（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)育一個階段蛀入木質(zhì)部進(jìn)行咬食，成熟幼蟲會在蛀道構(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，以瞬態(tài)彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射檢測技術(shù)作為一種新型動態(tài)的無損檢測技術(shù)，為木材和金屬缺陷檢測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)射特性可以對構(gòu)件的安全性檢測具有重要意義。Amini等[3]對人為損壞的貨車軸承進(jìn)行車載聲發(fā)射測量，指出聲發(fā)射信號能夠檢測和評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)行了各種試驗來檢測鋼軌的裂紋。Jian 等[5]研究了基于聲發(fā)射信號的LMS 軸承和鋼軌缺陷檢測系統(tǒng)。孫永生等[6]基于聲發(fā)射技術(shù)對滾動軸承的典型缺陷進(jìn)行了檢測分析。趙東等[7]利用小波分析技術(shù)實現(xiàn)了木材缺陷狀態(tài)和聲發(fā)射信號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應(yīng)的聲發(fā)射特征信號。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]對無缺陷試件和含裂紋試件做了三點(diǎn)彎曲試驗，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梁彎曲承載力試驗研究。以上這些研究都是基于聲發(fā)射信號特征檢測木材或金屬的缺陷。

近年來，很多學(xué)者利用超聲波檢測技術(shù)對木材孔洞缺陷進(jìn)行了研究。方昱等[12]對不同位置孔洞缺陷的木材試件進(jìn)行敲擊試驗，證明了通過檢測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方法，實現(xiàn)了木材孔洞缺陷位置的檢測。王立海等[15]用RSM-SY5 非金屬超聲波檢測儀對50 個孔洞缺陷的色木試件進(jìn)行了透射檢測。Yang 等[16]利用小波能量矩提取了120 個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)對木材孔洞缺陷的檢測還不多見，本研究以云南松試件為研究對象，模擬蛀干害蟲的羽化孔，針對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照，通過0.5 mm 的鉛芯折斷方式產(chǎn)生AE 源，對采集到的原始信號進(jìn)行小波分解并重構(gòu)，分析了重構(gòu)后的AE 信號波形與頻譜，又根據(jù)相關(guān)性分析法研究了AE 信號的傳播速率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以云南松Pinus yunnanensis為對象，原木試件取自云南昆明，長500 mm，直徑50 mm。取4 個相同尺寸的木材試件，其中1 個作為標(biāo)準(zhǔn)件（未鉆孔），另外3 個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 信號在不同尺寸孔洞缺陷的木材傳播時其信號的幅值、頻率及傳播速率的變化。

1.2 試驗儀器與方法

本試驗基于 NI 高速采集卡和Lab VIEW 建立2 通道的木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，其中使用的傳感器型號為SR 150N，其帶寬22～220 kHz，同時配備了增益為40 dB 的前置放大器。由香農(nóng)采樣定理，每個通道的采樣頻率設(shè)置為500 kHz，信號的電壓幅值設(shè)置為（-5～5 V）。本試驗采用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500 mm，直徑50 mm，兩個傳感器相距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 信號特征。

圖1 試驗示意圖Fig.1 Schematic of the test

根據(jù)時差定位法計算AE 信號的傳播速率v=Δs/Δt，Δs為兩個傳感器的固定距離，在信號波形重構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法確定AE 信號到達(dá)兩個傳感器的時差Δt，假設(shè)聲發(fā)射源到兩個傳感器的信號分別為x(t)和y(t)，則信號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x(t)和y(t)的相似程度，當(dāng)τ=τ0時，互相關(guān)函數(shù)的絕對值 |Rxy(τ0)|取最大值，即是信號y(t)沿時間軸平移τ0個單位后，與信號x(t)最相似。為此，通過互相關(guān)函數(shù)可以間接確定AE 信號到達(dá)兩個傳感器之間的時差Δt。

本試驗想要研究的AE 信號是通過鉛芯折斷方式人工加入的聲發(fā)射信號，所采集的AE 信號會含有噪聲信號，所以先對原始信號進(jìn)行濾波降噪處理，再采用小波分析的方法從原始信號中重構(gòu)有效的AE 信號波形。小波分析的過程就是逐層將信號進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終細(xì)化為低頻信號和高頻信號，其中高頻信號是細(xì)節(jié)信號，相對于噪聲信號而言，通過鉛芯折斷方式人工加入的聲發(fā)射信號應(yīng)該體現(xiàn)在高頻細(xì)節(jié)信號。小波分析是時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 信號特征

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

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

為了驗證上述衰減現(xiàn)象，又對分別鉆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 信號波形與頻譜，對比圖2、圖3，圖4中傳感器S2 采集到的AE 信號幅值又更小，而且信號的持續(xù)時間也變短。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AE 信號的主頻率均小于22 kHz，即都不在AE 傳感器的檢測范圍內(nèi)。這主要因為本試驗的AE 源是通過人工鉛芯折斷方式瞬間產(chǎn)生的，AE 信號的能量弱、持續(xù)時間短，所以，采集到的原始AE 信號中基本是噪聲信號。這也說明需要對原始信號進(jìn)行小波分析并重構(gòu)有效的AE信號。本試驗對原始AE 信號濾波后進(jìn)行5 層小波分解，通過分析對其2、3 層信號重構(gòu)獲得重構(gòu)的AE 信號波形與頻譜。無孔洞缺陷時的重構(gòu)AE信號波形與頻譜見圖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 信號波形與頻譜，可以看出傳感器S1 的重構(gòu)信號主頻分別為38、39、39 kHz，傳感器S2 的重構(gòu)信號主頻分別為43、51、117 kHz。與圖6相比，傳感器S1 的重構(gòu)信號頻率大致相同，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，這是因為當(dāng)木材內(nèi)部存在孔洞缺陷時，木材的密度會發(fā)生變化，信號的頻譜發(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

為了測定AE 信號經(jīng)過木材孔洞時的傳播速率，根據(jù)時差定位法計算AE 信號的傳播速率v=Δs/Δt，Δs為兩個傳感器的固定距離，在信號波形重構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法確定AE 信號到達(dá)兩個傳感器的時差Δt。為了減小試驗的隨機(jī)性影響，本試驗對不同規(guī)格孔洞缺陷分別做了10 組獨(dú)立試驗，相應(yīng)的計算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可以算出不同孔洞缺陷時AE 信號傳播速率的平均值，并進(jìn)行方差分析。無孔洞缺陷AE 信號傳播的平均速率為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，所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠?？梢姴煌锥慈毕軦E 信號傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大其AE 信號傳播的平均速率顯著減小。根據(jù)木材的聲發(fā)射信號傳播特性，當(dāng)傳播介質(zhì)改變，AE 信號的傳播形式會發(fā)生變化。AE 信號通過木材試件孔洞缺陷時，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 信號特征

為了驗證試驗結(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，采集原始AE 信號并重構(gòu)有效的AE 信號。天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的重構(gòu)AE 信號波形與頻譜如圖10所示，可以看出信號的幅值明顯衰減，傳感器S2 的主頻率為121 kHz，計算其AE 信號傳播的平均速率為324 m/s，這是因為木材試件具有較大的天然蛀干害蟲羽化孔洞，驗證了上述試驗結(jié)果。

表1 AE 信號傳播速率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，針對無孔洞和3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件，研究AE信號經(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 信號的波形特征可知，當(dāng)AE 信號經(jīng)過無孔洞缺陷的木材試件時，信號的幅值會發(fā)生小的衰減，這是因為S1距離AE 源的位置較近，所采集到的AE 信號的能量較高，待信號傳到S2時能量發(fā)生衰減，幅值變小。當(dāng)AE 信號經(jīng)過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時，AE 信號的幅值發(fā)生明顯的衰減，且隨著孔洞缺陷的增大，衰減越明顯。

2）對傳感器S1 和S2 采集到的原始信號進(jìn)行小波分析并重構(gòu)有效的AE 信號，根據(jù)重構(gòu)信號的頻譜圖可知，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 信號通過無孔洞缺陷的木材試件時，主頻率基本不變。AE 信號通過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時，主頻率增大，且隨著孔洞缺陷的增大而增大。

3）計算AE 信號在無孔洞和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。可見不同孔洞缺陷AE信號傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大，AE 信號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證了試驗結(jié)果，孔洞直徑約為20 mm，AE 信號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提出了一種方法和思路。當(dāng)AE 信號經(jīng)過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時，AE 信號的幅值發(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，AE 信號經(jīng)過孔洞傳播，信號的能量又會發(fā)生衰減，孔洞缺陷越大，能量衰減越多。AE 信號通過3 種不同尺寸孔洞缺陷的木材試件時，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，主要是因為當(dāng)木材內(nèi)部存在孔洞缺陷時，木材的密度會發(fā)生變化，信號的頻譜發(fā)生改變。不同孔洞缺陷AE 信號傳播的平均速率不同，并且隨著孔洞的增大，AE 信號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，主要是因為AE 信號通過木材試件孔洞缺陷時，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 信號的傳播速率減小。

本研究的局限性在于僅對一種木材試件進(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，對天然蛀干害蟲羽化孔洞缺陷的AE 信號分析只是驗證，需要針對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 信號特征，為木材蛀干害蟲羽化孔的定位研究打下基礎(chǔ)。