楊樹木段內(nèi)麻點(diǎn)豹天牛幼蟲聲發(fā)射信號(hào)特征1)

豆春峰 李明 羅廷芳 鄧婷婷 朱代根

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明，650224)

木材作為可再生天然自然資源，一直受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。林木蛀干害蟲是林業(yè)上的一類重要害蟲，由于其危害的隱蔽性和林木受害反應(yīng)的滯后性，故很難對(duì)其進(jìn)行早期檢測(cè)和防治，往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，聲發(fā)射技術(shù)作為一項(xiàng)主動(dòng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，使用聲音檢測(cè)技術(shù)通過(guò)聲音信號(hào)的采集進(jìn)行研究是相對(duì)客觀的研究技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外一些研究人員已經(jīng)對(duì)蛀木害蟲的聲音信號(hào)特征進(jìn)行了研究。姚青[1]等建立了一套多功能害蟲鳴聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。Mankin et al.[2]研究了光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)特征與寄主樹種、寄主組織和幼蟲齡期之間的關(guān)系。后來(lái)研究人員利用AED-2000對(duì)木材蛀干害蟲進(jìn)行了聲音特性的研究。趙元吉[3]等發(fā)現(xiàn)雙條杉天牛幼蟲分布位置和被測(cè)木段長(zhǎng)度對(duì)幼蟲聲音探測(cè)效果的影響顯著，而木段直徑對(duì)檢測(cè)效果并無(wú)顯著影響。韋雪青[4]等分析了蛀木害蟲聲音探測(cè)技術(shù)的可行性。Chesmore et al.[5]利用聲學(xué)方法來(lái)檢測(cè)害蟲的爬行和攝食活動(dòng)。許小芳[6]等在消音裝置中對(duì)木材鉆蛀性害蟲活動(dòng)聲進(jìn)行采集，建立了聲音信號(hào)模板庫(kù)。潘杰[7]等利用聲音探測(cè)技術(shù)研究了雙鉤異翅長(zhǎng)蠹幼蟲的取食與爬行信號(hào)。Sandie[8]將聲發(fā)射技術(shù)用于檢測(cè)木質(zhì)文化遺產(chǎn)樂(lè)器中的木虱昆蟲。Nasswettrova et al.[9]為防治蛀木害蟲的幼蟲，對(duì)木制構(gòu)件的熱空氣保存效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Alexander et al.[10]分析了樹干中帶有光肩星天牛幼蟲的聲學(xué)信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)。Bobinski et al.[11]驗(yàn)證了能夠通過(guò)人工智能算法的聲學(xué)分析來(lái)評(píng)估蛀木害蟲的檢測(cè)效果。豆春峰[12]等研究了楊樹木段中麻點(diǎn)豹天牛幼蟲聲發(fā)射信號(hào)特征，為蛀木害蟲的聲音檢測(cè)提出了一種新的方法。卜宇飛[13]等利用自主研建的聲音偵聽技術(shù)系統(tǒng)采集并分析了7種林木蛀干害蟲的聲音。祁驍杰[14]等利用聲音檢測(cè)技術(shù)在室內(nèi)對(duì)楊樹木段中不同數(shù)量的光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，指出了不同數(shù)量的光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)主頻率無(wú)明顯差異。黃山春[15]等對(duì)帶有不同數(shù)量紅棕象甲幼蟲樹段以及樹段的不同測(cè)位點(diǎn)進(jìn)行聲音檢測(cè)，結(jié)果表明幼蟲數(shù)量越多，測(cè)位點(diǎn)與幼蟲越近，檢測(cè)效果越明顯。

目前，使用聲發(fā)射技術(shù)研究木材蛀干害蟲的聲音信號(hào)特征還不多見，本研究以楊樹木段中麻點(diǎn)豹天牛幼蟲的行為活動(dòng)為AE源，通過(guò)采樣頻率為500 kHz的木材蠕變聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)獲取原始AE信號(hào)，對(duì)采集到的原始信號(hào)濾波并進(jìn)行小波分解，通過(guò)對(duì)各層高頻信號(hào)的分析獲取AE信號(hào)的頻域特征并對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)波形進(jìn)行分析，并進(jìn)一步研究傳感器距幼蟲的距離變化及幼蟲數(shù)量的變化對(duì)AE信號(hào)特征的影響。

1 材料與方法

本研究以楊樹木段中麻點(diǎn)豹天牛幼蟲為研究對(duì)象，麻點(diǎn)豹天牛是楊樹等速生豐產(chǎn)林木的危險(xiǎn)性害蟲。試驗(yàn)所用帶有麻點(diǎn)豹天牛幼蟲楊樹木段取自云南省昆明市東北郊處的鳴鳳山林區(qū)。根據(jù)NI高速采集卡和Lab VIEW建立木材蠕變聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，其中使用的傳感器型號(hào)為SR 150 N，其帶寬22～220 kHz，同時(shí)配備了增益為40 dB的前置放大器，采樣頻率為500 kHz，信號(hào)的電壓幅值設(shè)置為(-5～5 V)。

使用木材蠕變聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)獲取楊樹木段中害蟲幼蟲的活動(dòng)信號(hào)。首先，研究不同檢測(cè)位置的麻點(diǎn)豹天牛幼蟲幼蟲聲發(fā)射信號(hào)特征，取帶有麻點(diǎn)豹天牛幼蟲楊樹木段，楊樹木段的尺寸為長(zhǎng)500 mm，直徑50 mm，將有蟲木段剖開，確認(rèn)幼蟲的位置和幼蟲活性后再用細(xì)鋼絲固定住，在放置不同距離的傳感器之前都先確認(rèn)幼蟲的位置，分別在距離幼蟲50、100、150、200 mm處放置AE傳感器，研究幼蟲AE信號(hào)的特征并比較它們之間的變化。

研究不同數(shù)量幼蟲的聲發(fā)射信號(hào)特征，在幼蟲與傳感器的位置距離50 mm時(shí)，研究楊樹木段內(nèi)帶有1、2、3只幼蟲時(shí)的AE信號(hào)的變化。將有麻點(diǎn)豹天牛幼蟲的楊樹木段帶回實(shí)驗(yàn)室，拋開較小木段挑選出大小相似的幼蟲，截取長(zhǎng)度300 mm，直徑50 mm的健康楊樹木段3段，分別編號(hào)為1、2、3，在編號(hào)1、2、3木段的一個(gè)截面分別鉆1、2、3個(gè)孔(直徑10 mm，深20 mm)，將挑選出的大小相似、活性相當(dāng)?shù)穆辄c(diǎn)豹天牛幼蟲分別放入每一個(gè)孔中，在每個(gè)孔口插入一小塊紗布，防止幼蟲從孔內(nèi)爬出，放在實(shí)驗(yàn)室中，讓其充分蛀食12 h后備用。然后，連接設(shè)備建立木材蠕變聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)，采集聲發(fā)射信號(hào)。

本試驗(yàn)所要研究的AE信號(hào)是楊樹木段內(nèi)害蟲幼蟲活動(dòng)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，由于害蟲幼蟲活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)很弱，容易受周圍環(huán)境噪聲信號(hào)影響，所以本試驗(yàn)先對(duì)采集的原始AE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(guò)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)[16]。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，本試驗(yàn)選擇5層小波分解對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行分析研究。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 麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號(hào)特征

如圖1所示為楊樹木段內(nèi)含有麻點(diǎn)豹天牛幼蟲的條件下，傳感器距離幼蟲50 mm處時(shí)，采集到的幼蟲AE信號(hào)的原始波形與頻譜，由于害蟲幼蟲的活動(dòng)聲音較弱，原始信號(hào)中會(huì)含有大量的噪聲信號(hào)，需要把采集的原始信號(hào)中的噪聲信號(hào)去除掉，所以先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，然后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。本研究對(duì)此信號(hào)進(jìn)行5層小波分解，分解后的時(shí)域信號(hào)如圖2所示，相應(yīng)的頻域信號(hào)如圖3所示。

圖1 50mm時(shí)幼蟲AE信號(hào)原始波形與頻譜

圖2 各層小波分解細(xì)節(jié)信號(hào)波形

圖3中第1層分解信號(hào)的頻率集中在143 kHz，結(jié)合圖2中第1層信號(hào)波形，可以看出信號(hào)中含有環(huán)境噪聲，因此可以認(rèn)為該層信號(hào)為高頻噪聲信號(hào)。圖3中第4、5層分解信號(hào)的主頻率分別為20、13 kHz，均小于AE傳感器的下限頻率22 kHz，因此可認(rèn)為這兩層分解信號(hào)為低頻噪聲信號(hào)。因此，采用第2、3層分解信號(hào)重構(gòu)有效的AE信號(hào)波形，重構(gòu)后的AE信號(hào)波形與頻譜如圖4所示。從圖4中可以看出AE信號(hào)主頻率為38 kHz。

圖3 各層小波分解細(xì)節(jié)信號(hào)的頻譜圖

圖4 50 mm時(shí)幼蟲AE信號(hào)重構(gòu)波形與頻譜

2.2 不同檢測(cè)距離時(shí)幼蟲AE信號(hào)的特征

在前面的研究基礎(chǔ)上，接著進(jìn)行試驗(yàn)，將傳感器距離幼蟲100 mm時(shí)，采集到的幼蟲AE信號(hào)的原始波形與頻譜如圖5所示，采用相同的方法進(jìn)行小波分析和重構(gòu)，得到重構(gòu)后的AE信號(hào)波形與頻譜。從原始波形與頻譜圖中可以看出，當(dāng)傳感器距離幼蟲100 mm時(shí)，與傳感器距離幼蟲50 mm時(shí)相比，AE信號(hào)的幅值變小，信號(hào)持續(xù)時(shí)間變短，從重構(gòu)波形與頻譜圖中可以看到，幼蟲信號(hào)的主頻率基本不變。

圖5 100 mm時(shí)幼蟲AE信號(hào)原始及重構(gòu)波形與頻譜

為了驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性，又分別將傳感器距離幼蟲150、200 mm時(shí)，采集到幼蟲AE信號(hào)的原始波形與頻譜如圖6和圖7所示，采用相同的方法對(duì)原始AE信號(hào)進(jìn)行小波分析和重構(gòu)，分別得到相應(yīng)的重構(gòu)信號(hào)波形與頻譜。當(dāng)傳感器距離幼蟲150 mm時(shí)，與傳感器距離幼蟲50、100 mm時(shí)相比，幼蟲AE信號(hào)的幅值又變小，并且變化較大，當(dāng)傳感器距離幼蟲200 mm時(shí)，AE信號(hào)的幅值更小，幾乎為零。然而，從重構(gòu)波形與頻譜圖中可以看出，幼蟲信號(hào)的主頻率基本不變。這說(shuō)明當(dāng)傳感器距離幼蟲較近時(shí)，檢測(cè)效果會(huì)明顯提高，根據(jù)聲波能量衰減原理，傳感器距離聲源越近，聲波強(qiáng)度越大，檢測(cè)效果也就越好。這個(gè)距離的研究對(duì)以后戶外林木蛀干害蟲監(jiān)測(cè)位置的選擇具有參考作用。

圖6 150 mm時(shí)幼蟲AE信號(hào)原始及重構(gòu)波形與頻譜

圖7 200 mm時(shí)幼蟲AE信號(hào)原始及重構(gòu)波形與頻譜

2.3 不同數(shù)量時(shí)幼蟲AE信號(hào)的特征

根據(jù)前面的研究，當(dāng)傳感器距離幼蟲50 mm時(shí)，幼蟲AE信號(hào)比較明顯。如圖8所示是當(dāng)傳感器距離幼蟲50 mm，在截取3段相同尺寸的楊樹木段內(nèi)分別放入1、2、3頭麻點(diǎn)豹天牛幼蟲時(shí)采集到的幼蟲AE信號(hào)原始波形與頻譜，每個(gè)木段均采集10組AE信號(hào)作為重復(fù)，然后進(jìn)行小波分解和重構(gòu)，得到相應(yīng)的重構(gòu)波形與頻譜。通過(guò)分析30組幼蟲AE信號(hào)，結(jié)果每個(gè)木段采集的10組幼蟲AE信號(hào)的波形與頻譜圖都相同，所以對(duì)于每個(gè)木段選擇1組AE信號(hào)的波形與頻譜圖進(jìn)行分析。從原始波形圖中可以看出，不同數(shù)量幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)脈沖相似，隨著幼蟲數(shù)量的增加，幼蟲產(chǎn)生的AE信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，信號(hào)幅值也逐漸增大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間也呈增加趨勢(shì)。所以，可以根據(jù)害蟲幼蟲產(chǎn)生的AE信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)及信號(hào)的幅值大小(信號(hào)強(qiáng)度)來(lái)初步判斷樹木被咬食的程度。

從重構(gòu)頻譜圖中可以看出不同數(shù)量麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號(hào)的峰值頻率基本不變，如表1所示，對(duì)不同幼蟲數(shù)量的3個(gè)木段采集的10組AE信號(hào)的主頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，1、2、3頭幼蟲產(chǎn)生AE信號(hào)的主頻率為38 kHz的次數(shù)最多，不同數(shù)量的麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號(hào)的主頻率均為38 kHz。結(jié)果表明幼蟲數(shù)量的增加沒(méi)有對(duì)AE信號(hào)的頻域特征產(chǎn)生影響，這說(shuō)明幼蟲AE信號(hào)的頻率與蟲孔數(shù)量沒(méi)有關(guān)系，這與祁驍杰[14]等的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論與討論

本研究基于木材蠕變聲發(fā)射采集系統(tǒng)獲取楊樹木段中麻點(diǎn)豹天牛幼蟲原始AE信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波降噪，再利用小波分析重構(gòu)有效的AE信號(hào)，進(jìn)而研究幼蟲AE信號(hào)特征。當(dāng)傳感器距離幼蟲為50 mm時(shí)，通過(guò)研究重構(gòu)后AE信號(hào)的波形與頻譜，發(fā)現(xiàn)麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號(hào)的主頻率為38 kHz，接著將傳感器距離幼蟲100、150、200 mm放置，研究傳感器與幼蟲的距離變化對(duì)AE信號(hào)特征的影響，隨著檢測(cè)距離的增大，幼蟲AE信號(hào)明顯減弱(信號(hào)幅值變小)，幼蟲AE信號(hào)的主頻率沒(méi)有明顯變化。這說(shuō)明當(dāng)傳感器距離幼蟲較近時(shí)，檢測(cè)效果會(huì)明顯提高，根據(jù)聲波能量衰減原理，傳感器距離聲源越近，聲波強(qiáng)度越大，檢測(cè)效果也就越好。這個(gè)距離的研究對(duì)以后野外林木蛀干害蟲監(jiān)測(cè)位置的選擇具有參考作用。

本文還研究了不同數(shù)量幼蟲對(duì)AE信號(hào)特征的影響，結(jié)果表明不同數(shù)量幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)脈沖相似，隨著幼蟲數(shù)量的增加，幼蟲產(chǎn)生的AE信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，信號(hào)幅值也逐漸增大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間也呈增加趨勢(shì)。這說(shuō)明可以根據(jù)害蟲幼蟲產(chǎn)生的AE信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)及信號(hào)的幅值大小(信號(hào)強(qiáng)度)來(lái)初步判斷樹木被咬食的程度。對(duì)不同幼蟲數(shù)量的幼蟲AE信號(hào)的主頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明不同數(shù)量的麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號(hào)的主頻率均為38 kHz，幼蟲數(shù)量的增加沒(méi)有對(duì)AE信號(hào)的頻域特征產(chǎn)生影響。

本研究在實(shí)驗(yàn)室條件下容易進(jìn)行，室內(nèi)環(huán)境比較安靜，不易受到外界環(huán)境噪聲的干擾，但在野外對(duì)林木蛀干害蟲的監(jiān)測(cè)難度較大，野外環(huán)境中背景噪音較為復(fù)雜，害蟲幼蟲產(chǎn)生的聲音信號(hào)又很微弱，故很難檢測(cè)到幼蟲的AE信號(hào)。所以，在野外監(jiān)測(cè)中，如何消除背景噪音對(duì)蛀木害蟲AE信號(hào)的干擾有待進(jìn)一步研究。在野外監(jiān)測(cè)時(shí)，位置的選擇也很重要，在一定范圍內(nèi)，測(cè)位點(diǎn)距離幼蟲越近，檢測(cè)到幼蟲信號(hào)越明顯，所以要多找?guī)讉€(gè)測(cè)位點(diǎn)進(jìn)行比較，進(jìn)而找到最佳檢測(cè)位置。本試驗(yàn)在研究幼蟲數(shù)量對(duì)AE信號(hào)的影響時(shí)，每個(gè)木段中麻點(diǎn)豹天牛的數(shù)量是由人工接入的，這在一定程度上不符合害蟲幼蟲在木材中的自然分布規(guī)律，因此需要野外實(shí)際檢測(cè)以驗(yàn)證幼蟲AE信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

目前使用聲發(fā)射技術(shù)研究木材蛀干害蟲還不多見，聲發(fā)射技術(shù)在蛀木害蟲檢測(cè)方面具有很大的前景，利用聲發(fā)射技術(shù)可以根據(jù)幼蟲聲發(fā)射信號(hào)特征確定木材蛀干害蟲的種類和數(shù)量，對(duì)蛀木害蟲聲發(fā)射源進(jìn)行定位，確定其活動(dòng)的位置，提高蛀木害蟲的防治效率，尤其對(duì)于名樹古木，能減少經(jīng)濟(jì)損失，更能降低稀有林木物種被蛀木害蟲蛀食的危險(xiǎn)。