外贴瓷砖空鼓频谱幅值分析法

刘晶，杨赪

（1.浙江核力建筑特种技术有限公司；2.宁波职业技术学院）

1 引言

外贴瓷砖美观大方，耐污性强，是现代建筑装饰中大量使用的材料，随着使用时间的增加，瓷砖与粘结面产生间隙，形成空气隔层，也就是俗称空鼓，空鼓的发展容易引发瓷砖脱落。2021年9月，通过中国裁判文书网查询瓷砖脱落关键字，2010年有3 起相关案件，2020年相关案件达到983起，十年间增长了300倍，数量增长明显，预防外贴瓷砖脱落已经成为城镇房屋安全管理的新课题。

2 声信号与瓷砖空鼓关系

外贴瓷砖一般均为烧制成品，莫氏硬度一般都在8以上，当其表面受到激振作用后会产生振动，该位置俗称震源，震源振动引发周边空气密度跟随震源发生变化，并沿着空气传播，这就是我们听到的声信号，声信号本质是一种机械波，这种机械波携带了震源位置的各类特征。空鼓区域由于瓷砖与墙体之间存在间隙，当瓷砖背部存在空鼓时，其等效厚度小于正常粘贴的瓷砖，敲击过程中敲击锤的动能转化为墙体弯曲振动的能量比率远大于正常瓷砖，因此可以根据敲击声信号的频谱分析来判别墙体是否存在空鼓。

3 常规检查方法及缺陷

根据国家《建筑装饰装修工程质量验收标准》(GB50210-2018)第10.2.4条规定，满粘法施工的内墙饰面砖应无裂缝，大面和阳角应无空鼓。第10.3.5条规定，外墙饰面砖工程应无空鼓、裂缝。在检验方法上，规范规定采用观察及小锤轻击检查。墙体瓷砖空鼓区域由于内部存在空气隔层，小锤敲击墙面时，人耳听取空鼓区域敲击声与密实区域敲击声区别明显，声音响亮则粘贴密实，声音沉闷则存在空鼓。

人耳听音这种做法操作简便，普及度高，但是主要存在两类问题，首先，人耳听音是一个主观感受过程，由于听力差异，同一声音不同的人会产生不同的判断；其次，人耳存在听觉适应性，声音较长时间作用于听觉器官时，听觉感受性会降低，形成误判。

4 相关研究

近两年来，国内对声信号与材料空鼓之间展开了一系列研究，上海众材工程检测有限公司胡媛馨等提出梅尔频率倒谱系数提取饰面砖敲击声信号的特征参数、建立了MFCC特征参数数据库，结合隐马尔可夫模型识别算法识别饰面砖外墙面空鼓[1]。东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室王卓琳等提出了小波变换提取声学信号首个峰值频率[3]，检测无机砂浆墙面及EPS板薄抹灰外墙外保温系统空鼓[2]。上海海事大学张旭清等利用在敲击抹灰墙体产生的声信号，提取了多组信号样本的MFCC参数，并利用DTW算法对样本进行识别抹灰墙面空鼓[4]。

这些专家学者的研究成果大大地提高了声信号检测墙面缺陷的技术水平，提出了声信号频谱研究的技术路线，研究方法主要围绕实验室样本分析展开，日常环境中建筑中瓷砖的大小、粘贴厚度、粘贴基材不同，环境噪音无处不在，通过实验室方式建立数据库具有专属性，判断空鼓需要大量验证，在实际检测过程中尚不具备实用型。

我们遵循声信号频谱研究的技术路线，提出一种频谱幅值分析方法。该方法不需要建立样本数据库，采用切片傅里叶计算，可以对处于环境噪音中的墙体空鼓进行快速识别。

5 声信号频谱幅值分析

为了发现外贴瓷砖声信号空鼓与密实之间的频谱规律，我们对宁波地区超过100 处生活中不同瓷砖的空鼓声信号进行了分析。采集人、响鼓锤、录音设备固定，声信号的产生分为敲击和刮划两种方式，采集的声信号通过Audition cc2017、Matlab R2018a两款软件同步展开频谱分析，以下是部分频谱图列表，表1 为敲击声信号频谱分析、表2 为刮划声信号频谱分析。

表1 敲击声信号频谱分析

表2 刮划声信号频谱分析

上图X轴为时间、Y轴为频率，最小0Hz，最大8000Hz，白色框线范围为1000Hz～3000Hz，框线内部白色箭头为空鼓位置发出的声信号，其亮度明显突出，对照人耳听音也可确认箭头位置为瓷砖空鼓区域，明亮程度大小与空鼓情况正相关。图像中明亮程度对应是幅值参数，因此，选取1000Hz～3000Hz之间声信号并量化其幅值是本方法的关键。

通过分析敲击声的时域长度，敲击振动主要在100ms 内发生，因此我们选取100ms 时域长度对声信号进行切片及傅里叶变换，取得切片内的幅值并进行求和，形成切片段代表值。这样就完成了声信号的数字化，幅值最大的区域即为空鼓区域，可根据数字大小可视化展示。

以上方法不需要建立同一数据库，其采用同一墙面数据进行相互比较，找出相对空鼓位置，符合目前敲击法应用的实际场景。同时该方法不回避一般生活环境噪音，如人声、风声、机器声等，通过叠加及去噪可以将此类噪音在1000Hz～3000Hz 之间有效消除。

6 声信号采集要求

6.1 对象与设备

采用湿法粘贴饰面砖的墙面，饰面砖莫氏硬度9以上，饰面砖表面基本平整，墙面整体平整。

激振装置为10g，莫氏硬度10 左右的钢球。采集设备为单声道心性指向性数字麦克风及存储器。采集距离50cm 左右，声信号采样频率为48000Hz，文件存储为MP4格式。

6.2 敲击采集

由于我们处于一个非静音世界，环境噪音无法避免，为了减少干扰，敲击声信号应稳定、可辨识，击打应均匀、连续。单声道心性指向性数字麦克风应指向击打位置采集激振声信号。击打可以手持，也可以加载飞行平台，尽量选择环境噪音较轻的时段采集。

6.3 刮划采集

将激振钢球按压在瓷砖墙面上滑动，刮划速度均匀。单声道心性指向性数字麦克风刮划位置采集激振声信号。尽量选择环境噪音较轻的时段采集。

7 幅值算法与成果可视化

7.1 幅值算法

采用Matlab 的FFt 函数对声信号进行快速傅里叶分析，时域切片100ms，NFFT取值4800，提取频率与幅值两个参数，分析1000Hz～3000Hz范围内每一个100ms内的幅值和，形成文件输出，MATLAB核心代码如下：

[y，fs]=audioread([pathname，filename]);

tt=100e-3;

Len=tt*fs;

N=floor(length(y)/Len);

Nfft=4800;

for ii=1:N

s=y(1+(ii-1)*Len:Len+(ii-1)*Len);

Lofar(ii，:)=abs(fft(s，Nfft));

end

xlswrite('频域表.xlsx'，Out);

频域表.xlsx文件分为两行，第一行为时间顺序，第二行为对应时间内的幅值和。

7.2 成果可视化

形成选取该范围幅值之和对应时域代表值，幅值越大、空鼓程度越高，利用excel 函数红黄绿色阶进行标识，形成空鼓色阶图，色阶图中红色区域空鼓程度最大、绿色区域空鼓程度最小。在ARCGIS 软件中将墙体照片、及空鼓色阶图进行空间叠加，形成透视图，可以直观看到现状墙面空鼓分布。

8 工程验证

8.1 验证一

宁海某学校外墙瓷砖存在空鼓现象，经过人工敲击检查后标识了外墙空鼓区域，我们选取了其中一块标识进行验证，该标识为圆形，取其外框为刮划区域，将该区域竖向分为10 条，采用刮划法自上而下刮划并录音，频谱分析后形成缺陷数字图形。具体见图1，白色圆环为人工检查空鼓标识，黑色箭头为刮划方向，分10条刮划。现场验证大红色区域为空鼓程度最高的区域，对比左右两张空鼓标识图，人工敲击只能以外围框选方式大致定位，框选内部则无法进一步细分，而频谱幅值分析法将框选内部空鼓进行了详细的描绘。

图1 宁海某学校外墙瓷砖刮划频谱分析图

8.2 验证二

宁波鄞州某小区建于2006年，外墙采用窄条横贴米色外墙砖，我们选取一块粘贴35块外墙砖的墙面进行测试，人工以响鼓锤方式敲击瓷砖中部，每块砖敲击一次，采声、分析得到墙面空、实分布图，具体见图2，蓝色为敲击范围，每块瓷砖中间敲击一下，红框为现场人工判断空鼓位置。可以发现频谱图空鼓范围（红框）与人工判断空鼓范围一致。对比左右两张空鼓标识图，人工敲击只能确定蓝色区域整体空鼓，而频谱幅值分析法则更加直观准确。

图2 宁海鄞州某小区外墙瓷砖敲击频谱分析图

8.3 验证三

宁波海曙某中学新校舍建于2017年，外墙采用窄条红色外墙砖，教学楼二层西卫生间北墙局部空鼓，人工以响鼓锤方式敲击瓷砖并描图记录得到图3a，其中空鼓区域为a图斜线阴影部分。选取该区域5 条瓷砖采用频谱幅值分析法得到图3b，其中深红色区域与深绿色区域代表空鼓程度为由大到小，通过比较可以发现频谱幅值分析法得到的区域与人工判断空鼓区域一致。通过ARCGIS将实景照片及空鼓色阶图进行空间叠加，信息可读性大大增加。

图3 宁波海曙某中学校舍外墙瓷砖敲击与频谱比较图

9 应用前景

瓷砖空鼓频谱幅值分析方法主要利用计算机对敲击声波进行分析，并不要求声波采集的方法，如果配备无人机对外墙面进行敲击，可以对房屋立面任意高度进行检查，相对于目前人工红外热像观察、蜘蛛人敲击等方式，可以极大提升外墙空鼓检查效率。

该方法还可以应用到幕墙板块安装牢固性检查的场景，松动的板块在受到激振后，产生的声波携带了相应板块的特性，松动板块与牢固板块最大的差异就是振动形态不一致，这些差异可以通过声波进行传递，只要合理划分频率区间就可以准确将其分辨出来。

10 注意事项

建筑外墙瓷砖一般都由小分块组成，粘贴采用人工粘贴，每块瓷砖之间留有勾缝空隙，这些空隙一般在5mm 左右宽，内凹3mm 左右，这些特点造成外墙平整度存在一定的差异，采集声波时敲击可能在这些凹槽边缘发生，这些声音可能影响分析结果，因此必须予以考虑。

由于瓷砖大小、砖缝分布都有一定规律，因此可以通过均匀采集方式予以收集，在连续分析中一并输出，这种均匀的敲击声并不会被空鼓声淹没，可以从频谱图上准确识别，其规律发音还可以通过算法予以剔除，而空鼓声波无法规律性出现，因此不影响空鼓的判定。因此表面敲击速率需恒定、敲击力大小也需要稳定。

采集过程中噪音也是不可避免的一个因素，只要是有规律的噪音，如无人机螺旋桨声，这些声音属于全场平均叠加，不影响本方法的分析结果。如果是无规律的声音，如风声、雨声、马路噪音，这些噪音大多数频率在1000Hz～3000Hz之外，都可以予以剔除。如果采集区域某噪音在1000Hz～3000Hz之间，则会影响判断结果，应该选择安静的采集时间段予以回避。

11 结语

瓷砖空鼓频谱幅值分析法主要通过对墙面敲击产生的声信号进行频谱分析可视化建筑外贴瓷砖空鼓区域，主要步骤分为声信号采集、切片及快速傅里叶变换、频率范围代表幅值求和及比较四个主要步骤。分析得到的1000Hz～3000Hz 之间声信号幅值之和为空鼓代表值，代表幅值最大的位置就是瓷砖空鼓位置，该方法不需要建立样本库，步骤少、算法简练，结果可视，可以更好的服务外贴瓷砖空鼓检查工作，应用前景广泛。