申珂楠 丁馨曾 趙海龍 李明

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明,653224)

木材表面聲發(fā)射信號(hào)源的三角形定位方法1)

申珂楠 丁馨曾 趙海龍 李明

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明,653224)

為了確定木材表面聲發(fā)射源的發(fā)生位置，首先采用高速采集設(shè)備設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的多通道聲發(fā)射信號(hào)采集平臺(tái)，并采用小波分析方法從原始聲發(fā)射信號(hào)中析取有用信號(hào)；然后根據(jù)信號(hào)傳播的時(shí)延差確定聲發(fā)射信號(hào)在木材表面的平均傳播速率；最后依據(jù)基于時(shí)差的三角形幾何定位原理，提出木材表面聲發(fā)射信號(hào)源定位方法，并通過鉛芯模擬聲發(fā)射源的測試試驗(yàn)加以驗(yàn)證。結(jié)果表明該方法能夠以較高的精度確定木材表面聲發(fā)射信號(hào)源位置。

木材表面；聲發(fā)射；三角形定位法

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，木材作為一種可再生資源，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景。但是與其他固體材料相比，木材是一種具有彈塑性的各向異性生命體，在運(yùn)輸和加工過程中特性變化非常復(fù)雜，甚至?xí)蛑車鷾貪穸茸兓鸺?xì)胞內(nèi)水分遷移，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力集中直至發(fā)生內(nèi)部開裂。這種因應(yīng)力變化產(chǎn)生的木材塑性變形不僅會(huì)直接降低木材效用，甚至?xí)?dǎo)致相應(yīng)機(jī)構(gòu)失效，為此動(dòng)態(tài)獲取木材應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，是維持木材性能、預(yù)防失效的關(guān)鍵所在，然而，目前常規(guī)的檢測方法無法滿足動(dòng)態(tài)監(jiān)測需求。

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是材料或結(jié)構(gòu)受內(nèi)力或外力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[1]。AE技術(shù)不僅可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測材料內(nèi)部及表面的應(yīng)力變化，還可以通過聲發(fā)射源定位技術(shù)確定相應(yīng)的發(fā)生位置。作為一種動(dòng)態(tài)無損檢測方式，AE技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬、巖石及復(fù)合材料的缺陷與損傷監(jiān)測[2-3]。目前，受其他領(lǐng)域成功應(yīng)用的啟發(fā)，AE技術(shù)被嘗試應(yīng)用于木材應(yīng)力及損傷動(dòng)態(tài)監(jiān)測中[4-5]。

受木材自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性限制，目前主要通過借鑒其他領(lǐng)域的應(yīng)用，采用某些聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)定性反映應(yīng)力變化[6-8]，但是這些參數(shù)閾值的設(shè)定缺乏必要的理論或?qū)嵺`依據(jù)。為此，一些研究通過小波等方法提取木材聲發(fā)射信號(hào)波形，并以此作為木材聲發(fā)射信號(hào)分析的依據(jù)[9]，在一定程度上提高了動(dòng)態(tài)監(jiān)測的質(zhì)量。但是目前對(duì)木材聲發(fā)射現(xiàn)象的研究仍處于探索階段，特別是聲發(fā)射源定位方面的研究十分少見，其中一個(gè)主要原因是在聲發(fā)射源定位時(shí)通常需要知道聲發(fā)射信號(hào)的傳播速度，對(duì)于金屬等固體材料，可以視為各向同性材料，信號(hào)傳播速度確定較為容易；但是木材不僅各向異性，而且不同材質(zhì)在不同環(huán)境下的信號(hào)傳播速度存在顯著差異，所以較難確定。

為此，本研究將在基于LabVIEW的聲發(fā)射信號(hào)采集平臺(tái)上，通過小波處理的方式析取聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形，進(jìn)而采用計(jì)算波形第一峰時(shí)差的方法；通過大量實(shí)驗(yàn)測算聲發(fā)射信號(hào)的平均傳播速度，以此作為聲發(fā)射源定位的依據(jù)，最后采用基于時(shí)差的三角定位方法，實(shí)現(xiàn)木材聲發(fā)射源定位。

1 聲發(fā)射源三角形定位基本原理

聲源的定位方法可分為兩大類，即區(qū)域定位法和點(diǎn)定位法(也稱為時(shí)差定位法)。區(qū)域定位方法對(duì)傳感器的安裝沒有特殊的要求，即不必按一定的陣列形式布置，聲源的位置表示為一區(qū)域，定位精度不高。點(diǎn)定位方法分為線定位和面定位，面定位又可分為三角形定位和矩形定位等。這些方法都是根據(jù)聲源信號(hào)到達(dá)同一陣列內(nèi)不同傳感器時(shí)所形成的一組時(shí)差，經(jīng)過幾何關(guān)系的計(jì)算確定聲源的位置[10]。

基于時(shí)間差的定位方式，具備成本較低、運(yùn)算量較小、實(shí)時(shí)檢測性能好等特點(diǎn)。目前，基于時(shí)間差的聲發(fā)射源定位研究很多。Bhardwaj等提出基于最大似然估計(jì)的多聲道時(shí)延估計(jì)方法[11]。Ciampa和Meo提出了基于連續(xù)小波變換和頻域分析的方法來定位聲源，提高了定位精度[12]。Le等提出用短時(shí)互相關(guān)法來估計(jì)兩個(gè)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差[13]。Mohd提出了基于連續(xù)小波變換分析和模態(tài)定位分析的聲發(fā)射源定位方法，對(duì)核管道裂紋擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測，并對(duì)檢測結(jié)果與傳統(tǒng)的定位方式相比較[14]。但這些研究多用于金屬材料或者巖土材料中，而對(duì)于木材聲發(fā)射源定位的研究內(nèi)容目前還比較罕見。

本研究將主要應(yīng)用三角形定位方式對(duì)木材聲發(fā)射源進(jìn)行源定位，這種方式相對(duì)于區(qū)域定位法可以有更高的定位精度，更好的定位效果，適合木材聲發(fā)射源定位。圖1為木材聲發(fā)射三角形定位陣列示意圖，按圖放置傳感器，并記下各傳感器坐標(biāo)，設(shè)聲發(fā)射源和各個(gè)傳感器的距離分別為L1、L2、L3，聲源信號(hào)到達(dá)時(shí)間分別為t1、t2、t3。

圖1 木材聲發(fā)射源三角定位示意圖

同理可得到傳感器2與傳感器3的關(guān)系如下：

(1)

2 木材聲發(fā)射源三角形定位

因?yàn)槟静膬?nèi)部的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲發(fā)射波傳播過程中將有隨機(jī)誤差存在，因此本研究將通過多次測量求平均值的方式，得出在該種木材中的聲波傳播速度。之后利用多次斷鉛實(shí)驗(yàn)，模擬聲發(fā)射源，并通過計(jì)算得出聲源所在位置。

2.1 木材聲發(fā)射信號(hào)采集與析取

以思茅松板材為研究對(duì)象，板材尺寸為(210 cm×32 cm)。采用鉛鋅折斷方式在不同位置產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。傳感器采用聲華SR150N型聲發(fā)射傳感器，該傳感器信號(hào)采集頻率范圍22～220 kHz。前置放大器采用PAI前置放大器，響應(yīng)頻率為10 kHz～2 MHz，增益為40 dB。采用NI公司的DAQmx采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并基于LabVIEW建立信號(hào)采集和處理平臺(tái)。木材聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 木材聲發(fā)射源定位實(shí)物圖

根據(jù)圖2中的實(shí)物進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，首先運(yùn)用小波分析對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行去噪處理，通過LabVIEW軟件測試出濾波后信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，從而根據(jù)公式(1)所寫的三角定位方程，求得聲源所在位置。采用小波分析方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理。通過圖2的聲發(fā)射采集設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄結(jié)構(gòu)中的時(shí)域信號(hào)。在布置傳感器過程中為了計(jì)算方便，選擇點(diǎn)多為整數(shù)點(diǎn)，不影響定位效果。為了更好地使傳感器與木材相貼合，選用硅膠作為黏合劑，均勻涂抹在傳感器表面。三角定位采用3通道采集，布置3個(gè)傳感器，主要運(yùn)用時(shí)差定位方式，用LabVIEW軟件結(jié)合NI采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的采集、提取、分析工作。

圖3為LabVIEW采集、去噪、信號(hào)分析程序。分別完成對(duì)木材聲發(fā)射信號(hào)的信號(hào)采集工作，需要設(shè)定采樣物理通道。線定位采用兩通道，兩傳感器，三角定位采用3通道、3傳感器。設(shè)置采樣電壓(-5 V、+5 V)，采樣率500 kHz，有效信號(hào)頻率范圍為0～250 kHz，之后設(shè)定文件保存路徑。另一部分主要完成對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的調(diào)用、提取、截取、小波包降噪、頻譜分析等工作?？蓪?shí)現(xiàn)多通道同時(shí)調(diào)用分析。

圖3 數(shù)據(jù)采集、提取、分析子程序

2.2 木材聲發(fā)射信號(hào)傳播速度測算

聲波在木材中的傳播過程受到木材種類和木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，即使同種木材在不同的區(qū)域內(nèi)聲波的傳遞速度也是不相同的。因此針對(duì)本研究的木材聲發(fā)射源定位，綜合實(shí)驗(yàn)條件，聲速測量采用基于傳播時(shí)延差的測速方式。該方式是測定參考節(jié)點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，距離為參考節(jié)點(diǎn)到達(dá)兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的距離差。避免了測量絕對(duì)時(shí)間值可能導(dǎo)致的誤差。

圖4 聲速測量傳感器布置

表1 聲速測量坐標(biāo)與計(jì)算聲速結(jié)果

2.3 木材聲發(fā)射源定位

實(shí)驗(yàn)采用在不同采樣點(diǎn)處進(jìn)行鉛鋅折斷模擬木材聲發(fā)射信號(hào)，設(shè)置傳感器分布坐標(biāo)分別為(0,0)、(0,20)、(120,20)。圖5所示為三角定位傳感器布置實(shí)物圖。信號(hào)發(fā)生點(diǎn)分別為(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)。分別對(duì)不同坐標(biāo)信號(hào)采集，并對(duì)采集到信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)3通道信號(hào)分別進(jìn)行小波分析。之后對(duì)小波分析得到的信號(hào)進(jìn)行頻譜測量，得到信號(hào)的頻譜圖。最后通過計(jì)算得出到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間。圖6為木材聲發(fā)射三角定位實(shí)驗(yàn)中采集到的原始信號(hào)、小波濾波后信號(hào)，以及濾波后頻譜圖，選擇采用點(diǎn)為(20,20)。可以看出信號(hào)到達(dá)各個(gè)傳感器時(shí)，都存在不同程度的量衰減情況，傳感器2距離采樣點(diǎn)最近，衰減較?。粋鞲衅?距離最遠(yuǎn)，衰減程度最高。傳感器3采集到的信號(hào)由于最弱，與環(huán)境噪聲疊加后，已經(jīng)出現(xiàn)了部分失真，采用小波分析降噪后，可以較好地還原有用信號(hào)。該種木材斷鉛實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射信號(hào)的能量主要集中60～80 kHz附近，此外還有其他頻段信號(hào)。

圖5 三角定位傳感器布置實(shí)物圖

三角定位實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)傳感器的坐標(biāo)分別為Q1(0,0)、Q2(0,20)、Q3(120,20)。三角定位計(jì)劃做6組試驗(yàn)，信號(hào)發(fā)生點(diǎn)分別為(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)，并分別對(duì)每個(gè)位置進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)每組實(shí)驗(yàn)的均方誤差。公式為：

表2 定位實(shí)驗(yàn)計(jì)算坐標(biāo)位置結(jié)果與誤差

續(xù)(表2)

圖6 平面定位信號(hào)處理與分析圖

通過對(duì)以上測量與計(jì)算結(jié)果的分析，采用三角定位對(duì)木材聲發(fā)射源定位有較好的定位效果。然而受到木材本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，聲波傳遞中的散射衍射及衰減等，且在斷鉛過程中存在一定的人為誤差，比如無法保證每次斷鉛角度和斷鉛速度等。使得定位結(jié)果的偏差出現(xiàn)一種非規(guī)律性定位排列。但定位結(jié)果還是總體可以保證在2%以內(nèi)的。從信號(hào)的頻譜圖中看，聲發(fā)射信號(hào)在傳播過程中有較大的損失，每個(gè)信號(hào)在到達(dá)不同傳感器時(shí)，損耗都比較明顯。這是由于聲波在木材中傳播時(shí)，受到木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大，木材為非均勻介質(zhì)。此外頻譜并不是一個(gè)確定值，而是一種相對(duì)集中狀態(tài)，證明聲發(fā)射波在木材中的傳播并不是同一路徑，而是多路徑傳播的過程。另外頻譜圖呈現(xiàn)為一種集中狀，證明聲波在傳播過程中雖然存在衰減或者多路徑傳播，但其傳播速度是基本保持一致的。

3 結(jié)束語

分析了木材聲發(fā)射定位的常見定位方法，采用了三角定位方式進(jìn)行聲源定位。采用基于LabVIEW的編程方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)木材聲發(fā)射信號(hào)的采集與析取。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)采集到的有效信號(hào)，運(yùn)用小波分析的方式進(jìn)行濾波去噪處理?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)對(duì)定位誤差控制在2%之內(nèi)，對(duì)誤差的分布情況進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，木材的聲源定位存在更多的隨機(jī)誤差影響。同時(shí)得出三角定位的定位方式對(duì)木材聲發(fā)射信號(hào)定位比較精確，是一種適合于木材聲發(fā)射源定位的方法。這對(duì)于測量木材內(nèi)部的損傷以及斷裂定位具有參考價(jià)值。

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Acoustic Emission Signal Source Localization in Wood Surface with Triangle Positioning Method

Shen Kenan, Ding Xinzeng, Zhao Hailong, Li Ming(Southwest Forestry University, Kunming 653224, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：77-81,112.

In order to determine the position of wood surface acoustic emission source, we first designed the multi-channel acoustic emission signal acquisition system based on LabVIEW by using high speed acquisition equipment, and used wavelet analysis to extract the useful signal method for transmitting signals from the original sound. Then, according to the signal propagation time difference we determined the acoustic emission signal in the average propagation rate of wood surface. Finally, on the basis of geometric positioning time, we put forward the wood surface of acoustic source localization method, and verified it by the lead core test of acoustic emission source simulation.

Wood surface； Acoustic emission； Triangle positioning method

1) 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31100424);云南省教育廳科學(xué)研究基金(2013J018)。

申珂楠，男，1988年8月生，西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，碩士研究生。E-mail：kekedear@126.com。

李明，西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，副教授。E-mail：swfu_lm@swfu.edu.cn。

2014年9月28日。

TN911.7

責(zé)任編輯：戴芳天。