他能量之间有联系吗？各能量之间呢？）
（三）电能的转化
1．电能与其他能量之间有联系吗？让我们以“电灯”为例来讨论一下吧。
2．电灯输入电能，输出时将其转化成了什么呢？原来能量并没有消失，只是电灯输入电能后，转化成了光能和热能了。（板书：光能、热能）
3．那么电输入到其他用电器的身体后，电能又能转化成什么能呢？请四人小组边交流边完成课本中的家用电器调查表（要求每个同学写出2个）用电器名称
电灯 可以做的工作 照明 输入的能量形式
电能 输出的能量形式
光、热 4．学生交流、填写。
5．交流调查表。师生共同补充。（师提醒：认真倾听，发言同学讲的跟你想的是否一致，若有意见提出来补充）
6．师小结：刚才我们通过讨论发现电能可以转化成其他能量。电能是直接转化成其他能量的吗?（电能通过什么转化为其他形式的能量的？）(用电器）
7．经过用电器之后，电能可以被转变为风能、热能、光能„„等等，这说明“用电器”其实就是“电能转化器”。（板书）人们利用电方便地得到需要的动力，得到需要的光、热、声和磁„„通过电能与其他能量之间奇妙的转化，使得我们的生产、生活变的越来越方便了。
（四）其他能量间的相互转换
1．电能可以转化成其他形式的能量，那么其他能量之间可以相互转化吗？让我们先用实验体验一下吧？
（1）先用两手互相摩擦，有什么感觉？想一想：这是（）能转化为（）能（2）请同学们拿出信封中的铁丝，在同一点上反复弯折，然后摸摸铁丝有什么感觉？想一想：这是（）能转化为（）能？
2．师小结：这两个实验都将机械能转化成了热能。（板书：例：机械能---化学能）
3．你还能举出能量之间相互转换的例子吗？ 4．演示:（1）机械能变电能、光能（手摇手电筒）（2）音乐盒
5.小结：原来不但电能能转化为其他形式的能量，其他形式的能量间也能相互转换。现在让我们轻松一下，来做个游戏吧。
(五)考考你（做游戏）
1.课件出示P62的两幅图，逐一讨论：你知道这幅图中的能量是怎么转换的吗？学生交流。第一幅交流完后：课件点击出示：化学能转化为光能和热能。
第二幅交流完后：课件点击出示：化学能转化为声能、热能和光能
2.这一关过，还想试试吗？出示P62页的最后一幅图。
（1）这幅图有点难度了吧？先想想有哪些物体，这些不同的物体具有哪些能量，这些能量间又会怎样转换呢？
学生交流。
（2）引导学生说出漫画中的能量转化 太阳能—植物果实储存的化学能----人体储存的化学能-----自行车的机械能----发电机的电能----电炉的热能---水蒸气的热能。
（3）同学们找找看，能量的源头在哪儿呢？（太阳）是的，各种能量最终来源于太阳。
3.同学们让我们想象一下：假如自然界没有能量，将会怎样？ 4.师总结：原来任何物体的工作都需要能量。如果没有能量自然界就不会有运动和变化了，也就没有生命了。那么其他形式的能量可以转化成电能吗？也就是电能从哪里来？下节课我们就来探讨这个问题。
【板书设计】
6.电能和能量 电能 热能 光能
设计正能量 第6篇
黄振耀：东峻设计顾问公司设计总监
林松：深圳现代装饰杂志社总经理
李泷：宽品设计顾问有限公司设计总监
吴伟宏：东方设计装饰工程有限公司设计总监
话题背景
社会是一辆疾驰的列车，它需要能量的驱动。“负能量”如同劣质的汽油，会对列车造成致命的伤害，甚至引发故障而抛锚。只有多创造“正能量”，列车才能安全地驶向远方。
——题记
“正能量”的流行源于英国心理学家理查德·怀斯曼的专著《正能量》，他将人体比作一个能量场，通过激发内在潜能，可以使人表现出一个新的自我，从而更加自信、更加充满活力。而在这个繁荣且压力巨大的现代化社会里，一切激发人愉悦和向上的动力和情感，均被贴上了“正能量”的标签，“正能量”成为一个充满象征意义的符号，表达人们对美好生活的渴望与期待。与人类生活息息相关的“室内设计”无疑是一个充满正能量的行业：它不仅能创造功能合理、舒适优美的室内环境，亦在潜移默化的过程中由物质层面上升到了形而上的精神文化能量，为社会精神文明建设添砖加瓦。本期话题栏目，我们邀请了黄振耀、吴伟宏、李泷等三位设计师以及资深传媒人林松先生从设计与传媒的双面角度诠释了设计正能量之于设计圈的现实意义。
黄振耀
我们应该倡导从东方的、民族的、自己的角度去思考，深入挖掘属于我们自己的文化。从文化传承的角度来说，这种正能量的传播更为意义重大、影响深远。
林松
作为设计业的专业媒体，我们并不仅仅满足于做一个资讯的集合体，还致力于做传递正能量的思想先锋。
吴伟宏
做商业设计的本质就是社会价值和经济价值——在满足社会需求的同时惠及投资人，这样才有存在的必要性。
李泷
只要我们在前行的过程中，不断吸收、沉淀并将所得的东西转化成正能量，那就始终是进步的。
“爱”设计，正能量
引子：在前不久结束的现代装饰国际传媒奖上，现代装饰杂志社提出了“爱”设计的理念，这无疑是对设计正能量一个极好的诠释。
吴伟宏：我先抛砖引玉，我的一位老师说过情感设计是最成功的设计：将对生活的体悟融入到设计实践中，会产生“润物细无声”的设计之爱。拿我手头一个鼓浪屿的小酒店为例：在设计过程，我构想了这样一处细节，为来到这里的前一百位顾客专门定制手模并将这些手模镶嵌到花园的小路上——类似于香港的星光大道。每个看到这条小路的人都会对它产生兴趣：为什么这里会印有这么多手印？它们有着怎样的故事？……这些好奇心促使人们主动去了解酒店的故事，从而形成一种爱的消费。
李泷：世界上最强大的正能量就是“爱”，爱设计实际上就是正能量的一种诠释方式：用设计来传递情感，从而产生正能量。
林松：是的，爱设计就是一个充满正能量的理念：它有两层含义，一个是热爱设计，一个是因爱而设计：我们不能单纯地把设计当成谋生的手段，而要将它上升到人文关怀的高度。所谓的设计，不仅仅是将空间设计得美轮美奂，还要将情感蕴含其中，关爱空间的主题使用者。这次我们传媒奖就引入了一些与“爱设计”有关的节目，像《千手观音》这个节目的表演者就是深圳刘一手火锅店的员工们——他们中的百分之六十都是聋哑人。这种将人文关怀与空间使用结合的举动就非常值得提倡。
吴伟宏：这是双赢的事情，既解决了残疾人的就业问题，缓解了社会压力，又实现了盈利目的，确实是一种正能量的传播。
林松：是的，这个店的目的就是希望把残疾人的事业用商业模式延续下去。从而引起社会的关注，让人们重新认识残疾人——在看待他们的时候不要用同情怜悯的眼光，而是自然而然把他们当做正常人来看待。像我们这次将残疾人请到国际性的颁奖仪式上就是为了让他们有更广阔的展示舞台，让更多的人了解他们。这样从“爱设计”出发衍生的一系列行动就是对正能量的最佳诠释。
李泷：尊重他们就像尊重自己，从空间设计回归到人文关怀，这就是爱的升华。
黄振耀：这是由情感角度衍生的正能量。而我觉得还有一种正能量是不能忽视的，就是设计师本身的责任感，作为当代中国设计师，我们要清楚中国设计师肩负着怎样的历史使命：现在很多设计师都妄自菲薄，以西方为尊。当然不是说西方不好，但我们是否应该倡导从东方的、民族的、自己的角度去思考，深入挖掘属于我们自己的文化。如果这个能做好，从文化传承的角度来说，这种正能量的传播更为意义重大、影响深远。
本次厦门·国际设计之旅高峰论坛上程绍正韬到大陆宣传他的设计方向，就是一个很好的正能量，他是一个有使命感的人，也是一个有危机感的人。正因为此，他才有超人的成就。
李泷：要传递正能量确实需要先从自我做起，有句古话叫正人先正己。很多东西要修己而达人，首先自己要将内功练好才能将正能量传输给别人，这非常关键。
黄振耀：是的，自己要有作为设计师的职业操守：在创作上，借鉴精华，坚持原创，杜绝抄袭；在商业上，认真引导，真诚沟通，坦诚交易。
吴伟宏：我说的很简单，就是用心感悟生活，尊重设计。如果你真的用心去感悟生活，就不会舍得用“匠人”和“商人”的心来轻慢设计。这是对生活的尊重，也是对艺术的尊重，更是对自己的尊重。
黄振耀：能量是守恒的，正能量上来了，负能量就下去了。设计正能量，我所理解的就是设计“爱”。不要纯粹把设计当做一种职业，要站在设计之外从全局角度来看设计，并找准自己位置做一些实在的事情：同西方设计体系相比，东方设计体系是个发展潜力巨大的体系，很多日本、东南亚设计师在国际上声名鹊起，印证了东方设计思维的逐步崛起。但令人担忧的是，中国设计师在这方面做的并不够，他们很多人还处在一种混沌的阶段，不知道自己要坚持的到底是怎样的信念，这就需要大家共同努力，树立自主设计意识，这也是一种正能量。
吴伟宏：很多东西需要我们去研究，去思考，去寻找。
林松：程绍正韬提到了第四次经济浪潮是文化经济，这就要求我们必须有属于自己的文化。如果内力不够，无法拥有足够强大的自我，就无法应对文化经济浪潮的挑战。
黄振耀：日本在保持本土文化独立性方面就做的不错。他们虽然也认同西方理念并借鉴，但更注重将西方设计的优势融入到自己的民族文化中，形成属于自己的东西。而不是一看就是披了一张西方的皮的伪文化。
修己达人 设计正能量的文化思考
引子：毋庸置言，每个甲方都希望能通过设计师实现自己对空间的期待。这种期待从本质上而言，是对设计文化的一种考量——在甲方与设计师的沟通中，实际上已经对空间进行了新一轮的文化定位。这种文化定位的优劣将在社会生活中起到举足轻重的作用。事实上，一个精准的项目定位是传达设计正能量的先决条件。
林松：这个议题我是这样理解的，推己及人，抛开现象谈本质，你的甲方希望能够从你这里得到什么有益于他们的正能量？非常有兴趣听一听几位的看法。
黄振耀：从这个层面来讲的话，设计师之于甲方首先是一个医生：病人来了，你要先问诊，帮他确认病症。不能说一个病人进来了说医生我流鼻涕咳嗽给我开点感冒药你就给他开。一定要望闻问切确认了他的病情，才能开出合适的药来。甲方对于设计师的诉求亦是如此。作为设计师，我不可能甲方要什么我就给他做什么，毕竟他们的一些意见并不专业：我们刚开始是梳理员，帮他梳理，告诉他你刚才传递给我的信息哪些是正确的，哪些不妥当，我觉得怎样做会更好，这些沟通完之后才能开始做设计。而在做设计的途中，我们站在市场的角度也会有所取舍。最终把最适合的东西拿给甲方看，传递给他们正确的信息。
吴伟宏：我个人觉得，做商业设计的本质就是社会价值和经济价值——你做出的这个东西首先必须能够为社会服务，其次它要能够为甲方带来经济效益，在满足社会需求的同时惠及投资人，这样才有存在的必要。而我们设计师在做设计时一定要考虑到这些本质因素，否则你设计做得再美轮美奂也没用。
李泷：客户找设计师时，必然有一个美好的愿景，包括对自己项目，以及对未来走向有一个大概的想法和思路，这些愿景往往带着某种程度的不成熟，或者某种程度上的想当然。当然不否认很多客户具有很强的商业嗅觉，或有着很好的经验等等，但设计师存在的理由在于我们可以用设计通过某种定位来打造项目的影响力。就像我们做了很多旧建筑改建的项目。作为业主来说，在进入项目前期时有很多风险性，因为这种项目具有很大的不确定因素，很容易超预算。这时设计师的价值就体现出来了：我们做过很多项目，在整体定位上会有很好的把控，这样在设计的过程中就可以替业主节省一部分成本，从而保证他们能够将成本更有效地投入到项目建设中，这本身也是一种正能量的体现。
吴伟宏：旧建筑改造自身也是正能量的表现，让旧建筑重新焕发出新的生命，同时将自己的设计美学传递给别人，这是一种文化正能量的传递。而将旧建筑的价值扩大化，则是一种社会正能量的传递。
李泷：从整体的社会发展来说，这必然是一个新的趋势。在五年以后，旧建筑改造一定会成为设计圈普遍性的问题，我这里所说的旧建筑不是大家一般意义上认为的文化遗产，而是一些普通旧建筑。事实上在欧美有百分之六十的设计师都在做普通的旧建筑设计，这种设计是针对大众的。
林松：说到旧建筑改造我就想到了旧城改造——圈一块地，不管三七二十一，先拆迁，再盖房子，结果带来了更多的问题。
黄振耀：旧建筑改造不能想当然，做这样的项目时一定要考虑到建筑本身的文化连续性，比如说闽南的老式房子代表的就是它的传统文化，你把它武断地拆了改造成高楼大厦，某种程度上就是破坏了它的文化底蕴。所以，在做旧建筑改造的时候，一定要从文化民俗和社会经济价值双方面进行全局把控，懂得有价值地取舍，保留住建筑文化的根本。
吴伟宏：是的，有些建筑细节实际上代表的是一种约定俗成的生活方式。就像我回到以前住过的老房子里，脑海里就会闪过一帧帧过往的画画。
林松：对旧建筑的改造要有一个科学理性的态度，有保留地创新，有选择地保留。这是一种情感的回归，我觉得是非常好的。这种情感的力量一旦聚集，通过媒体的正确引导，可以形成巨大的社会力量来影响决策者。
黄振耀：不管是正能量还是负能量，我们的呼声太小了。一个人的声音是没有话语权的，很多人一起发出呼唤说这个东西好，那政府也要考虑了。
吴伟宏：让更多人觉醒，有这种觉悟和潜意识，从我做起，剖析自己。
林松：这种事业不是几个人、一个区域能做起来的，而是要有一个衔接的链子。我们经常会有一些论坛专题，就是希望可以通过媒体的力量来为这个链子加一个环节。
黄振耀：设计师们也确实需要一个合适的契机同志同道合的朋友们一起交流沟通，思考区域设计甚至中国设计的未来走向。今天的论坛就是一个不错的机会。
李泷：设计需要共鸣。
吴伟宏：大家一起交流下，取长补短。更容易发现自己有待改进的地方，为自己树立标杆，寻找新的设计方向。
黄振耀：是的，要传播正能量，首先要学会的就是分辨正能量、吸收正能量。比如我们今天做了一个论坛，就要很快地辨析出台上人所传达出的信息，哪些是有用的，哪些是没用的，拥有识别正能量的能力才有可能找到正能量。
吴伟宏：这还是一个修己度人的问题。
传递正能量媒体责无旁贷
引子：室内设计与业内媒体一路相伴而行。设计师们在对中国设计的缓慢发展进行反省与思考的同时，亦对行业媒体进行了再思考：在中国室内设计的发展中，设计师们希望行业媒体以怎样的姿态出现在他们面前？在传递设计正能量的道路上，行业媒体扮演着怎样的角色？
黄振耀：我觉得传递设计正能量媒体责无旁贷。作为舆论宣传的主导力量，不能同普通的商业机构一般只以盈利为目的。而是应当作为一个风向标，引导相关人士去关注社会上、行业内的热点：什么东西对中国的设计行业有用？什么东西有助于塑造中国设计的民族特色……
林松：触类旁通，其实我们媒体同设计是一样的，你们捕捉什么可以成为甲方的正能量，而我们在捕捉什么可以成为设计的正能量。我们一直在反思中前行。譬如作为设计业的专业媒体，我们并不仅仅满足于做一个资讯的集合体，还致力于做传递正能量的思想先锋。我们期冀通过自身的力量来集结设计界的精英，完善设计，传播正能量。
吴伟宏：我觉得林总所说的这个方向很好。其实我们很多设计师已经不愿意看单纯的图片资讯了。
黄振耀：我们现在刻意排斥这些纯资讯的东西是因为以前看得太多了，它们的雷同已经触发不了设计的灵感。打个比方来说，也许我的一个设计灵感，来自于唐诗宋词的机率要比来自于所谓的大师案例的机率大。现在我们需要的是停下来思考，将这些东西转化成自己的东西。
林松：其实对于图片类资讯的态度，也是分层级的。成熟的设计师可能会抛开案例去追求更深层面的东西，但是对于还处于学习求生存阶段的新手设计师，有可供借鉴的案例就显得尤为重要了。
李泷：所以媒体的“度”就很重要，怎样才能在大众化和思想性之间求得平衡，这很重要。
黄振耀：这个问题我觉得还有待商酌。从我公司的小伙子身上来看，我觉得图片资讯对于他们来说负面影响不小：直观的图片让他们忘记了思考的能力，成了呆板的重复者。
林松：其实关于模仿我觉得还是要一分为二来看的。就像哄小孩一样：小孩不爱吃饭长不好身体，但你跟他讲，他不懂得，所以你只能哄着他吃，我们明明知道骗小孩是不好的，却又不得不哄，不哄他不吃饭，反倒适得其反。刚毕业的学生设计师也是这样，他们明知道模仿是不好的，但不模仿，就无法起步，所以只能从模仿做起。然而模仿到了一定程度，从量变到质变，就逐渐产生了自己的思想。所以业内媒体仍然保留大量的图片资讯，也是有道理的。
李泷：其实媒体的进步和设计师一样，都要一步一步来，没有人是天生的天才。只要我们在前行的过程中，不断吸收、沉淀并将所得的东西转化成正能量，那就始终是进步的。
黄振耀：国内的很多媒体有同质化的现象，大家千篇一律，相互模仿。这点很不可取。我个人觉得作为媒体要有属于自己的声音。比如说同样是刊登案例，别人都是单纯的图片资讯，你可以在图片资讯之余加一些精辟的点评。这就同教师讲课一样，同样的主题，别人是照本宣科，你是言传身教，明显就胜人一筹了。
吴伟宏：其实就是能够让大家在读的时候引发思考。
林松：你们刚才说的我非常赞同。拿教育来作比，教育分好多阶段，有大专、本科、硕士等，每一个阶段的定位不同。而大家希望专业媒体能够做到将这些阶段的特点兼容并蓄，独树一帜。事实上，我们也一直在做这样的尝试，比如我们现在正在策划开辟专栏，让设计师去评价，通过专业人来解析专业，带给业内一点启发。
基于能量设计 第7篇
滴灌技术是节水灌溉的一种 , 利用节水灌溉系统设备按照作物需水要求 , 通过低压管道系统与安装在尾部 ( 末级管道上 ) 的特制灌水器 ( 滴头、微喷头等 ), 将作物生长所需的水和养分以较小的流量均匀、准确地直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中 , 使作物根部的土壤经常保持在最佳水、肥、气状态的灌水方法[1,2,3,4]。
总体上来说在我国 , 虽然有多种灌溉控制器 , 但多数规模较小 , 局限于实验和理论的探讨 , 而且开发出来的产品价格昂贵 , 农民尽管知道能节能、节水、增产 , 但由于一次性投资太大 , 多数农民承受不起 , 根本无法普及应用。基于此本文设计新型智能滴灌控制器利用波文比 - 能量平衡法计算出作物蒸散量 , 将传统的凭经验灌溉模式转变为精准滴灌控制策略 , 同时 , 将传感器检测技术、自动控制技术、以及计算机通讯技术相结合 , 设计出该系统实现精确灌溉,既能保证作物滴灌需水量, 又能不造成水资源浪费 , 整套系统既简单实用 , 又性能稳定可靠 , 适合推广到生产中 , 具有实用价值。
2控制器的总体设计
2.1控制器总体结构设计
根据智能滴灌控制器的实际需求硬件部分分为电源供电模块、数据采集转化模块、微处理器控制模块、 液晶显示模块、人机交互按键模块和输出驱动模块 , 系统模块结构如图1所示。智能滴灌控制器整体效果如图2所示。
在本设计中所使用的温湿度传感器是电容式数字温湿度传感器DHT21, 分别用两个传感器分别接作物冠层和顶层测量冠层温湿度和顶层温湿度。光敏电阻 (GL5516) 采集到光电压信号经过A/D变换器转换为数字信号后送入单片机 (STC89C52) 中。根据波文比 - 能量平衡法 , 换算出作物灌溉量 , 利用LCD液晶屏 (CH19264B) 将温度、湿度、净辐射值显示出来 , 并且可以用按键面板键入命令 , 实现人机交互。单片机同时输出控制信号 , 结合中央管理计算机的指令 , 设定程序控制电磁阀的开关时间即可以控制灌溉量 , 及时补充作物散失的水分 , 实现自动灌溉。
2.2控制器硬件设计
控制器采用单片机最小系统STC89C52, 它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器 , 具有8K在系统可编程Flash存储器。LCD液晶屏为CH19264B系列的液晶屏。CH19264BV1点阵绘图型液晶显示模块 (LCM), 采用192x64点阵液晶显示屏 (LCD) 与低功耗LED背光组成。
控制器主体为薄膜按键面板。采用薄膜独立按键作为滴灌控制器的人机交互终端 , 独立按键实际上就是一组相互独立的按键 , 这些按键可以直接与单片机的I/O口连接 , 每个按键一端独占一条口线 , 所有按键另一端都归结到一根地线 , 接口原理简单。独立按键接线如图3所示,六个按键分别为启动键、停止键、上移键、下移键、 手动键、确定键。利用软件实现在自动模式条件下按照理论计算蒸散量精确滴灌 , 在手动模式条件下用户任意设定滴灌时间进行灌溉。
系统选用数字温湿度传感器DHT21,GL5516光敏电阻 ,ADC0832数模转化芯片 , 驱动部分是由12V电源、 控制器、DC12V电磁阀、驱动芯片和滴箭组成的。驱动芯片采用高耐压、大电流达林顿陈列—ULN2003,MCU的P1.1口接芯片的IN1管教 , 当P1.1输出高电平时 , 电磁阀接通 , 反之关闭 , 系统运行时通过对P1.1口的输出控制即可控制滴灌执行器的开启或关闭。驱动电路如图4所示。
2.3波文比-能量平衡法等效灌溉量核心算法
波文比 - 能量平衡法是应用比较广泛的估算农田蒸发蒸腾方法 , 具有所测参数少 , 计算方法简单的优点 , 不需要有关蒸发蒸腾面空气动力学特性方面的资料。鉴于此 , 本文选用此法计算作物蒸散量 , 根据作物生长的环境气象因素的变化确定灌溉的时间和作物的需水量 , 通过气象因素确定作物的蒸腾蒸发量来制定灌溉决策。
Bowen在1926年提出波文比 (β) 定义为某一界面上感热通量与潜热通量的比值 , 为垂直方向上温度梯度和湿度梯度的函数。用公式表示为[5]:
式中 ,H为感热通量 ;λET为潜热通量 (λ 为水的汽化潜热系数 ;ET为蒸散量 );ρ 为空气密度 ;CP为空气定压比热 ;Kh和KwKw分别为热量湍流交换系数和水汽湍流交换系数 ; △ T、△ e、△ q和△ z分别为两个高度的温度、水汽压、比湿和高度差 ;, 为干湿表常数 ;CP=1.0061x10 3 J/K·kg;ε=0.622;λ=2.5 MJ/kg;P为试验地气压。
根据相似性原理 , 在假定水汽湍流交换系数Kh和热量湍流交换系数Kw相等的条件下 , 即Kh=Kw, 可得 :
由公式可知 , 利用两个高度的温度和湿度的观测值通过 (2) 式就可计算出波文比。
能量平衡方程是计算 λET的基础 :
Rn=λET+H+G
式中Rn为净辐射通量 ;G为土壤热通量 ;H为显热通量 ;λET为潜热通量 ; ET为蒸散量 ,mm/d;
根据强小嫚等 (2008) 大量研究[6]可知G和Rn具有很好的线性相关性 , 即
将方程 (1),(2),(3) 联立后可得 :
从上式中可以看出 , 波文比 - 能量平衡法计算蒸散量所测量的物理量较少 , 只需要测出不同高度的空气温度、湿度差及净辐射值就可以推算出这一时间内的作物蒸散量 , 相对其他公式有较高的可行性。本设计采用价格低廉的光敏电阻 (GL5516) 代替昂贵的净辐射传感器 , 利用多次实验找到本地区光电压的与总辐射的变化规律 , 利用国内外学者通过实测数据发现总辐射与净辐射之间存在的良好的线性关系[7], 建立光敏电压与净辐射的定量关系 , 从而实现由光敏电压值间接得出适合于本地区的净辐射值。基于此 , 本设计采用波文比 - 能量平衡法计算作物蒸腾和土壤散失的水分 , 进而推导出灌溉量 , 为作物及时补充水分 , 实现精准灌溉。波文比等效过程原理图如图5所示。
2.4系统软件设计
智能滴灌控制系统的主程序是整个软件设计的核心 , 基本实现了预期的所有功能包括 : 数据采集转化、 液晶显示、薄膜按键、蒸散量的计算、滴灌时间的设定以及最后电磁阀的开关。 整个系统的流程开始初始化 , 调用数据采集程序进行温湿度以及净辐射的采集并且进行模数转换得到数字量 , 接着使用液晶显示子程序将采集到的数据显示出来 , 与此同时根据波文比 - 能量平衡法计算蒸散量 , 设置算法将理论计算值用于计算滴灌时间T=N×S×ET/V, 其中V为总管线的流量 ,L/min,S为一个花盆土的面积 ,N为黄瓜盆数。通过控制电磁阀的开关时间来控制灌溉量。然后进行查询 , 即当系统定时不足十分钟时,仅显示界面组1(顶层温湿度、净辐射), 当定时到十分钟时,显示界面组2(冠层温湿度、蒸散量)。 如此进行 , 计算实际滴灌时间并调用电磁阀开关后令时间归零重新开始循环。软件主程序流程如图6所示。显示界面组画面如图7所示。
3试验验证
3.1试验基本情况
试验选取2013年冬季12月1日至27日在南京农业大学实验楼顶的三脊Venlo型独立温室中进行。该温室为东西走向 , 东西16m, 南北方向8m, 温室肩高4.2m, 顶高5.2m。温室内部表面覆盖塑料膜 , 在膜上采用50×22×16cm的盆栽种80盆黄瓜。2013年10月种植黄瓜5行 , 行距1m, 行内种植16盆 , 每株间距1.5m左右。滴灌管线布置主管线采用直径32的PE管 , 五条支管线采用直径16的PE管 , 灌溉采用一出四箭的滴箭进行滴灌。水通过电磁阀、过滤器、流量计流入滴灌支管进行滴灌 , 断电后电磁阀关闭 , 则停止滴灌。温室实验概况如图8所示。试验时将两个传感器分别置于作物的冠层和顶层进行测量 , 同时将净辐射传感器也置于作物生长见光处测量净辐射 , 所有传感器信号都连入单片机中进行处理计算 , 通过LCD显示出温湿度、净辐射以及理论蒸散量值ET, 利用MCU计算出灌溉量结果。
4结果分析
4.1环境因子对作物蒸散量日变化的影响分析
研究温室各个环境因子对蒸散量的变化的影响 , 可以更好的通过环境的变化来定性判断滴灌量的大小 , 对实际生产起到指导作用。依照上述实验要求 , 将采集到的净辐射、温度、湿度值分别与蒸散量对比趋势 , 判断出环境因子对蒸散量日变化的影响。
本文选取12月1日进行分析 , 从图9中可以看出蒸散量的变化趋势与净辐射变化基本一致 , 两者相关性较好 , 其日变化具有相同的峰型。净辐射由8时左右转为正值 , 半小时后土壤向下传导热量 , 能量由大气流向土壤表层 , 蒸散量不断增大 , 蒸散量同净辐射变化完全一致。到12时左右达到最大 , 之后二者迅速下降 , 由大气层流向土壤层的能量不断减小 , 在18时左右蒸散量值接近0。净辐射的大部分能量用于土壤蒸发和植物蒸腾 , 所以日间蒸散量的变化趋势与净辐射变化基本一致。
蒸散量的变化除了和净辐射有较好的相关性 , 还与气候因子的日变化和下垫面条件有关 , 气候因子主要有气温、湿度、风速等 ; 下垫面条件为土壤热通量等。这里列举了温度和湿度与蒸散量的变化趋势 , 从图10中可以看出蒸散量的变化趋势与温度变化相关性不高 , 二者都从8时开始上升 , 到12时左右达到最大 , 但是之后蒸散量下降 , 而温度则继续上升 , 到18时左右有所回落。图11是湿度与蒸散量的变化趋势 , 可以看出二者相关性较低 , 基本上成负相关变化趋势。环境因子的变化趋势按相关性高低排列 , 对蒸散量的影响为 : 净辐射>温度>湿度。
4.2波文比计算值ET和称重法实测值ETl的日变化对比分析
试验另设对比组采用称重法测量真实的蒸发量 , 一段时间内由电子秤称出花盆质量的改变即为真实蒸腾量ETl。系统定时每十分钟检测一次蒸散量 , 每次测量读数三次 , 取平均值作为最后的结果。
本试验选取黄瓜生长阶段有代表性的2天 : 冬季12月1日 ( 晴天 ),12月4日 ( 多云 ) 进行分析。从图中可以看出 ,(1)ET与ETl的日变化趋势基本一致 , 阴天条件下 , 蒸散从8 ∶ 00时左右开始 , 一直较为平稳上升 , 在10:30时左右突然幅度增加 ,11:30时出现峰值 , 随后虽然蒸散量也出现了几次波动 , 但总的来说一天中蒸散量变化幅度不是很大。(2) 晴天条件下日变化曲线均为单峰型。蒸发蒸腾量从8:00左右开始增大 , 中午12:00左右达到峰值 , 之后温室拉起遮阳网 , 所以蒸散量迅速减小 ,18:00左右以后在接近0。
曲线如图12-13所示 , 由以上分析可以得出 , 波文比法能稳定地测量出蒸散量的值 , 而且与黄瓜实际蒸发蒸腾量变化趋势基本一致 , 可以用来作为作物滴灌的理论依据。
5结束语
新型智能滴灌控制器利用波文比 - 能量平衡法计算出作物蒸散量作为滴灌量的原理 , 搭建整个基于波文比 - 能量平衡法的智能滴灌控制器控制系统 , 采用软硬件结合控制方法实现对滴灌量和电磁阀开关的控制 , 目的是实现今后精确滴灌 , 以达到节水灌溉的效果 , 既摆脱了传统的凭经验灌溉的灌溉模式 , 而且结构简单 , 价格适中 , 适宜于中小型温室的精确水分灌溉。同时 , 完成温室实际作物对比试验 , 通过分析蒸散量日变化规律以及环境因子对蒸散量的影响 , 从中可以看出滴灌量基本变化趋势是从早上8点左右开始增加直到中午12点左右最大 , 之后随着净辐射值的下降滴灌量减小 , 直至傍晚不需要滴灌 , 相较于温度湿度而言 , 净辐射是影响作物蒸散量变化的主要因素。在此基础上 , 完成波文比计算值与真实称重值的对比试验 , 试验表明两者趋势基本一致 , 说明能够采用波文比 - 能量平衡法计算作物灌溉量 , 用于温室大棚的精确灌溉。
参考文献
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基于能量-时延的AODV协议改进 第8篇
ADHOC网络是一种无固定基础设施的无线局域网,是处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。由于自组织网络没有预先建立好的网络固定基础设施,因此自组织网络的服务范围通常是受限的,而且自组织网络一般也不和外界的其他网络相连接。ADHOC网络中的节点不仅要参与自身作为源节点或者目的节点的通信过程,而且可能还要参与相邻节点的通信过程中信息的转发。而在多跳转发的过程中由于节点的移动,可能会导致链路的中断与重建、数据包的丢失与重发,从而导致ADHOC网络性能下降。因此,一种合适的路由算法对于充分发挥出ADHOC网络组网灵活的特点是非常重要的。
传统的按需路由协议大多数是采用以路由跳数作为衡量路径优劣的标准,路由跳数虽然满足了路由协议简单快捷的要求,但是却忽视了网络传输时延和链路质量:在一般情况下,跳数少的路由节点间的距离相对比较远,因此网络传输时延和误码率等也会相应增大。本文在考虑到传统AODV[1]协议的缺陷的基础上,提出了一种能够平衡路由跳数和传输时延的协议:基于能量等效距离-网络时延比的ADHOC路由改进算法PET-AODV。其基本思想是在节点能量稳定度的基础上考虑网络传输时延,以区别下一跳节点的优劣,从而选择合适的路由链路,来达到提高路由效率的目的[2]。
1 PET-AODV算法的实现
1.1链路PET指标的测量
在测量链路的PET指标中的链路信号强度时,我们提出了一种信号强度等效距离的思想[3],其具体算法如下:
基于ADHOC一般应用于近地传输的特点,我们可以采取近地二路传输衰减模型[4]:在近地点,信号强度按1/r2衰减,在远地点信号强度按1/r4衰减,在这种模型下,接收到的信号功率值与节点之间的的距离为。在802.11协议标准中,信号接收门限RxThesh=3.652e-10W,在节点间距离为d=250米时得到的,于是可知,根据上述可知:。由此,我们可以获知信号强度等效距离,进一步延伸,我们可以定义一个基于信号强度等效距离的链路稳定度概率,DP用来表示未来一段时间内节点停留在相互可以保持正常通信范围内的概率。
在一条链路存在多跳的情况下,我们可以采用最大最小法来计算每一条链路的DP值,具体算法如下:
假设从A节点到B节点之间存在n条路径,其中每一条路径有m跳,则第m条路径的DP值DPm,=max(DPi),即选择每条路径中DP值最大的那一跳作为该路径的DP值。
但是这样选择最优路径存在的问题是:由于跳数较多,传输时延可能会比较大,我们引入了另一个链路选择指标:链路延迟时间T,它是指数据在整个通信期间从源节点传送到目的节点无差错接收所用的时间,引入这个指标的意义在于衡量某条通信链路的数据收发延迟,尽可能避免因某个节点转发数据量过大导致的局部性网络拥堵,从而影响路由选择的有效性。结合上述理论,我们可以得到每一条路径的能量时延比PP=DP/T,我们从中选择PP值最高的一条链路作为最优路由,即PPpath=max(PPi)。当某条信号功率越稳定,传输时延越小时,链路能量等效距离距离时延比PPi越高,由此选择出的路由稳定度和实时性越好。如图1所示,S1到S2有两条路径,设经过S4的路径为路径一,经过S3的路径为路径二。路径一的DP=0.9,T=40,PP=0.0225;路径二的DP=0.8,T=35,PP=0.0228;根据PET-AODV协议的选择的原则,我们应该选择路径二作为最佳路由。
2 算法的实现
从上述论述中可以看出,本算法采用的是需求驱动距离矢量路由算法思想,通过比较每条路径的能量等效链路稳定概率同时比较传输时延来选择最优路由,在此我们称这种算法为PET-AODV路由协议,具体实现如下:
在ADHOC网络中,每个节点在向其他节点发送数据之前,都必须首先确定一条从本节点到目的节点的路由,而AODV协议是需求驱动型路由协议,它并不定时主动发送RREQ报文来维护路由表,因此、我们需要发送路由请求广播报文RREQ,格式如下[5]:
在发送的RREQ报文中,每一个RREQ报文都具有唯一的
源节点在RREQ生存期内收到多份由不同路径发送过来的RREQ报文,在确认报文目的节点是本节点的情况下,源节点应取出各个RREQ中的DP、T值,并依此计算出各条路径的能量等效链路等效概率时延比PP,选择其中最大者作为最优路由。
源节点节点在收到RREP报文时,还应做出如下判断:如果RREP中的目的地结点序列号大于目前结点路由表中的目的地结点序列号,这意味着本结点维护的路由表项已经过时,则更新到目的地结点的路由表项[7]。如果RREP中的目的地结点序列号小于或等于结点路由表中的目的地结点序列号,说明本结点维护的到达目的地结点的路由表项仍然是最新的,无需更新该路由表项。
2 总结
本文在考虑链路能量稳定度、网络传输时延的基础上提出了一种基于链路能量稳定度、网络传输时延比的按需驱动矢量路由算法。PET-AODV该协议通过计算每条链路的能量等效距离并综合考虑网络传输时延,减少了数据链断裂次数,减少了路由重建次数、平衡了网络中各节点的负载,从而有效的提高了数据包的成功接收率和网络吞吐率,并降低了路由协议开销和分组的端到端时延[8]。
参考文献
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基于能量调整的射线图像增强算法 第9篇
由于受到成像系统中光学镜头、影像增强器等的影响,射线图像对比度一般比较差,图像细节信息易丢失。因此,在应用中通常需要增强图像对比度和细节信息,扩大图像的灰度范围,突出图像中的感兴趣区域。
常用的图像增强方法有:空域处理法和频域处理法。空域方法主要包括灰度变换法、直方图法[1]、空间滤波法[2]等;频域的方法主要有同态滤波法[3]、反锐化掩模法[4]等。这些图像增强算法的通用性较强,但是在处理射线图像时效果并不理想。文献[5]提出了基于灰度对比和自适应小波变换的X射线图像增强算法,但难以在细节增强和噪声抑制之间取得良好折衷;文献[6]提出了将全局自适应均衡与局部动态增强相结合的射线图像增强算法,但其在细节增强方面的效果不明显;文献[7]提出基于多尺度对比度塔的图像增强算法,其运算量大,实时性较差且容易过度增强。本文根据图像退化前后的能量特性,提出了基于能量调整的图像增强方法。该方法在频域上对射线图像进行高低频能量调整,再利用Gamm校正[8]保证图像的总能量基本保持不变。实验证明该方法可以有效地提高图像对比度,增强图像细节。
1能量特性
成像系统的成像特性和像质评价,可以使用物体本身,即真实的“像”和物体通过成像系统成像后的频率之比来表示。这种频率对比特性,就是所谓的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)。每一个光学成像系统的MTF值的高低在一定程度上决定了成像后图像对比度的高低,且会随着不同的成像系统和不同的空间频率而改变,一般有0 MTF 1。光学系统的调制传递函数对真实图像所产生的影响,类似于将其与一个复杂的传递函数卷积。
由于在射线成像系统中,难以得到较理想的没有衰减的图像,本文使用退化前后的卫星图像来说明成像系统的能量特性。
图1为卫星图像的原图和经MTF退化后的图像以及它们各自的频谱图。在本文中,使用图像的灰度均值来近似地表示图像的能量。计算结果显示图1中原图与退化后图像的能量基本相等。退化图像的边缘细节信息模糊不清,灰度变化平滑过渡,另外,从退化前后的频谱图像中可以看出,高频部分减少了而低频部分增加了。
因此在总能量不变的情况下,经光学成像系统后, 有一部分高频能量转换为低频能量,光学成像系统的调制传递函数在图像的频域上就表现为高低频能量的相互转换。
2算法描述
基于能量调整的射线图像增强算法包括三个主要部分,即低频削弱、高频增强和Gamma校正。
2.1低频削弱处理
射线图像包含大量的低频信息,所以在傅里叶变换域中,低频信号的幅值较大,低频削弱就是降低低频幅值最大点。设采集到的射线图像为f (i,j),频域图像为F(x,y),在频域图像中幅值最大点的坐标为 (m,n),低频削弱后的频域图像为F′(x,y),则低频削弱公式为:
其中,0 < k < 1为常数,代表低频削弱的程度,k越小,削弱程度越大,k越大,削弱程度越小。 k的取值与成像系统的调制传递函数值密切相关,当调制传递函数值较小时,表示退化程度严重,则k值也要取较小值;当退化不严重时,k值取较大值。本文主要针对射线图像进行实验,由多组实验结果可知k的取值范围为0.6~0.7比较合适,射线图像的低频部分得到比较好的削弱,逆傅里叶变换后即可得到低频削弱图像。
2.2高频增强处理
由于高频部分在图像傅里叶变换域中不容易确定, 所以,本文对上一步骤中的低频削弱图像进行单层小波变换分解[9],得到近似小波系数、水平细节系数、垂直细节系数和对角细节系数,分别记为A,H,V,D。高频增强就是增大3个细节系数,设增强后的3个系数分别为H′, V′,D′,本文采用的增强函数为:
式中:0 < s < 1为常数,反映了高频增强的程度。 s越大则说明高频增强的程度越低,s越小则说明高频增强的程度越高。 s的具体值在本文中是根据实验结果分析设定的,本文经对像质计射线图像多次实验,将s在0.5~0.6之间取值,小波逆变换后即可得到高频增强图像。
2.3Gamma校正处理
低频削弱和高频增强将图像中的高低频能量进行了改变,结果也会改变图像的总能量。为保证处理过程中图像的总能量不变,采用Gamma校正进一步对图像进行处理。
设经高频增强后的图像为u(i,j) ,Gamma校正因子为 γ ,最终增强图像为g(i,j),则校正公式为:
其中校正因子 γ 的取值决定了校正后图像的总能量。将高频增强图像u(i,j) 的灰度均值记为mu,采集的原始图像f (i,j) 的灰度均值记为mf,γ 定义为如下形式:
式中:τ 为常量,目的是调整最终图像的亮度值。当 τ = 0时,如果mf> mu,即高频增强后的图像均值小于原始采集图像均值,则 γ < 1,那么 (u(i,j) 255)γ> u(i,j) 255, 也就是说经Gamma校正后,图像的灰度均值得到了提高,趋近于原始采集图像的均值;同理,如果mf< mu,图像灰度均值将会降低,趋近于原始采样图像的均值。通过本文的Gamma校正方法,能基本保证图像的总能量不变。
3实验结果与分析
3.1实验参数及评价标准
像质计[10]为评判工业射线图像清晰度的通用工具, 能测定射线照相灵敏度,本文所用实验图像即为铁质线型像质计射线图像。实验原图像已经做了积分去噪的预处理。在实验中,设定低频削弱系数k = 0.6 ,高频增强系数s = 0.6 ,亮度调节变量 τ = 1.1 。为了定量的评价算法的优劣,选择了灰度方差、对比度和图像细节能量这三个参数对实验结果进行分析。
3.1.1方差
用 σ2表示图像方差,它的定义如下:
式中:m × n为图像的大小;f (i,j) 代表图像在坐标 (i,j) 处的灰度值;mf为图像的灰度均值,定义为:
3.1.2对比度
对比度可以描述图像细节与图像背景之间的差异性。显然,在其他因素相同的条件下,对比度是衡量图像质量的一个重要指标。在本文中,将对比度定义为:
式中:δ(i, j)= |i - j|,即相邻像素间的灰度值差;Pδ(i,j) 为相邻像素间的灰度值差为 δ 的像素分布概率。
3.1.3细节能量
细节能量反映了图像中细节的丰富程度。本文中将细节能量定义如下:
式中:m和n分别为图像的高度和宽度;σ2(i,j) 表示图像的局部方差。
3.2算法效果分析及比较
图2为本文算法及几种常用图像增强算法的实验效果图。(a)是实验原图像,(b)和(c)分别为直方图均衡化和同态滤波法的增强效果图,(d)为文献[6]算法的增强效果图,(e)为本文算法的增强效果图。
基于人眼视觉的效果可以看出,本文算法结果图2(e) 中,金属细线可识别度明显高于原始图像,也没有出现像图2(b)那样比较严重的不均衡,可以用于提取图像细节特征信息。
图3所示为对应上述五种图像的直方图,可以看出,本文算法在保持原始图像灰度分布结构特性的基础上,明显扩展了图像灰度动态范围,没有出现灰度分布过于集中的情况。
用方差、对比度和能量细节三项指标对上述各种方法处理的算法进行定量比较,结果见表1。
从表1可以看出,本文算法不论从全局对比度还是细节能量都比原始图像有了显著的提高;直方图均衡化方法虽然在对比度增强上有较好的效果,但容易造成图像对比度的过增强,而且在图像的细节能量上没有得到加强;文献[6]的算法增强效果不明显;同态滤波法无论是在视觉上还是在方差、对比度和细节能量的数据上都达不到本文方法的效果。
3.3更多图像增强效果实验
图4为本文算法对更多射线图像进行增强的处理结果。图4(a)为三幅轮毂射线图像,前两幅为轮辐,第三幅为轮辋;图4(b)为本文算法的对应增强效果图。 对比可以看出,本文算法增强后的图像更有利于提取细节特征信息。
图5为本文算法对其他种类图像的增强效果图。 图5(a)为人体医用射线胸片图像和高空拍摄图像, 图5(b)为本文算法处理效果图。从图像整体的对比度和细节丰富程度可以看出,本文算法对各类成像系统所得图像均能在对比度、细节丰富程度上取得较好的增强效果。
4结论
基于能量转移的网络谣言传播机制 第10篇
大部分的谣言传播模型都是在传染病模型的基础上进行的宏观设计, 而忽略了谣言传播微观因素的影响。首先, 谣言对个体的吸引力不是固定不变的, 而是随着个体谣言辨别能力的提高, 呈现下降趋势, 这个微观特征并没有在模型中得以体现。第二, 不同个体将谣言传递给其他人的能力不同。在复杂的社交网络中, 重要节点一般更有权威性, 可以影响其他节点的变化。第三, 个体传播谣言的概率不是恒定不变的, 而是往往取决于时效性、心理差异和遗忘机制等因素。也就是说, 当人们第一次听到谣言, 他们会积极地分享给其他人。但当人们对谣言逐渐失去兴趣时, 传播的概率会相应的降低。基于以上分析, 我们从谣言的特征, 谣言对网络的影响以及传播个体能量的积聚等方面对谣言的传播进行了深入研究。谣言的传播能力受谣言的吸引力、传播个体的影响力、以及个体辨别力的影响, 整个传播过程与物理学中热辐射传导有极大的相似性。本文通过对互联网背景下谣言的特征和传播规律的分析, 提出了一种基于热辐射传导的网络谣言传播模型。
二、网络谣言传播机制
(一) 能量理论与谣言传播
本文基于能量转移理论模拟网络谣言传播, 而热辐射属于热量传递的三种方式之一, 任何物体, 只要绝对温度不是零度, 都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量。同时, 又不断吸收来自其他物体的辐射能。与光一样, 辐射能可以反射、穿透和吸收, 如图1所示。
其中, 能量间的关系为Q=Qa+Qr+Qd。Qa、Qr、Qd与总能量Q的比值称该物体对投入辐射的吸收率a、反射率r和穿透率d。吸收率等于1的物体称黑体, 其辐射能力服从斯蒂芬-波尔兹曼定律, 实际物体的辐射能力E恒小于黑体的辐射能力E1。
这里的C0表示黑体辐射系数, T表示物体的表面温度, ω表示物体的黑度。理想情况下, 黑体对各种波长的辐射能全部吸收, 但实际物体的吸收率与投入有波长有关, 即物体对不同波长的辐射能有选择性的吸收。我们把实际物体当作对各种波长辐射能均能同样吸收的理想物体, 这种理想物体称为灰体。其吸收能力服从克希荷夫定律, 同一灰体的吸收率与其黑度在数值上是相等的, 即ω=μ。实际物体的辐射能与相同温度下黑体的辐射能的比值, 称物体的黑度, 用ω表示。μ为物体在理想情况下的吸收率, 即对投入辐射能的吸收率可用其黑度表示, 即:E=μE1=ωE1 (3) 。
谣言传播过程类似于物体的热辐射过程。其中能量包括:内能即谣言对个体的影响, 辐射能即个体向外传播谣言的能力。从热辐射的特征中我们可以想到, 当人们第一次接触到谣言后, 他们自身的能量会升高, 就有可能变成一个辐射源, 在谣言传播中能量越高的个体, 其向能量低的个体辐射传播谣言的能力越强。与温度越高, 热辐射越强的特征相类似, 谣言本身的影响力越大时, 它被传播的能力也就越强。基于以上的分析, 我们可以使用能量模型来模拟谣言传播的进程。它开始于网络中的一个传播者, 随后传播者向周围个体传播谣言。个体之间的相互关系符合谣言传播理论, 在这个过程中, 如果一个无知者听到谣言但是没有接受它, 他的能量仍然是0。另外, 如果他转变成一个传播者, 我们可以通过能量公式计算得到其能量。当一个传播者的能量减少到0时, 他就会变成免疫者, 我们将整个网络比作能量系统, 使用能量的概念来测试谣言对网络的作用。当谣言浮现、传播以及消退时, 网络能量上升、维持和衰变。
(二) 模型建立
通过对谣言的吸引力、传播过程中个体自身的辨别能力及其影响力的分析, 我们发现谣言传播过程与物体热量传递方式中的热辐射相类似, 因此, 本文引入热辐射理论及能量的概念来分析和形象化谣言传播过程, 从微观角度研究谣言传播的特征及相关个体能量变化情况。在自然界中, 任何高于绝对温度的物体, 都会不停地向周围发出热辐射, 并且在辐射过程中伴随着能量的转变。在本文中, 我们引入能量的概念并将其定义为谣言的影响力, 它宏观表现在其传播的范围及接受谣言的人数, 随着人群的关注度和时间的变化而变化。
其次, 根据现实网络世界谣言传播特点, 我们将网络系统中的个体分为以下几类, 即每个个体在某一时刻可能为以下状态中的一种:无知者、潜伏者、传播者、免疫者。无知者, 即指从未接触过此谣言并对谣言无判断力的人, 其能量初始值e=0;潜伏者, 是指接触过谣言但未确定其真伪且不会传播的人;传播者为接触谣言并对此谣言持基本肯定态度, 同时散布此谣言的人, 包括谣言的发起者;免疫者为确信谣言为假的群体。
1、模型假设
在初始状态, 系统中只存在无知者和免疫者, 此时系统的基能量为0。谣言产生于系统中的某一节点, 其具有一定的谣言能量e1, 相应地, 系统能量增为e1。此后, 系统中的能量将发生变化。在系统中, 我们规定用e来表示每个个体具有的谣言能量。另外, 在能量传播过程中, 我们假设在以个体为单位的网络系统中, 每个独立个体存在2个稳态, e=A为相对稳态, 即当无其他辟谣能量干扰时, 个体能达到的最大谣言能量为A (此状态表示个体确信谣言为真) , 我们称达到此能量的个体为确信者;e=0为绝对稳态, 即当个体能量e=0时, 其能量将不再变化 (用以模拟免疫者) 。定义一个临界能量σ, 规定潜伏者的能量范围是0<e<σ, 传播者的能量范围是σ≤e≤A。在谣言能量传递过程中, 具有一定能量的辐射源有一定的传谣概率, 我们将其定义为p, 这样能量就会传递到其他个体上;个体在收到此能量后, 经过甄别与选择 (我们用接受概率q表示) , 从而获得一定的能量。至此, 一次有效的能量传递完成。此时系统中存在无知者、传播者、潜伏者和免疫者四种状态, 系统的能量得到积聚。接下来, 系统中具备足够能量的所有传播者将进行类似的能量辐射。结合现实的谣言传播特点, 我们将以传播者作为重点研究对象进行研究, 传播者会向任何个体辐射能量, 使接受者能量e无限趋近于A (免疫者除外) 。这一传播进程具体可以分为五种类型:
a.传播者→无知者b.传播者→潜伏者c.传播者 (高能) →传播者 (低能)
d.传播者 (低能) →传播者 (高能) e.传播者→免疫者。其传播能量的特点各有不同:a、b、c为强能传播, d为弱能传播, e则不会有能量传播。高能向低能传递等价于增加了谣言的可信度, 其传播过程类似于热辐射过程, 可类比写成, 并联系实际加以修正。弱能传播相对较小, 在一定程度上可以忽略, 我们对此不做研究。这样, 当能量为e1的谣言传入系统后, 运用以上假设与定义, 并结合相关知识, 我们可以近似地表示出系统谣言能量的变化, 以模拟谣言传播的过程。
接下来我们将以谣言能量传递的四个过程为基础, 选取重要的个体探讨系统能量的变化过程。四个过程如下:a.传播者→无知者;b.传播者→潜伏者;c.传播者 (高能) →传播者 (低能) ;d.传播者→免疫者。
第一, 谣言传播中能量的变化
在模型中, 系统中的任一个体都会不停地向外辐射能量, 同时, 又不断吸收其他个体的能量, 我们规定用e来表示每个个体具有的谣言能量, 理想情况下, 个体所能达到的最大谣言能量为A。Eb表示辐射源具有的能量, Ea表示吸收源具有的能量。
当辐射源 (指传播者) 辐射能量时, 辐射源所能达到的最大能量为A, 而实际情况下个体的辐射能力E恒小于或等于A, 因此, 我们将实际情况下个体辐射能与理想情况下个体辐射能的比值定义为信任度, 用ε表示。即:。实际情况下个体的辐射能量Eout可类比黑体热辐射公式用下式表示:。在式中, 为了调节公式, 确保其准确性, 用k1作为可变的调节量, α为可变参数。
当吸收源吸收能量时, 我们知道, 其吸收能量的多少与实际情况下辐射源和吸收源的差值正相关, 与吸收源本身具有的能量 (负6) 相。关。这样, 我们定义吸收率, 用δ表示。即:
我们考虑到个体对谣言的接受程度和谣言本身的可信度有关。为模拟这一事实, 结合数理方程建立的相关知识, 我们分别在公式的分子分母中引入能量参数S、T用以衡量谣言的可信程度。
实际情况下个体的吸收能力Ein可用下式表示:
根据实际调查分析发现, 剩余能量与传播等级、传播时间、个体性别以及个体差异都有可能有关。我们根据数学模型逐个分析, 从能量角度对系统整体及重要个体的谣言能量变化做详细探究。
第二, 总能量的变化
通过研究系统总能量的变化, 我们可以得出总能量变化公式, 进而通过数据仿真, 得到系统总能量变化曲线。系统总能量的变化体现了谣言影响力随时间的变化。研究能量的变化, 分析能量变化曲线, 就是为了得出随着时间的推移谣言影响力的消长及其变化速率。实际意义有二:其一, 了解谣言变化的微观规律, 更深入而透彻地了解谣言变化规律;其二, 研究谣言在传播过程中增长速率的变化, 得到控制和消除谣言的方法。 (根据相关数理知识, 在谣言增长速度最快的时间段内控制, 可最快消除谣言) 。其中, △Ei是指在由t到t′时间内第i个个体的能量变化量, 在系统中, 由于免疫者的能量△Ei≡0, 故我们只研究非免疫者的能量变化。根据上述分析, 我们可以得出△Ei的表达式, 即:
其中, pj为第j个体的传谣概率, q为个体对谣言的接受概率, △t=t′-t, N (t) 为t时刻传播者的人数。进而可得:
此时我们可以得出点能量的变化:即
由于E (0) =e1, 所以
第三, 个体能量的变化
通过对个体能量变化的研究, 我们推导出个体能量变化公式, 进而得出个体能量变化曲线。个体能量的变化体现了个体对谣言的信任程度和其传播能力的大小。这样, 我们可以得出随着时间的变化, 个体对谣言的输入和输出强度的变化。一方面, 通过研究个体对谣言传播能力的增减规律和变化速率, 我们可以在适当的时间控制, 从而遏制谣言的传播;另一方面, 通过观察个体对谣言信任程度的增减规律和变化速率, 我们可以选择适当节点加以控制, 从而在根本上消除谣言。
无知者与潜伏者定义为未传播者, 其能量恒为0, 不作考虑, 当转化为传播者时将在下面的过程进行分析。
传播者的辐射能量θ (t′) 的推导如下:
进而得出
最后我们得到传播者的辐射能量公式为
经过实际数据分析得出:Ei (t) 与个体差异有关, ei (t) 与传播等级有关。
第四, 典型特征量研究
根据上述分析, 我们引入系统及个体特征值如下:
1.个体信任度x (t) 的递增公式:
公式 (9) 代表在t时刻时个体能量的递增率。
2.个体影响度z (t)
个体影响度定义为j个体在t时刻辐射出的能量与该时刻总能量变化的比值, 即
个体影响度反映了一段时间内个体对系统能量传播的贡献程度, 体现了个体的能量传播能力。在谣言传播时控制影响度大的个体是抑制谣言大范围传播的有效方法。
3.总能量变化率η (t)
公式 (16) 体现了能量变化的增长幅度。
三、数据仿真与分析
为了研究网络谣言传播过程中的个体差异、模拟完整真实的传播过程, 在实验中, 我们随机选取容量为100的个体组成一个系统, 并散布一条谣言来观测相关数据的变化, 根据上述所建模型对所得数据进行仿真与分析。 (图2)
根据公式 (12) 我们得出系统谣言总能量随时间变化的趋势, 图2体现了谣言影响力随时间的变化历程, 分析能量变化曲线, 具体来说, 就是分析曲线的升降趋势和增长快慢, 我们可以得出随着时间的推移谣言影响力的消长及其变化速率规律:在网络谣言产生初期, 系统谣言能量随时间递增, 在第10天左右达到最大值, 而后随时间推移而递减。 (图3)
通过按照性别分类, 我们可以得到不同性别个体的谣言能量随时间变化的图像, 如图3所示。其中, 横坐标为时间变量 (单位:天) , 纵坐标为个体能量的积聚量的大小。由图中可以看出, 个体所具有的谣言能量随着时间推移而降低, 在初期 (30天内) , 男性所积聚的谣言能量要高于女性, 且男性传播谣言的时间持续更长。说明在网络舆论系统中, 男性的传谣能力要高于女性。 (图4)
在图4中显示了谣言传播以后不同时间下不同个体谣言传播等级与能量积聚变化的情况, 其中横坐标代表个体的传播等级, 纵坐标为个体谣言传播能量的高低, 图例为不同时间, 周期为12天。从图4中我们可以看出谣言在系统中出现以后, 在一个周期内, 系统中的具有谣言能量的个体逐渐增加, 且分布较为分散。随着时间的推移, 个体所积聚的能量逐渐降低, 但是仍然存在一些高传播等级的个体, 从第二个周期开始, 他们的影响力由高逐渐变低, 最终个体的谣言能量及等级减小至0。此时, 一轮谣言传播结束。
图5的意义为实现了能量变化流程的可视化分析, 根据传播等级, 时间以及性别的变化来分析能量的变化情况。红线表示为变化的上下限, 能量下面的中括号表示了能量的变化阈值, 最后由于给出的数据在变, 所以得到的能量区间也在变化。但是以获得的值为准。分析图5, 可以得出谣言能量的衰减主要受到时间影响, 其次受到传播者自身性质影响, 最后受到传播等级影响。
该模型由于将时间与传播者的相关度, 时间与传播等级的相关性考虑进来, 所以复杂度大大提高, 计算方式为:能量=阈值+时间*传播者权值+时间*传播等级。 (图6)
可以发现, 由于个体差异, 所以能量级别有了差别, 但是时间是影响谣言的首要制约条件, 其次传播等级也占到很大的比重。个体差异在一定区间内浮动。
四、结论
根据性别与单个个体两方面绘制了两个不同的模型, 观察了能量与传播等级与传播时间的影响。最终确立了谣言能量的衰减主要受到时间影响, 其次受到传播者影响, 最后受到传播等级影响。
在控制一个谣言的过程中, 在其传播开来的时候, 使未被传播者获得免疫谣言的能力是很有必要的, 当谣言无法控制时, 经过时间可以自动消退, 相反, 也可以理解, 如果是将谣言澄清, 那么也会起到很好地效果。
根据对谣言模型进行仿真, 发现谣言传播与个体有很大的差异。时间对谣言的影响程度是最大的, 谣言的传播与个体也有很大的差异, 性别也成为影响谣言传播的一个因素, 但是个体差异性不可避免。
在论文中, 通过建立网络谣言传播模型以及对传播机制的分析, 我们总结了新模型所描述的谣言传播的一些新特征:谣言传播的几个阶段;中心节点和一般节点对谣言传播的不同影响;谣言传播的动力学机制受几种重要因素的影响。并且通过实验和数据分析显示新模型能够从微观角度描述谣言传播的进程, 数值仿真实验证明谣言的能量变化与个体差异及时间存在一定关系。谣言能量随时间增长而呈现消减趋势;谣言网络中的关键节点 (影响等级较大的节点) 对谣言的传播起着决定性作用;能量传播级越高, 谣言的传播能力越强。通过分析, 本文认为在应对网络谣言传播的过程中, 应该从防御和辟谣策略两方面着手。首先在网络谣言防御方面:要全面提高网民素质, 提升对谣言的免疫能力;设法增加沟通平台, 提升政府和网民的信任和支持度;规范网络信息传播行为, 准确检测网络舆情。其次一旦爆发网络谣言后, 一、要及时、全面公开信息, 占据先入为主的优势, 使无知者转变成谣言的免疫者;二、针对谣言关注的话题, 指出其中破绽, 降低谣言的传播能力;三、控制中心节点, 通过免疫中心节点来强化主流言论;四、通过搭建公开讨论的网络平台, 以及权威专家解读和答疑的方式, 促使传播者及潜伏者“醒悟”, 转变为免疫者。
参考文献
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蒂芙尼 简约设计的巨大能量 第11篇
说到蒂芙尼（Tiffany & Co.）不得不说起《蒂芙尼的早餐》，这部经典的传世之作成就了奥黛丽·赫本，也将蒂芙尼这个珠宝品牌推到了世人眼前。在电影里，赫本向往的不仅是珠宝店橱窗里的珠宝，更是进出这家珠宝店的人们所代表的生活方式，所以她将早餐变成了一种仪式。
蒂芙尼，美国珠宝设计的象征，以爱与美、罗曼蒂克与梦想为主题而风靡了近两个世纪，它以充满感官的美以及柔软纤细的感性优雅满足了女性的幻想和欲望，更成为美国洗练时尚独特风格的标志。
通过在蒂芙尼2015高级珠宝传世之作（Tiffany Masterpieces），设计总监Francesca Amfitheatrof以全世界最为至臻至美的钻石，展现了纽约城市天际线与熠熠星辰交相辉映的极致魅力。“我大量使用钻石打造了这个极其现代摩登的系列，风格简洁，呈现雕塑感。”设计总监Francesca Amfitheatrof表示。
这位长相酷似奥黛丽·赫本的设计总监于2013年9月开始负责蒂芙尼所有产品系列的设计，填补了供职20年的功勋设计师John Loring退休后的职位空缺。她带来了她在珠宝设计、香氛、家具和室内设计领域内超过20年的丰富经验，通过极富美感和原创风格的设计作品全新演绎了蒂芙尼公司170多年的创造传承。
Amfitheatrof从纽约城市的内在能量和建筑风格、以及纽约人中汲取灵感，以抽象线条和简约格调让珠宝创作呈现雕塑之美。“我坚信简约的设计蕴藏巨大的力量。”她说道。一条带有流苏坠饰的项链和手链，主要由18k黄金镶嵌玫瑰式切割钻石组成，灵感源自上世界40～60年代的奢华风尚和“好莱坞摄政”（Hollywood Regency）装饰风格。作为最古老的钻石切割方法，玫瑰式切割呈现三角形切面，使得视线可以清晰窥见钻石底部。蒂芙尼工匠大师将钻石镶嵌在六边形黄金底座中，层叠质感，曼妙摇曳。
基于能量包络的连续语音分段方法 第12篇
顾名思义,连续语音是包含有情感连续或变化的长句,而在语音情感识别的特征提取及后续的处理工作中需要的是情感单一、相对独立的语句,因此,需首先对连续语音信号进行分段处理[1]。常用的分段方式有定长分段和不定长分段。
基于定长分段的连续语音分段方式是将连续语音按着一定的帧数或一定的时间长度划分为若干个等长的语音片段,该方法具有简单、易操作的优点,但存在将情感单一的语句划分为多句和将对个情感类别的语句整个为一句,同时,分段的准确度和后续的情感识别严重受定长阈值的影响;而基于不定长的分段方式常采用端点检测的方法进行不定长分段[2],该方法具有分段自由、准确率高的优势,但是依赖于端点检测方法的选择。
鉴于基于不定长分段方法的优越性[2],本文采用基于短时能量和过零率的端点检测方法,并根据连续语音情感是连续变化,且变化数据量较大的特性,提出了基于能量包络连续语音分段方法。
2 基于短时能量和过零率的端点检测方法
常用的端点检测方法从基于时域参数、频域参数、时频参数和模型匹配等角度进行考虑分析[3,4]。在在语音情感识别的传统端点检测方法中[5],常采用技术较为成熟的基于短时能量和过零率的双门限端点检测方法[6]。
语音信号的端点检测可分为静音段、过渡段、语音段、结束四个阶段,用status分别取0,1,2,3表示以上四个阶段,amp1、amp2、zrc1和zrc2分别表示短时能量与过零率的最大、最小门限,minsilence表示最小静音阈值,silence和count分别记录检测过程中的静音帧和有声帧个数,具体的端点检测流程如图1所示。
3 基于能量包络和过零率的连续语音分段方法
鉴于能量包络在不同情感语音信号上差异较大的特性,本文采用基于能量包络和过零率的端点检测方式对连续语音进行分段。首先将较大的连续语音按照一定帧长和帧移划分为若干帧,接着用端点检测的方式检测出一个语音小段并保存,然后再重新下一个语音小段并保存,以此类推,得到初始的语音小段序列,最后,鉴于说话时存在停顿不流畅的现象,本文采用一个停顿间隔这一阈值对其进行判定,最终得到一个情感相对单一、语句相对完整的语音情感小段序列。具体步骤如下:
step1设离散的时间信号为x(n),将其按一定帧长、帧移分帧,接着用信号乘以窗函数w(n)来减少帧尾的中断,如公式(1)所示:
其中,m为帧的序号。
step2采用分段方式提取有声片段序列,获取有声片段端点较简单、准确的方式是计算能量包络,其计算公式如下:
其中,fn为fx(n,m)式中信号的第n帧,j为采样点数,l为一帧的采样点个数,En是计算fn序列平方后的最大值和K为帧总数。
step3计算能量包络的上下阈值,首先计算K帧能量包络的均值Em、第n帧能量包络上限EU和第n帧能量包络下限EL计算如式3)、(4)和所示,
在得到第n帧能量包络的上、下限后,利用公式(5)计算K帧的能量包络上、下限的均值,即,得到整个语句的能量包络阈值。
step4鉴于说话时每两个语句间存在一定的停顿,假设该停顿间隔为阈值Gap。
step5利用能量包络阈值和停顿间隔阈值对整个语音信号逐帧检测,得到语音片段序列。首先,找出能量值高于EEU的帧,记为NV;接着检测出下一个能量值高于EEU的帧,如果这两帧的间隔在Gap内,NV就被作为有声片段真正的起始点,否则,证明该帧不是有声片段的起始点,同时删除NV。在定位好NV之后,接着下一步是在Gap个采样点中检测每个采样点的E(n)是否都高于EEL,如果是,则该帧被认为是有声片段真正的开始点,标记为Ni。在找出Ni后,然后在其Gap采样点外寻找低于EEU的帧作为有声片段的终点,标记为NE。最后,在NE帧的Gap个采样点内检测是否每帧的E(n)都高于EEL,如果是,就将该帧作为有声片段的真正重点,记为NO。最后保存从Ni至NO帧为一个语音片段,同时复位NV、Ni、NE和NO,并从下一帧开始,循环步骤5,直到检测完整个长句的所有帧后,整个算法结束。
4 实验结果及分析
本文采用在matlab7.0开发环境,对在自然环境下录制的包含20个情感变化的语句进行实验,结果如图2所示。通过对比基于短时能量和过零率的分段方法和本文提出的方法,来验证本文方法的可行性和有效性。
5 结语
本文将基于短时能量和过零率的端点检测方法成功地应用于连续语音的分段方法中,并对其进行改进,利用能量包络和过零率的方法进行分段,并对分段后的结果进行二次处理,从而达到分段更加准确,为后续的连续语音情感识别提供基础。
摘要：鉴于连续语音的分段对连续语音的分析起着至关重要的作用,本文首先将基于短时能量和过零率的端点检测方法应用于连续语音的分段中,并提出基于能量包络的连续语音分段方法。通过实验对比,论证了本文提出的基于能量包络的连续语音分段方法由于基于短时能量和过零率的分段方法,且从实验结果中可以看出,本文的方法具有较高的分段准确率。
关键词：能量包络,分段方法,端点检测,连续语音
参考文献
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