基于傅里葉變換的便攜式木材質(zhì)量檢測儀設計與試驗研究

仝緣圓， 高玉瑩， 張 凝， 白 戈， 郭豐騰， 徐華東

(東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150086)

在自然環(huán)境中，木材容易受內(nèi)外界因素的影響致使材質(zhì)發(fā)生改變或損壞，從而產(chǎn)生不同程度的缺陷。其缺陷按成因可分為天然缺陷、生物危害缺陷、干燥及機械加工缺陷三類[1]。上述缺陷可使木材材質(zhì)受到不同程度的影響，會降低木材等級甚至使木材失去使用價值。在木材生產(chǎn)中，需要對木材進行等級劃分[2]，以保證物盡其用，而缺陷特征是劃分等級的重要指標之一，因此，在制材前利用無損檢測技術檢測各種缺陷及其他性能指標，進而判斷木材等級，對科學用材及合理選材有十分重要的意義。

近幾年，各種無損檢測技術已應用于木材內(nèi)部缺陷的檢測，并取得了非常好的效果，如X射線、激光、超聲波、紅外線、電磁波、應力波等，其中聲波檢測具備傳播距離遠、抗干擾能力強、設備輕巧便于攜帶等優(yōu)勢，在木材工業(yè)領域獲得了較多研究成果及廣泛應用[3]?；诼暡z測的應力波技術是木材無損檢測的重要手段之一，其原理是通過敲擊木材，獲取聲波信號，當聲波在介質(zhì)中傳播時，會在孔洞、裂紋等界面不連續(xù)處發(fā)生反射、折射和散射，聲波頻率將會出現(xiàn)不同的峰值[4]。對于木材的無損檢測技術，國外有相對較成熟的軟件，匈牙利FAKOPP木材檢測設備廠家研發(fā)便攜式木材評等儀(Portable Lumber Grader)應用范圍較廣[5]，精確性較高，是采用傅里葉分析軟件(FAKOPP FFT analyzer)輔助，對聲音信號分析收集到的聲音試樣，輸出敲擊時的共振頻率，給出時域和頻域波形并進行數(shù)據(jù)存盤。

本文利用縱向振動原理設計了一種原木質(zhì)量檢測儀，在不破壞木材的前提下對帶缺陷的木材進行檢測，然后利用時域分析、頻域信號分析和木材密度計算木材的彈性模量，判斷木材質(zhì)量進而劃分等級，并在計算機終端顯示屏上實時顯示出木材等級[6]，此裝置安全性高、可靠性好、具有便攜性，且應用前景廣泛[7]。

1 總體設計

本文設計的原木質(zhì)量檢測儀由外部激勵聲波傳輸裝置和木材聲波信號測試系統(tǒng)兩部分組成。輕輕按壓試樣中部以保持試樣穩(wěn)定，采用縱向共振法，用聲波激勵裝置敲擊試樣一端使木材產(chǎn)生縱向振動，并在木材另一端放置聲波接收裝置以采集木材振動所產(chǎn)生的聲波信號，處理后的信號將以時域圖與頻域圖的形式顯示在軟件中。將木材樣本的質(zhì)量、長寬高、頻率等基本參數(shù)輸入系統(tǒng)，通過系統(tǒng)頻譜圖顯示的木材試樣最高共振頻率確定木材的彈性模量，與數(shù)據(jù)庫木材樣本進行對比，輸出所測試樣木材等級，總體運行流程如圖1所示。

圖1 總體運行流程

根據(jù)GB/T 144-2013《原木檢驗》[8]及GB/T 155-2017《原木缺陷》[9]，各種缺陷的原木均有其對應允許限度，因此可按照原木標準的規(guī)定執(zhí)行。實際工程中，評定原木等級時，有兩種及兩種以上缺陷的，應以等級最低的一種缺陷為準。等級劃分標準見表1。

表1 等級劃分標準

2 硬件設計

該木材質(zhì)量檢測儀硬件包括聲波激勵裝置、聲波接收裝置、聲音阻斷器與連接裝置。其中，聲波激勵裝置是具有優(yōu)質(zhì)高碳鋼材質(zhì)的羊角錘，可提供足夠激勵使木材產(chǎn)生聲波，具有重量輕、體積小、便于攜帶等優(yōu)點；聲波接收裝置選用自動降噪心型指向藍牙麥克風，其頻響范圍為60～20 kHz，包括木材頻響范圍。藍牙可進行無線傳輸，具有便攜、傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點。該裝置的作用是將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸?shù)接嬎銠C軟件中，纖維式聲音阻斷器采用多層纖維結(jié)構隔音棉，可減少聲波激勵裝置作用時基座共振對木材聲波產(chǎn)生的影響；連接裝置主要為膠帶，導線等，如圖2所示。

圖2 硬件組成

3 軟件設計

3.1 設計原理

當力作用于木材上時產(chǎn)生強迫振動，若產(chǎn)生振動的力一定，則木材的振幅取決于它的頻率，在某一頻率下此木材具有最大振幅，這個頻率稱為木材的共振頻率和固有頻率。通過測得試樣的自由振動頻率與自由振動的減幅程度，根據(jù)木材試件的振動特性與彈性模量之間的相關關系，得出試樣的彈性模量[10]。

根據(jù)傅里葉變換FFT公式(1)計算試材的彈性模量。

(1)

式中：E為木材彈性模量，Pa；L為木材試樣長度，m；f為木材試樣固有頻率，Hz；ρ為木材密度，kg/m3；n為振動的諧波次數(shù)。

3.2 軟件開發(fā)

該原木質(zhì)量檢測儀的軟件部分包括聲音信號采集模塊、基本參數(shù)輸入、按鍵模塊、數(shù)據(jù)庫等級評定、液晶顯示屏，如圖3所示。聲音信號采集模塊包括錄音按鈕，時域分析圖模塊、頻域分析圖模塊；基本參數(shù)輸入包括長度、寬度、高度、重量；數(shù)據(jù)庫包含不同樹種每個等級木材的彈性模量數(shù)值范圍，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值范圍進行等級評定。

圖3 軟件系統(tǒng)組成

原木質(zhì)量檢測儀是基于MATLAB的appdesigner模塊，利用函數(shù)庫中的analoginput()函數(shù)實現(xiàn)對聲音信號的采集。整個信號采集過程采用While循環(huán)，能夠循環(huán)采集聲音信號，運用Tab標簽組件，Axis坐標軸組件，Number數(shù)字組件構造用戶界面，在對應的功能組件添加回調(diào)函數(shù)編寫代碼。木材聲波信號測試系統(tǒng)采用傅里葉變換分析應用軟件[11]，拾取受敲擊后木材試件的振動信號進行瞬態(tài)頻譜分析，用于計算被測木材彈性模量[12]。軟件程序算法過程如圖4所示。

圖4 軟件程序算法

3.3 軟件測試

對軟件進行功能測試，將木材樣本的質(zhì)量、長度等基本參數(shù)輸入系統(tǒng)，將結(jié)果與數(shù)據(jù)庫木材樣本進行對比，輸出測定原木等級。軟件正常運行，測試結(jié)果合理，軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面

4 實驗驗證

4.1 軟件數(shù)值準確性驗證

本文設計的木材質(zhì)量檢測儀可將收集到的聲波信號利用FFT傅里葉模塊進行分析，輸出敲擊木材試樣時產(chǎn)生的共振頻率。在實驗室中隨機選取一組種類、大小、質(zhì)量不同的木材試件，將所獲得的共振頻率數(shù)值與FAKOPP研發(fā)便攜式木材評等儀(Portable Lumber Grader)所得的共振頻率數(shù)值進行比較，數(shù)值對比結(jié)果見表2，誤差僅為0.68%，證明了原木質(zhì)量檢測儀對聲波信號處理能力的準確性。

表2 數(shù)值對比

4.2 木材質(zhì)量等級劃分試驗

木材質(zhì)量檢測儀可以用于現(xiàn)場檢測、分辨、評估原木及板材的定級，同時還可以計算與測量木材的彈性模量。聲波的傳播距離遠、傳播的能量大，抗干擾能力強，不需要任何耦合劑和任何其他特殊條件。

由于相同木材等級的彈性模量數(shù)值在一定的數(shù)值范圍內(nèi)波動，首先對四個等級的標準木材進行測試，將每個等級木材的彈性模量數(shù)值輸入軟件中可建立楊木的彈性模量數(shù)值范圍數(shù)據(jù)庫。同理還可擴大數(shù)據(jù)庫中的樹種量，即可將杉木、松木、沙木、白橡木等不同種類的樹木進行等級范圍的劃分。

4.2.1 等級彈性模量數(shù)值范圍劃分

試樣為不同等級的楊木標準件，均為順紋理方向，含水率為8%，如圖6所示。

圖6 部分試驗樣木

利用木材質(zhì)量檢測儀對不同等級楊木標準件進行彈性模量數(shù)值范圍確定試驗。首先按要求連接儀器，測量并記錄木材的長度、寬度、高度和質(zhì)量，將測得的長度、寬度、高度、質(zhì)量和頻率峰值輸入基本參數(shù)輸入模塊；然后用相同的力度對遠離麥克風端的木材端面進行敲擊，為減少誤差，對每個試件進行8～10次敲擊，記錄敲擊時刻LED顯示屏實時顯示的時域分析圖、頻域分析圖及圖像的頻率峰值，對共振頻率取平均值；最后將輸出的彈性模量數(shù)值記錄到數(shù)據(jù)庫中。得到的楊木彈性模量結(jié)果見表3。

表3 楊木的質(zhì)量等級彈性模量數(shù)值范圍

4.2.2 木材質(zhì)量檢測試驗

實驗室中，隨機選取長度、質(zhì)量不同的楊木10個，用阿拉伯數(shù)字進行編號。使用木材質(zhì)量檢測儀進行測量，利用已輸入到系統(tǒng)中的楊木數(shù)據(jù)庫，可直接輸出所測木材的等級。同時參照上文所述的質(zhì)量等級特點，對所測木材試樣進行人工檢測，結(jié)合各試樣的節(jié)子、裂紋、孔洞等缺陷進行分析，所得試驗結(jié)果見表4。

表4 隨機選取木材等級輸出結(jié)果

將軟件等級輸出結(jié)果與人工分析等級進行對比，通過計算可得軟件等級輸出結(jié)果的正確率為90%，較為精確。

4.3 試驗結(jié)果分析

對于試樣樹種而言，所用木材樣本節(jié)子、裂紋、孔洞等缺陷越多，計算出的彈性模量數(shù)值就越低。聲波軸向傳遞所獲取到的動彈性模量值與機械法的靜彈性模量值有一定的正相關關系，因此數(shù)據(jù)庫所選擇數(shù)據(jù)范圍合理，木材質(zhì)量等級與數(shù)據(jù)庫中設置的彈性模量范圍相匹配，對于楊樹樹種而言實驗結(jié)果合理。處理激勵聲波輸出的木材共振頻率與便攜式木材評等儀(FAKOPP)對比所得到的誤差僅為0.68‰，同時軟件輸出等級與人工檢測質(zhì)量等級結(jié)果進行對比計算得到的等級輸出正確率為90%，進一步證明原木質(zhì)量檢測儀的等級輸出結(jié)果具有較高的準確性。

5 結(jié)論

本文設計的便攜式木材質(zhì)量檢測儀，將木材振動產(chǎn)生的聲波數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶灾髟O計的應用軟件中，通過一系列傅里葉變換將聲波輸出為可視化頻譜圖，并根據(jù)國家木材質(zhì)量標準將木材相應等級輸出，具有檢測成本低、所需人力資源少、精確度高、便于攜帶等特點。通過以上設計過程，需要注意以下幾點：

(1)利用傅里葉變換及頻譜分析法克服了時域分析的不足，實現(xiàn)在能量等價條件下把信號變換到頻域，確定在各頻率上木材振動的能量與頻率構成的分布。

(2)利用MATLAB軟件采集聲音信號可根據(jù)試驗條件對屬性參數(shù)進行修改，具有靈活性，測試不同的試驗條件來獲得最佳的試驗效果，從中分析得到有效的特征量。

(3)結(jié)合匈牙利FAKOPP研發(fā)的便攜式木材評等儀(Portable Lumber Grader)進行擬合對比實驗，驗證檢測結(jié)果的誤差在0.68‰以內(nèi)，與人工檢測質(zhì)量等級結(jié)果對比等級輸出正確率為90%，誤差較小，符合實際使用情況，滿足設計要求，可極大節(jié)省林場與木材加工廠對木材的等級分辨時間。