L型結(jié)構(gòu)木材中聲發(fā)射信號傳播特征

王明華，鄧婷婷，李曉崧，丁 銳，賴 菲，羅蕊寒，李 明

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

木材作為一種重要的生產(chǎn)資源，在家具工程、室內(nèi)裝修及木結(jié)構(gòu)建筑等方面有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)它作為具體的結(jié)構(gòu)件應(yīng)用于實際生活時，對其結(jié)構(gòu)有效性進(jìn)行非破壞性評價是木材無損檢測的重要內(nèi)容之一。聲發(fā)射檢測(acoustic emission testing,AET)技術(shù)是一門以不破壞檢測對象和使用性能為前提，依據(jù)材料AE源信息對材料結(jié)構(gòu)“健康”進(jìn)行評估的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。國內(nèi)外許多學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于木質(zhì)材料的無損檢測研究中。

孫建平等[1-2]利用AET技術(shù)研究了木質(zhì)材料在動態(tài)載荷下的損傷過程；劉艷等[3]和高峰等[4]研究發(fā)現(xiàn)木材在切削過程中的AE特性與切削條件有密切廣關(guān)系；李揚等[5-6]和于帥帥等[7]利用AET技術(shù)研究了AE信號在花旗松膠合木梁中的傳播特性并探討了云南松含水率對AE信號特征影響；鞠雙等[8-9]研究了AE信號在膠合木中的各向異性傳播規(guī)律并依據(jù)瞬時頻率辨識木材的損傷特性；Y.Wuetal[10]研究了軟木和硬木在垂直紋理載荷作用下的AE特性，發(fā)現(xiàn)AE信號能有效地表征裂紋的萌生與擴展演變過程。M.Diakhateetal[11]和Bucuretal[12]采用AET技術(shù)研究了木材內(nèi)部裂紋擴展機理及木材的各向異性特征與AE信號特性之間的關(guān)系；X.C.Lietal[13]研究了馬尾松AE特性與木材含水率之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著木材含水率的增加，AE信號傳播速率呈指數(shù)衰減；Lamyetal[14]和E.N.Nagyetal[15]研究表明AE信號能夠有效地表征木材在載荷作用下的損傷演變機理；A.Mostafapouretal[16]利用小波變換理論和跨時頻譜理論研究了板狀結(jié)構(gòu)中AE信號的模態(tài)特征并實現(xiàn)源定位?，F(xiàn)有關(guān)于木材AE特性的研究，大多關(guān)注于板材、膠合木等規(guī)則的構(gòu)件，而在木質(zhì)材料的實際應(yīng)用中，變結(jié)構(gòu)構(gòu)件大量存在，且AE信號本質(zhì)上是一種非平穩(wěn)的隨機信號[17-18]，其傳播特性與介質(zhì)結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，深入探究AE信號在結(jié)構(gòu)變化的木材中的傳播特性將有助于AET技術(shù)在木質(zhì)材料無損檢測領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

為此，研究首先用不同尺寸的樟子松鋸材和薄板構(gòu)建成L型結(jié)構(gòu)試件，然后將2個L型試件在同一直線上以不同間隔放置，并分別在鋸材和薄板上產(chǎn)生人工AE源，研究AE信號在L型木材中傳播時的信號特征。并在對比分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究空氣介質(zhì)對AE信號傳播特征影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為氣干樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)實木，在試件制作時，將尺寸為180 mm×50 mm×15 mm鋸材和尺寸為120 mm×100 mm×2 mm的薄板通過木工膠黏黏接“L型”變結(jié)構(gòu)試件(圖1)，試驗共制作2塊相同的“L型”試件。

AE信號采集設(shè)備為基于NI USB-6336高速采集卡和Lab VIEW軟件自主搭建的四通道AE信號采集控制系統(tǒng)，選用4個帶寬為22～220 kHz的SR-150N單諧振AE傳感器，其前端放大器的增益為40 dB。有研究[19-20]表明，木材的AE信號最大頻率約為200 kHz，依據(jù)香濃采樣定理，將系統(tǒng)的采樣頻率設(shè)置為500 kHz。

1.2 試驗方法

2個L型試件在同一直線上分別以相距0 mm和2 mm的位置對稱放置進(jìn)行試驗(圖1)，中間為空氣介質(zhì)。試驗分為2組：第1組試驗在左側(cè)試件的鋸材表面距離薄板100 mm的位置按照ASTM-E976標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生AE源，即將0.5 mm直徑的2H鉛芯與試件表面呈30°放置，并在距離接觸點2.5 mm處折斷；第2組試驗在左側(cè)試件的薄板表面距離鋸材表面15 mm的位置以同樣的方式產(chǎn)生AE源。為了便于敘述，2個AE源分別記為AE1和AE2。在4個固定位置放置AE傳感器：傳感器S1位于AE1右側(cè)50 mm處、傳感器S2位于AE2同一側(cè)的上方20 mm處、傳感器S3和S4在右側(cè)L型試件上分別與S2和S1呈幾何對稱放置。

原始AE信號存在大量的噪聲信號，影響材料AE特性研究，本研究先對原始信號進(jìn)行濾波處理，再通過小波函數(shù)將濾波后AE信號分解到不同的頻段上，得到一系列低頻近似信號和高頻細(xì)節(jié)信號，再基于細(xì)節(jié)信號與濾波后信號的相關(guān)性重構(gòu)AE信號，為材料的AE特性研究提供更為真實的信號成分。小波函數(shù)是由小波母函數(shù)Ψ(t)經(jīng)伸縮和平移產(chǎn)生的一族函數(shù)，其定義如式(1)所示：

(1)

式中,a稱為尺度因子，改變a可以使函數(shù)伸縮，形成不同“級”的小波；b稱為平移因子，改b可使函數(shù)移位，形成不同“位”的小波；小波變換是將信號f(t)與小波函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積運算，對于任意的信號f(t)∈L2(R)，其小波變換可用式(2)來表示：

(2)

本研究采用具有較高頻域局部化能力的daubechies小波(db10)作為小波基函數(shù)進(jìn)行5層小波分解。原始AE信號采集過程中系統(tǒng)采樣頻率fs為500 kHz，故分析頻率fh=fs/2=250 kHz,即理論上可以辨識0～250 kHz頻段內(nèi)的AE信號。根據(jù)小波變換的多分辨分析理論，利用所述小波基函數(shù)進(jìn)行5層分解后，各層的高頻細(xì)節(jié)信號頻段為(125 kHz，250 kHz)、(62.5 kHz，125 kHz)、(31.25 kHz，62.5 kHz)、(15.625 kHz，31.25 kHz)、(7.8125 kHz，15.625 kHz)，覆蓋了SR-150N單諧振式AE傳感器的全部測量范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 AE1源下試件表面AE信號特征

為最大程度降低噪聲信號影響，先對原始AE信號進(jìn)行濾波，再利用db10小波對濾波后AE信號進(jìn)行5層小波分解，并基于信號相關(guān)性分析重構(gòu)AE信號，2個L型試件相距0 mm和2 mm放置時，AE1產(chǎn)生的信號經(jīng)重構(gòu)后信號波形及頻譜如圖2～圖3所示。

圖2 AE1下試件表面重構(gòu)信號波形及頻譜(0 mm)Fig.2 Reconstruction of AE signal waveform and spectra on specimen surface under AE1(0 mm)

當(dāng)2個L型試件間隔0 mm時，應(yīng)力波受鋸材疏松多孔微觀構(gòu)造、板厚及軸向邊界的影響，AE信號存在散射及邊界反射，信號成分較為復(fù)雜。在傳感器S1中，AE信號主要分布在30～75 kHz中低頻段內(nèi)部，低頻以39.5 kHz為分布中心，相對高頻信號則具有55.2、71.0 kHz 2個分布中心；除了中低頻信號，還存在以118.2 kHz為分布中心的高頻信號，但中高頻信號成分占信號比重小。AE信號傳播至傳感器S2位置時，傳播介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致了低頻信號急劇衰減，應(yīng)力波以高頻模式繼續(xù)傳播，信號峰值頻率為118.2 kHz。左邊薄板內(nèi)的高頻信號通過薄板振動傳播至傳感器S3處時，受到薄板之間的間隙影響，時域信號衰減嚴(yán)重，信號分布在以104.2 kHz為中心的窄帶內(nèi)。AE通過固體振動從左側(cè)試件傳播至傳感器S4處的信號中，橫波所占比重小，AE信號更多的是通過空氣介質(zhì)傳播的縱波，是一種以縱波為主的低頻應(yīng)力波，信號峰值頻率為36.3 kHz。此外，根據(jù)傳感器S2、S3、S4時域波形可以看出，盡管2個L型試件的間隙非常小，但對于應(yīng)力波的傳遞過程有著顯著的影響，空氣介質(zhì)引起的時域衰減比固體介質(zhì)引起的信號衰減更為顯著。

當(dāng)2個L型試件間隔2 mm時，應(yīng)力波在樟子松鋸材中傳播時，一部分AE信號形成散射波及衍射波，另一部分在邊界處形成反射波。所以傳感器S1中，AE信號成分復(fù)雜，主要分布在30～75 kHz中低頻段內(nèi)部，出現(xiàn)31.2、57.8 kHz和71.5 kHz 3個局部峰值頻率。在邊界處未發(fā)生邊界發(fā)射的AE信號傳播至傳感器S2時，介質(zhì)結(jié)構(gòu)改變使得低頻成分劇烈衰減，高頻信號成分被激發(fā)，信號分布在具有104.0、123.0 kHz 2個局部分布中心的高頻頻段內(nèi)。鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號中傳播至S2處時，薄板處的橫波振動使得傳感器S2和S3之間的空氣介質(zhì)被壓縮，應(yīng)力波以疏密波的形式傳播至傳感器S3；由于橫波只能通過固體傳播，左側(cè)鋸材內(nèi)的縱波通過2試件之間的空氣介質(zhì)傳播至傳感器S4處。圖3中S3和S4的時域波形都表現(xiàn)為許多幅值極低的“鼓包”，對應(yīng)傳感器S1和S2中發(fā)生顯著聲發(fā)射現(xiàn)象的時刻，傳感器S3和S4處并沒有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，且2信號頻譜也具有較高的相似性。這說明該縱波從S2處傳播至傳感器S3和S4過程中，信號淹沒于剩余噪聲中，傳感器檢測到的信號主要是系統(tǒng)剩余噪聲，這種情況下小波分析無法有效重構(gòu)該縱波信號波形。

圖3 AE1下試件表面重構(gòu)信號波形及頻譜(2 mm)Fig.3 Reconstruction of AE signal waveform and spectra on specimen surface under AE1(2 mm)

由圖2和圖3可知，當(dāng)AE源位于鋸材處時，AE信號在左側(cè)L型試件中以橫波、縱波混疊的形式單向傳播，木材結(jié)構(gòu)變化主要引起強烈的低頻衰減，時域影響則相對不顯著；而在AE信號傳播至右側(cè)試件過程中，空氣介質(zhì)對于信號時頻域均有具有顯著影響。2試件0 mm放置時，AE信號在薄板處通過薄板的高頻振動傳播至S3處，空氣介質(zhì)主要影響時域信號，對于頻域特性沒有顯著影響，仍為高頻信號成分；通過左側(cè)鋸材的縱波振動傳播至S4位置，空氣介質(zhì)同樣導(dǎo)致了時域信號發(fā)生較大程度衰減，對于頻域信號則主要引起高頻衰減，最終信號為低頻縱波。而當(dāng)試件相距2 mm放置時，一方面鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號中，縱波成分比重?。涣硪环矫媸强v波傳播過程中，空氣介質(zhì)對其產(chǎn)生強烈的阻礙著用。當(dāng)AE信號在傳播至右側(cè)試件時，時頻域信號均發(fā)生嚴(yán)重的衰減，信號完全淹沒于系統(tǒng)隨機噪聲信號，無法有效析出信號時頻域特性。

2.2 AE2源下試件表面AE信號特征

為獲取經(jīng)空氣介質(zhì)傳播后的AE信號，以便進(jìn)一步研究AE信號中的縱波信號成分，將AE源設(shè)置在薄板上(即AE2)重復(fù)上述試驗操作。試件0 mm和2 mm間距時，小波重構(gòu)后的AE信號情況如圖4～圖5所示。

圖4 AE2下試件表面重構(gòu)信號波形及頻譜(0 mm)Fig.4 Reconstruction of AE signal waveform and spectra on specimen surface under AE2(0 mm)

圖5 AE2下試件表面重構(gòu)信號波形及頻譜(2 mm)Fig.5 Reconstruction of AE signal waveform and spectra on specimen surface under AE2(2 mm)

當(dāng)AE源位于薄板且試件相距0 mm時，信號在薄板及鋸材膠接處發(fā)生反射，傳感器S2檢測的AE信號在30～150 kHz內(nèi)寬帶分布，高頻信號成分分布在以108.2 kHz為中心的頻段內(nèi)，低頻信號則主要分布在47.8 kHz附近。傳播至傳感器S1位置時，信號仍分布在30～150 kHz的頻段內(nèi)，但受木材黏滯特性的影響，高頻信號發(fā)生衰減，AE信號主要成分轉(zhuǎn)為以47.8 kHz為分布中心的低頻信號。盡管兩薄板相距0 mm，但之間仍存在對于應(yīng)力波有顯著影響的空隙，鉛芯折斷瞬間，左側(cè)薄板振動使得薄板間的空氣被壓縮，AE信號主要是以疏密波形式傳播至傳感器S3處形成低頻縱波，大致分布在30～55 kHz頻段內(nèi)，具有35.4、43.8、51.9 kHz多個分布中心；而通過固體振動傳播至S3位置的高頻信號比重小，其峰值頻率為101.4 kHz。在傳感器S4檢測到的信號是主要是通過空氣介質(zhì)傳播的低頻縱波，分布在以42.5 kHz為頻率分布中心的低頻段內(nèi)。

2試件相距2 mm放置時，同樣受制于試件結(jié)構(gòu)尺寸，AE波在鋸材與薄板膠接處及薄板上下邊界發(fā)生反射形成反射波，傳感器S2檢測到的信號在30～150 kHz的頻段內(nèi)均有分布，既存在以40.3、56.5 kHz為分布中心的低頻信號成分，同時還出現(xiàn)以108.7 kHz為分布中心的高頻成分；當(dāng)它傳播至傳感器S1處時，介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化使得低頻成分發(fā)生衰減，最終信號雖還保持30～150 kHz內(nèi)寬帶分布，但主要信號成分出現(xiàn)在以105.1 kHz為分布中心的高頻窄帶內(nèi)。以疏密波形式傳播至傳感器S3的AE信號，能量消耗大，與傳感器S2相比，時域波形幅值下降幅度大，經(jīng)小波分析重構(gòu)后，信號成分只有36.0kHz1個頻率分布中心。該低頻縱波繼續(xù)向前傳播至S4位置時，能量進(jìn)一步衰減，而信號成分沒有發(fā)生顯著的變化，主要集中在35.4 kHz附近，這說明介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化主要引起該低頻縱波的能量耗損，而對信號的頻率分布沒有顯著影響。

對比圖4和圖5，AE源置于薄板處時，AE信號在2個L型試件組成的系統(tǒng)中存在雙向傳播路徑，木材結(jié)構(gòu)變化、傳播路徑及空氣介質(zhì)對于AE信號特性均有顯著影響。當(dāng)試件相距0 mm時，信號在左側(cè)L型試件中傳播時，木材結(jié)構(gòu)變化及木材黏滯性對于時域信號基本沒有影響，而對于高頻信號成分具有顯著的作用，傳感器S1檢測到的信號集中分布在47.8 kHz為中心頻段。在傳播至右側(cè)試件時，空氣介質(zhì)導(dǎo)致時域信號發(fā)生一定程度衰減，頻域信號則出現(xiàn)顯著高頻衰減，右側(cè)試件2傳感器中信號均以低頻成分為主。當(dāng)試件相距2 mm且AE信號在左側(cè)試件中傳播時，介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化同樣只對頻域特性產(chǎn)生顯著影響，傳播過程中低頻信號衰減明顯，傳感器S1檢測的信號主要是以105.1 kHz為分布中心的高頻信號。而在傳播至右側(cè)試件時，空氣介質(zhì)導(dǎo)致了頻域高頻信號及時域信號出現(xiàn)劇烈衰減，傳感器S2和S3檢測到的信號均表現(xiàn)為低幅值低頻縱波。

另外，可以明顯看出，AE2產(chǎn)生的信號頻域特性差異主要體現(xiàn)在傳感器S1和S3位置處，這種頻域特性差異主要原因在于信號傳播途徑及介質(zhì)不同引起的。試件間隔0 mm時，鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號以橫波、縱波混合的形式雙向傳播，其中的高頻信號，大部分可以通過薄板振動傳播至傳感器S3，小部分通過木材傳播至傳感器S1，并受木材黏滯性影響發(fā)生衰減；而低頻信號，大部分通過木材傳播至傳感器S1，少部分通過空氣介質(zhì)傳播至傳感器S3,因而傳感器S1主要成分為低頻信號，傳感器S3中既存在低頻信號也存在高頻信號，但低頻信號占比大。當(dāng)試件相距2 mm時，鉛芯折斷產(chǎn)生的高頻信號，無法通過空氣介質(zhì)傳播至傳感器S3，轉(zhuǎn)而通過固體傳播至傳感器S1，因而S1處主要信號分布在以105.1 kHz為分布中心的高頻窄帶內(nèi)；而低頻信號成分則在薄板振動下以疏密波的形式經(jīng)空氣介質(zhì)傳播至傳感器S3，形成低頻縱波；另外根據(jù)圖1～圖4可知，不論試件的間隙如何，也不論AE源位于何處，通過左邊鋸材縱波振動經(jīng)空氣介質(zhì)傳播至傳感器S4的AE信號，均為低頻縱波信號，其頻帶大致分布在30～50 kHz的低頻帶內(nèi)。

3 結(jié)論與討論

本研究采用鉛芯折斷產(chǎn)生AE源，研究了木材結(jié)構(gòu)變化對于應(yīng)力波傳播影響，分析了信號在固體及空氣介質(zhì)中傳播時的頻譜特性。

當(dāng)AE源位于鋸材處時，鉛芯折斷瞬間產(chǎn)生的AE信號主要為中低頻段復(fù)雜信號，在L型試件中是以橫波和縱波混合的形式進(jìn)行單向傳播，木材結(jié)構(gòu)變化主要引起強烈的低頻衰減，最終信號分布在高頻段內(nèi)，而對于時域的影響則相對不顯著；在AE信號傳播至右側(cè)試件過程中，空氣介質(zhì)對于信號時頻域均有具有顯著影響。2個試件0 mm間距時，AE信號通過薄板橫波的高頻振動以疏密波傳播至右側(cè)薄板，空氣介質(zhì)導(dǎo)致時域衰減，而頻域仍為高頻信號；左側(cè)鋸材縱波振動傳播至右側(cè)鋸材，高頻信號及時域信號均發(fā)生明顯衰減，信號為低幅值低頻縱波。試件2 mm間距放置時，AE信號在傳播至右側(cè)試件時，空氣介質(zhì)對時域信號有較強的阻礙作用，AE信號完全淹沒于剩余噪聲中，無法析取時頻域信號。

當(dāng)AE源位于薄板處時，鉛芯折斷產(chǎn)生的AE信號復(fù)雜，既存在低頻信號，也存在高頻信號，其AE信號特性與木材結(jié)構(gòu)、傳播路徑及介質(zhì)均有關(guān)系。試件相距0 mm時，大部分高頻信號通過左側(cè)薄板振動傳播至右側(cè)薄板，空氣介質(zhì)導(dǎo)致了時頻域均發(fā)生較大程度衰減，少部分高頻信號在左側(cè)試件中傳播時，由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化和木材黏滯特性影響，頻域高頻成分急劇衰減，時域則無顯著變化。而低頻信號大部分通過疏密波形式傳播至右側(cè)試件，最終右側(cè)試件中主要信號為低頻縱波。試件相距2 mm時，左側(cè)試件結(jié)構(gòu)變化同樣只對頻域特性產(chǎn)生顯著影響，傳播過程中低頻信號衰減明顯，在傳播至右側(cè)試件時，空氣介質(zhì)導(dǎo)致了頻域高頻信號及時域信號出現(xiàn)劇烈衰減，傳感器S2和S3檢測到的信號均表現(xiàn)為低幅值低頻縱波。此外，不論試件的間隙如何，也不論AE源位于何處，通過左邊鋸材縱波振動經(jīng)空氣介質(zhì)傳播至傳感器S4的AE信號，均為低頻縱波信號，其頻帶大致分布在30～50 kHz的低頻帶內(nèi)。

研究發(fā)現(xiàn)，低頻縱波信號在傳播過程中對于木材的結(jié)構(gòu)變化不敏感，信號成分保持穩(wěn)定，是否以單一形式進(jìn)行傳播的應(yīng)力波都具有這樣的性質(zhì)，將來可進(jìn)一步加以探究。此外，如何將薄板中混疊AE信號成分單獨提取出來加以研究，也是未來一個值得深入分析的研究方向。