基于声音的纸张柔软度测试原理解析

纸张的应用已不再局限于记录场合的使用，更广泛应用于像包装、减震、绝缘、物件造型等方面，而且对用于印刷、包装的高档纸及一些特殊用途的纸张柔软度提出了严格的要求。
目前纸张柔软度 检 测 仪 器 量 程 （１０～１０００ｍＮ）较 小，仅 适用于餐巾纸之类的生活用纸。一些高刚度的特殊用途纸张的柔软度分级，还处在人工作业水平，因此，一种大量程的纸张柔软度检测方法成为业界的关注焦点［１－２］。
声音是由物体震动产生，声音能量与物体的结构、材质有关；纸张的柔软程度同样由这些因素决定。不同柔软度的同类纸张受到恒 定 的 速 度、力 度 敲 击 时，产生的声音能量具有差异，因此可以根据纸张受敲击时的声音能量大小衡量纸张柔软度［３－４］。

实验结果与分析
实验系统与样本
验装置系统
系统立足于纸张柔软度检测的基本功能和开放性设计 原则，由机 械 装 置 和 系 统 软 件 组 成。系统的总体方案如图 ３所示。
机械装置由伺服电机带动敲击爪以恒定的速度敲击纸 张；纸张发出的声音经双层消音箱的内层多次反射而减弱，消音箱的外层隔离外界环境噪音，为下次声音采集提供安静的环境。
系统软件以 Ｗｉｎｄｏｗｓ为软件开发平台，以 高 速 采 集 卡 为核心，利用 ＶＳ２００８在此平台上自主编写电机控制模 块，位 置检测模块、声音采集模块、分类算法以及人机交互界面。

纸张样本声音能量。
同种型号的打印纸按柔软度从大到小记为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，每级柔软度的打印纸各３张，每 页 纸 裁 剪 成６张１３０ｍｍ×６０ ｍｍ 的 长 方 形 纸 片。实 验 之 前 将 纸 张 样 本 在 ２０℃、４０％ —６０％相对湿度下平整放置２４小时。取不同柔软度的样本各１张，固定在实验装置上采集样本受敲击时的声音信 号，获得５级×１８样 本 声 音 信 号。不同柔软度的声音信号经过 分帧之后的能量如图４所示。

实验结果与分析
击点能量法
随机抽取５级×１２样本计算击点声音能量，以 每 级 的 小能 量 为 标 准，对其余样本进行柔软度分类，结 果 如 表 １所示。
表中小能量表明：打印纸越硬 （柔软度大）声音能量越大，不同柔软度的打印纸声音能量具有明显差异，因此，可以用声音能量表征打印纸的柔软度。
表１中除Ⅴ类样本外的准确率均达到１００％，经 标 准 仪 器测得Ⅴ 类 样 本 的 柔 软 度 为 ５７４ ｍＮ，其余各类样本均超过１０００ｍＮ。因为Ⅴ类样本太软，受敲击时形变不一致，所以能量变化较大。

基于 ＰＣＡ的柔软度识别
上述的５级×１２样本声音数据经过预处理提取出特征矩阵，对其余的样本进行柔软度分类结果如表２，各主成分 贡 献率如图６所示。
虽然Ⅴ类样本受敲击时的瞬间能量有差异，但是整体能量谱图却相似，通过 ＰＣＡ 提取其他特征加以辅助，５级 柔 软 度的识别准确率均达到１００％。

结论
通过分析纸张声音的差异，提出基于声音能量的纸张柔软度识别方法，实 现 对 打 印 纸 ５级柔软度的识别，正 确 率 达 到１００％。后期研究过程中需要更多的纸张样本进行实验，提 取同级柔软度纸张更多有共性的声音能量特征，以达到更好的识别效果，并更好地应用于纸张柔软检测、纸币柔软度清分等领域。

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