基于聲發(fā)射技術(shù)模擬蛀木害蟲羽化孔洞缺陷檢測(cè)

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

木材作為一種天然的可再生資源，正逐漸地被人們所關(guān)注和利用。近年來，蛀干害蟲對(duì)林木的侵害越來越嚴(yán)重，蛀干害蟲雌成蟲在樹干內(nèi)部蛀出橢圓形的刻槽，然后將卵產(chǎn)在刻槽中，待幼蟲發(fā)育一個(gè)階段蛀入木質(zhì)部進(jìn)行咬食，成熟幼蟲會(huì)在蛀道構(gòu)筑蛹室化蛹，成蟲從蛹室向外咬出圓形的羽化孔爬出。本研究主要基于聲發(fā)射技術(shù)研究模擬的木材蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的信號(hào)特征。

聲發(fā)射（Acoustic emission，AE）是指當(dāng)材料受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，以瞬態(tài)彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種新型動(dòng)態(tài)的無損檢測(cè)技術(shù)，為木材和金屬缺陷檢測(cè)研究提供了有效的途徑。郭曉磊等[2]指出了木材及木基復(fù)合材料損傷斷裂中的聲發(fā)射特性可以對(duì)構(gòu)件的安全性檢測(cè)具有重要意義。Amini等[3]對(duì)人為損壞的貨車軸承進(jìn)行車載聲發(fā)射測(cè)量，指出聲發(fā)射信號(hào)能夠檢測(cè)和評(píng)估軸瓦故障及其特征缺陷頻率。Zhang 等[4]基于聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了各種試驗(yàn)來檢測(cè)鋼軌的裂紋。Jian 等[5]研究了基于聲發(fā)射信號(hào)的LMS 軸承和鋼軌缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。孫永生等[6]基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)滾動(dòng)軸承的典型缺陷進(jìn)行了檢測(cè)分析。趙東等[7]利用小波分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了木材缺陷狀態(tài)和聲發(fā)射信號(hào)特征向量之間的映射關(guān)系。王軍等[8]分析了新型木塑復(fù)合材料不同缺陷及損傷模式所對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射特征信號(hào)。Hettler 等[9]指出了局部缺陷共振（LDR）的概念可用于診斷缺陷的存在，如分層和裂紋，并使其局部化。邵卓平等[10]對(duì)無缺陷試件和含裂紋試件做了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了其破壞過程中材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的聲發(fā)射特性。楊濤等[11]做了膠合木T梁彎曲承載力試驗(yàn)研究。以上這些研究都是基于聲發(fā)射信號(hào)特征檢測(cè)木材或金屬的缺陷。

近年來，很多學(xué)者利用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)木材孔洞缺陷進(jìn)行了研究。方昱等[12]對(duì)不同位置孔洞缺陷的木材試件進(jìn)行敲擊試驗(yàn)，證明了通過檢測(cè)木材的聲音共振頻率來判定木材孔洞位置的方法是可行的。楊慧敏等[13]通過對(duì)木材孔洞缺陷進(jìn)行了多種頻譜分析研究，能判斷孔洞缺陷的大小和孔洞個(gè)數(shù)的變化規(guī)律。郭瑞等[14]提出了一種基于模糊聚類分析的新型木材聲波無損檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了木材孔洞缺陷位置的檢測(cè)。王立海等[15]用RSM-SY5 非金屬超聲波檢測(cè)儀對(duì)50 個(gè)孔洞缺陷的色木試件進(jìn)行了透射檢測(cè)。Yang 等[16]利用小波能量矩提取了120 個(gè)人工木材鉆孔的缺陷特征，采用主成分分析法有效提取了樣品中不同數(shù)量孔洞的缺陷特征。

目前利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)木材孔洞缺陷的檢測(cè)還不多見，本研究以云南松試件為研究對(duì)象，模擬蛀干害蟲的羽化孔，針對(duì)3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件并與無孔洞的缺陷的試件作對(duì)照，通過0.5 mm 的鉛芯折斷方式產(chǎn)生AE 源，對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行小波分解并重構(gòu)，分析了重構(gòu)后的AE 信號(hào)波形與頻譜，又根據(jù)相關(guān)性分析法研究了AE 信號(hào)的傳播速率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以云南松Pinus yunnanensis為對(duì)象，原木試件取自云南昆明，長(zhǎng)500 mm，直徑50 mm。取4 個(gè)相同尺寸的木材試件，其中1 個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)件（未鉆孔），另外3 個(gè)在中間位置模擬蛀干害蟲的羽化孔分別鉆5、8、15 mm 直徑孔，孔深度均為20 mm。此組試件主要為了研究AE 信號(hào)在不同尺寸孔洞缺陷的木材傳播時(shí)其信號(hào)的幅值、頻率及傳播速率的變化。

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

本試驗(yàn)基于 NI 高速采集卡和Lab VIEW 建立2 通道的木材聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，其中使用的傳感器型號(hào)為SR 150N，其帶寬22～220 kHz，同時(shí)配備了增益為40 dB 的前置放大器。由香農(nóng)采樣定理，每個(gè)通道的采樣頻率設(shè)置為500 kHz，信號(hào)的電壓幅值設(shè)置為（-5～5 V）。本試驗(yàn)采用0.5 mm 鉛芯折斷方式產(chǎn)生AE 源，具體做法是在距離傳感器S1 外側(cè)30 mm 處將1 根0.5 mm 的鉛芯與試件表面成30°角折斷，如圖1所示，木材試件長(zhǎng)500 mm，直徑50 mm，兩個(gè)傳感器相距300 mm放置，在其中間位置制作3 種不同尺寸的孔洞，研究不同孔洞缺陷的AE 信號(hào)特征。

圖1 試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of the test

根據(jù)時(shí)差定位法計(jì)算AE 信號(hào)的傳播速率v=Δs/Δt，Δs為兩個(gè)傳感器的固定距離，在信號(hào)波形重構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法確定AE 信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)差Δt，假設(shè)聲發(fā)射源到兩個(gè)傳感器的信號(hào)分別為x(t)和y(t)，則信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)定義為：

由互相關(guān)函數(shù)的定義可知，互相關(guān)函數(shù)描述了信號(hào)x(t)和y(t)的相似程度，當(dāng)τ=τ0時(shí)，互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值 |Rxy(τ0)|取最大值，即是信號(hào)y(t)沿時(shí)間軸平移τ0個(gè)單位后，與信號(hào)x(t)最相似。為此，通過互相關(guān)函數(shù)可以間接確定AE 信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器之間的時(shí)差Δt。

本試驗(yàn)想要研究的AE 信號(hào)是通過鉛芯折斷方式人工加入的聲發(fā)射信號(hào)，所采集的AE 信號(hào)會(huì)含有噪聲信號(hào)，所以先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，再采用小波分析的方法從原始信號(hào)中重構(gòu)有效的AE 信號(hào)波形。小波分析的過程就是逐層將信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終細(xì)化為低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，其中高頻信號(hào)是細(xì)節(jié)信號(hào)，相對(duì)于噪聲信號(hào)而言，通過鉛芯折斷方式人工加入的聲發(fā)射信號(hào)應(yīng)該體現(xiàn)在高頻細(xì)節(jié)信號(hào)。小波分析是時(shí)間頻率的局部化分析，由于daubechies 小波（db10）具有較強(qiáng)的頻域局部化能力，因此采用daubechies小波（db10）作為小波基函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)特征

本試驗(yàn)對(duì)每種孔徑尺寸的缺陷都做了10 組獨(dú)立試驗(yàn)，通過處理AE 信號(hào)，每種規(guī)格孔徑的10組試驗(yàn)都是同樣的波形特征，本研究?jī)H對(duì)每種規(guī)格孔徑的任意一組試驗(yàn)進(jìn)行分析AE信號(hào)的波形特征。木材試件無孔洞缺陷時(shí)2 個(gè)傳感器S1 和S2 采集的原始AE 信號(hào)波形與頻譜如圖2所示，從波形圖可以看出傳感器S1 采集的信號(hào)波形幅值明顯比傳感器S2 的幅值大，這是因?yàn)镾1 距離AE 源的位置較近，所采集到的AE 信號(hào)的能量較高，待信號(hào)傳到S2 時(shí)能量發(fā)生衰減，幅值變小。從頻譜圖可以看出傳感器S1 采集的原始信號(hào)主頻率為13 kHz，傳感器S2 采集的原始信號(hào)主頻率為2 kHz，均小于傳感器帶寬的最小頻率22 kHz，不在AE 傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，采集到的原始AE 信號(hào)中基本是噪聲信號(hào)，需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波分析并重構(gòu)有效的AE 信號(hào)。圖3～5 的頻譜圖也是這樣。

圖3是木材試件鉆5 mm 孔洞缺陷時(shí)的原始AE 信號(hào)波形與頻譜，與圖2相比，圖3中傳感器S2 采集到的信號(hào)波形的幅值更小一些，而且傳感器S1 到S2 的信號(hào)幅值衰減更明顯。這說明木材存在孔洞缺陷時(shí)，當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過孔洞傳播，信號(hào)的能量會(huì)發(fā)生衰減，并且比無孔洞缺陷時(shí)衰減得更明顯。

為了驗(yàn)證上述衰減現(xiàn)象，又對(duì)分別鉆8、15 mm的孔洞缺陷的木材試件進(jìn)行研究，如圖4～5 分別是木材試件鉆8、15 mm 孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)波形與頻譜，對(duì)比圖2、圖3，圖4中傳感器S2 采集到的AE 信號(hào)幅值又更小，而且信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也變短。同樣，圖5也是如此，現(xiàn)象比圖4更明顯。

圖2 無孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.2 Waveform and spectrum of original AE signal without hole defect

圖3 5 mm 孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.3 Original AE signal waveform and spectrum of 5 mm hole defect

圖4 8 mm 孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.4 Original AE signal waveform and spectrum of 8 mm hole defect

圖5 15 mm 孔洞缺陷的原始AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.5 Original AE signal waveform and spectrum of 15 mm hole defect

2.2 不同孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)特征

從圖2～5 中的頻譜圖可以看出，傳感器S1 和S2 所采集的兩個(gè)AE 信號(hào)的主頻率均小于22 kHz，即都不在AE 傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)。這主要因?yàn)楸驹囼?yàn)的AE 源是通過人工鉛芯折斷方式瞬間產(chǎn)生的，AE 信號(hào)的能量弱、持續(xù)時(shí)間短，所以，采集到的原始AE 信號(hào)中基本是噪聲信號(hào)。這也說明需要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行小波分析并重構(gòu)有效的AE信號(hào)。本試驗(yàn)對(duì)原始AE 信號(hào)濾波后進(jìn)行5 層小波分解，通過分析對(duì)其2、3 層信號(hào)重構(gòu)獲得重構(gòu)的AE 信號(hào)波形與頻譜。無孔洞缺陷時(shí)的重構(gòu)AE信號(hào)波形與頻譜見圖6，由圖6可以看出，傳感器S1、S2 的重構(gòu)信號(hào)主頻分別為37、38 kHz，頻率成分幾乎沒有改變。

圖6 無孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.6 Waveform and spectrum of reconstructed AE signal without hole defect

其他有孔洞缺陷信號(hào)的小波分解和重構(gòu)方法如上述相同，如圖7～9 分別是5、8、15 mm 孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜，可以看出傳感器S1 的重構(gòu)信號(hào)主頻分別為38、39、39 kHz，傳感器S2 的重構(gòu)信號(hào)主頻分別為43、51、117 kHz。與圖6相比，傳感器S1 的重構(gòu)信號(hào)頻率大致相同，說明鉛芯折斷的手法合理，沒有太大誤差。傳感器S2 的重構(gòu)頻率發(fā)生變化，且隨著孔洞缺陷的增大，頻率也增大，這是因?yàn)楫?dāng)木材內(nèi)部存在孔洞缺陷時(shí)，木材的密度會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)的頻譜發(fā)生改變。這為進(jìn)一步研究木材蛀干害蟲羽化孔的位置提供了理論依據(jù)。

圖7 5 mm 孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.7 Reconstructed AE signal waveform and spectrum of 5 mm hole defect

圖8 8 mm 孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.8 Reconstructed AE signal waveform and spectrum of 8 mm hole defect

圖9 15 mm 孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.9 Reconstructed AE signal waveform and spectrum of 15 mm hole defect

2.3 不同孔洞缺陷的AE 傳播速率

為了測(cè)定AE 信號(hào)經(jīng)過木材孔洞時(shí)的傳播速率，根據(jù)時(shí)差定位法計(jì)算AE 信號(hào)的傳播速率v=Δs/Δt，Δs為兩個(gè)傳感器的固定距離，在信號(hào)波形重構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法確定AE 信號(hào)到達(dá)兩個(gè)傳感器的時(shí)差Δt。為了減小試驗(yàn)的隨機(jī)性影響，本試驗(yàn)對(duì)不同規(guī)格孔洞缺陷分別做了10 組獨(dú)立試驗(yàn)，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可以算出不同孔洞缺陷時(shí)AE 信號(hào)傳播速率的平均值，并進(jìn)行方差分析。無孔洞缺陷AE 信號(hào)傳播的平均速率為1 380.7 m/s，方差為821.1；5 mm 孔洞缺陷AE 信號(hào)傳播的平均速率為1067.3 m/s，方差為383.1；8 mm 孔洞缺陷AE 信號(hào)傳播的平均速率為848.6 m/s，方差為144.3；15 mm孔洞缺陷AE 信號(hào)傳播的平均速率為437.1 m/s，方差為216.4，方差都小于平均值，所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠?？梢姴煌锥慈毕軦E 信號(hào)傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大其AE 信號(hào)傳播的平均速率顯著減小。根據(jù)木材的聲發(fā)射信號(hào)傳播特性，當(dāng)傳播介質(zhì)改變，AE 信號(hào)的傳播形式會(huì)發(fā)生變化。AE 信號(hào)通過木材試件孔洞缺陷時(shí)，傳播介質(zhì)由木材固體中傳播到空氣傳播再到木材傳播，其AE 信號(hào)的傳播速率減小。

2.4 具有天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的AE 信號(hào)特征

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，找了具有天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的云南松木材試件，使用相同的方法做了10 組獨(dú)立試驗(yàn)，采集原始AE 信號(hào)并重構(gòu)有效的AE 信號(hào)。天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜如圖10所示，可以看出信號(hào)的幅值明顯衰減，傳感器S2 的主頻率為121 kHz，計(jì)算其AE 信號(hào)傳播的平均速率為324 m/s，這是因?yàn)槟静脑嚰哂休^大的天然蛀干害蟲羽化孔洞，驗(yàn)證了上述試驗(yàn)結(jié)果。

表1 AE 信號(hào)傳播速率Table 1 AE signal propagation rate

圖10 天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號(hào)波形與頻譜Fig.10 Reconstructed AE signal waveform and spectrum of hole defects in the emergence of natural stem borers

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本研究模擬木材蛀干害蟲羽化孔，針對(duì)無孔洞和3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件，研究AE信號(hào)經(jīng)過孔洞缺陷后的特征和傳播速率，得到以下結(jié)論：

1）比較傳感器S1 和S2 采集到AE 信號(hào)的波形特征可知，當(dāng)AE 信號(hào)經(jīng)過無孔洞缺陷的木材試件時(shí)，信號(hào)的幅值會(huì)發(fā)生小的衰減，這是因?yàn)镾1距離AE 源的位置較近，所采集到的AE 信號(hào)的能量較高，待信號(hào)傳到S2時(shí)能量發(fā)生衰減，幅值變小。當(dāng)AE 信號(hào)經(jīng)過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時(shí)，AE 信號(hào)的幅值發(fā)生明顯的衰減，且隨著孔洞缺陷的增大，衰減越明顯。

2）對(duì)傳感器S1 和S2 采集到的原始信號(hào)進(jìn)行小波分析并重構(gòu)有效的AE 信號(hào)，根據(jù)重構(gòu)信號(hào)的頻譜圖可知，傳感器S1 重構(gòu)頻譜的主頻率分別是37、38、39、39 kHz，AE 信號(hào)通過無孔洞和3種不同尺寸孔洞缺陷后的主頻率分別為38、43、51、117 kHz。AE 信號(hào)通過無孔洞缺陷的木材試件時(shí)，主頻率基本不變。AE 信號(hào)通過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時(shí)，主頻率增大，且隨著孔洞缺陷的增大而增大。

3）計(jì)算AE 信號(hào)在無孔洞和3 種不同尺寸孔洞缺陷木材試件中傳播的平均速率分別為1 380.7、1 067.3、848.6、437.1 m/s?？梢姴煌锥慈毕軦E信號(hào)傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大，AE 信號(hào)傳播的平均速率顯著減小。

4）最后用具有天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的木材試件驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果，孔洞直徑約為20 mm，AE 信號(hào)通過孔洞缺陷后幅值發(fā)生顯著衰減、主頻率為121 kHz、AE 信號(hào)傳播的平均速率為324 m/s。

3.2 討 論

目前使用超聲波技術(shù)對(duì)木材孔洞缺陷的研究較多，本研究基于聲發(fā)射技術(shù)分析獲得了一些關(guān)于木材孔洞缺陷的規(guī)律信息，為木材孔洞缺陷的檢測(cè)提出了一種方法和思路。當(dāng)AE 信號(hào)經(jīng)過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時(shí)，AE 信號(hào)的幅值發(fā)生明顯的衰減，且隨著孔洞缺陷的增大，衰減越明顯。這表明當(dāng)木材存在孔洞缺陷時(shí)，AE 信號(hào)經(jīng)過孔洞傳播，信號(hào)的能量又會(huì)發(fā)生衰減，孔洞缺陷越大，能量衰減越多。AE 信號(hào)通過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時(shí)，主頻率增大，且隨著孔洞缺陷的增大而增大，這與楊慧敏等[17]的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)楫?dāng)木材內(nèi)部存在孔洞缺陷時(shí)，木材的密度會(huì)發(fā)生變化，信號(hào)的頻譜發(fā)生改變。不同孔洞缺陷AE 信號(hào)傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大，AE 信號(hào)傳播的平均速率顯著減小，這與張?zhí)鸬萚18]的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)锳E 信號(hào)通過木材試件孔洞缺陷時(shí)，傳播介質(zhì)由木材固體中傳播到空氣傳播再到木材傳播，其AE 信號(hào)的傳播速率減小。

本研究的局限性在于僅對(duì)一種木材試件進(jìn)行了研究，而且重點(diǎn)研究的是鉆孔模擬害蟲羽化孔洞缺陷，對(duì)天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的AE 信號(hào)分析只是驗(yàn)證，需要針對(duì)帶有天然蛀干害蟲羽化孔洞的多種木材試件做進(jìn)一步的研究，未來還可以研究木材害蟲羽化孔位置變化的AE 信號(hào)特征，為木材蛀干害蟲羽化孔的定位研究打下基礎(chǔ)。