陳 琴，李 明，羅延芳，朱代根

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與制造工程學(xué)院，昆明 655024)

我國(guó)進(jìn)口木材易攜帶外來(lái)生物，且外來(lái)生物無(wú)天敵，使該生物破壞力大、擴(kuò)散速度快、治愈難度大、檢測(cè)困難[1-3]。木材消耗量在國(guó)內(nèi)每年遞增，更加凸顯木材質(zhì)量良好的重要性?；盍⒛局校S多樹(shù)種易患蟲(chóng)害，如柳樹(shù)、楊樹(shù)和榆樹(shù)。害蟲(chóng)的存在，一方面降低木材的生長(zhǎng)速度，另方面降低木材的質(zhì)量。蟲(chóng)害嚴(yán)重時(shí)能將木材內(nèi)部全部蛀空，所以森林的蟲(chóng)害防治至關(guān)重要。森林蟲(chóng)害防治的第一步是檢測(cè)害蟲(chóng)是否存在，除了傳統(tǒng)目測(cè)檢測(cè)技術(shù)外，還有許多其它技術(shù)，如孫開(kāi)源搭建的害蟲(chóng)聲音采集平臺(tái)[4]，張濤[5]和韓萍[6]使用SVM分類器，牟洪波等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]、Suma等通過(guò)狗的嗅覺(jué)進(jìn)行檢測(cè)[8]、熱紅外成像技術(shù)[9]等。選取檢測(cè)技術(shù)時(shí)，需要考慮活立木的檢測(cè)的條件，如無(wú)損、戶外等因素。

聲發(fā)射檢測(cè)蟲(chóng)害在理論上具有一定的可行性。害蟲(chóng)日常活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲波信號(hào)，一方面包括日常活動(dòng)爬行、進(jìn)食(咬斷纖維的信號(hào))時(shí)產(chǎn)生的聲波；另一方面，害蟲(chóng)有意發(fā)出的聲音信號(hào)，如成蟲(chóng)求偶時(shí)，幼蟲(chóng)原因未知的故意發(fā)聲[10]。

聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)幼蟲(chóng)時(shí)，受到幼蟲(chóng)位置[11]、信號(hào)在木材中傳播時(shí)因反射折射等造成的衰減[12]、天牛種類、木材形狀與含水率[13]、傳感器位置[14]等因素影響。目前，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)可以成功檢測(cè)出隱蔽的小型害蟲(chóng)[15]，比如蛀干害蟲(chóng)、植物根莖部害蟲(chóng)[16]、儲(chǔ)糧害蟲(chóng)[12]、水果害蟲(chóng)[17]等。

迄今，許多學(xué)者針對(duì)小蠹進(jìn)行了一系列的研究。羅茜采用MFCC(Mel頻率倒譜系數(shù))和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)紅脂大小蠹、華山松大小蠹、云南切梢小蠹和短毛切梢小蠹進(jìn)行種類識(shí)別，識(shí)別率分別為98.15%、98.00%、93.69%、83.33%。且BP訓(xùn)練樣本量為20、40、60、80、100時(shí)，識(shí)別率和樣本量成正比[18]。許小芳等通過(guò)對(duì)含有雙鉤翅長(zhǎng)蠹、黑雙棘長(zhǎng)蠹和鱗毛粉蠹的木段進(jìn)行研究，雙鉤翅長(zhǎng)蠹、黑雙棘長(zhǎng)蠹和鱗毛粉蠹的活動(dòng)聲主頻分別為：5 KHz、3.5 KHz左右、6.5 KHz[19]。婁定風(fēng)等利用3種型號(hào)的傳聲器對(duì)六種蛀蟲(chóng)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，試驗(yàn)材料來(lái)源于深圳口岸截獲的帶有木材鉆蛀害蟲(chóng)幼蟲(chóng)的木段。研究表明，雙鉤翅長(zhǎng)蠹、黑雙棘長(zhǎng)蠹和鱗毛粉蠹、棕異翅長(zhǎng)蠹的取食聲主頻在10 KHz以下[20]。2016年，卜宇飛等對(duì)紅松、側(cè)柏、油松、垂柳、苦楝和白楊的帶蟲(chóng)木段，使用AED-2010L探測(cè)儀進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。試驗(yàn)表明，柏膚小蠹的主要頻率峰值小于8 KHz[21]。上述研究大多通過(guò)分析幼蟲(chóng)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征，歸納得出蟲(chóng)子信號(hào)特征(主要是信號(hào)頻率)并以其辨別蟲(chóng)子種類，未涉及幼蟲(chóng)長(zhǎng)時(shí)段活動(dòng)規(guī)律。為探明楊木幼蟲(chóng)活動(dòng)規(guī)律，給害蟲(chóng)防治提供依據(jù)和參考，我們通過(guò)搭建AE信號(hào)采集平臺(tái)，采用聲發(fā)射技術(shù)，進(jìn)行了幼蟲(chóng)聲波信號(hào)采集和分析，結(jié)果如下。

1 材料和方法

1.1 材料和設(shè)備

試件選自云南昆明5月份有明顯羽化孔的楊木側(cè)枝木段，尺寸大致為長(zhǎng)(L)60 cm，直徑(D)4 cm,楊樹(shù)側(cè)枝害蟲(chóng)主要為小蠹。如圖1所示，首先用鋸子鋸掉材料兩端不平整部分，以便測(cè)量尺寸。其次將木段表皮剝開(kāi)，并選取合適的間距，削出4個(gè)平滑平面并用砂紙打磨至光滑，以期使放置其上的傳感器與試件接觸間隔最小，分別標(biāo)為1、2、3、4。處理好的試件(楊木木段)置于帶小孔的箱中并對(duì)箱體封堵，防止其它種類害蟲(chóng)感染；用棉團(tuán)堵住木段蟲(chóng)孔，防止蟲(chóng)逃脫；定期給木段兩端適量澆水，保證木段適當(dāng)濕度，防止幼蟲(chóng)因木材濕度較低而提前化蛹。

圖1 準(zhǔn)備完成的試件

傳感器型號(hào)為SR150N(北京聲華興業(yè)科技有限公司)，具體性能和參數(shù)為尺寸φ19 mm×19.5 mm、頻率范圍為22 K～220 K Hz、靈敏度峰值>75 dB、工作溫度為-20～80 ℃。前置放大器型號(hào)為PAI(北京聲華興業(yè)科技有限公司)，具體性能和參數(shù)為尺寸116mm×36 mm×30 mm、放大倍數(shù)40 dB、相應(yīng)頻率為10K～2.0M Hz、工作溫度-20 ℃～60 ℃。數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-6366(National Instruments公司)，有8通道AI(模擬輸入)、2通道AO(模擬輸出)、24通道DIO(數(shù)字輸入輸出)和USB接口，操作環(huán)境溫度要求為0～45℃。軟件為Matlab2015b和Labview2015。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 搭建AE信號(hào)采集平臺(tái) 如圖2所示，首先將傳感器(2)粘在試件提前削好的平滑面上，其次傳感器后接前置放大器(3)，然后接數(shù)據(jù)采集卡，最后通過(guò)NI采集卡(4)的USB接口將數(shù)據(jù)傳入電腦(5)。傳感器的選取至關(guān)重要，性能越好，接受到的聲波與實(shí)際聲波越相似。信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，為減小信號(hào)傳輸?shù)膿p耗，使用前置放大器。

圖2 搭建的AE信號(hào)采集平臺(tái)示意圖、實(shí)體圖

1.2.2 數(shù)據(jù)采集 用粘合劑將傳感器和木段粘在一起，盡量使接觸面氣泡少。首先用一個(gè)傳感器進(jìn)行區(qū)域定位，確定蟲(chóng)子存在的區(qū)域。試件上的4個(gè)平面每個(gè)檢測(cè)5次，一次持續(xù)監(jiān)測(cè)30 min。對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析。得到蟲(chóng)子位于2號(hào)區(qū)域結(jié)論后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)傳感器置于2號(hào)位置，另一個(gè)傳感器依次置于1、3、4號(hào)位置，分別檢測(cè)信號(hào)。早晨8∶00-23∶00循環(huán)監(jiān)測(cè)，每輪監(jiān)測(cè)1 h,其中測(cè)定0.5 h，休息0.5 h,共監(jiān)測(cè)13輪。

在labVIEW中設(shè)置采樣頻率為50 KHz，編寫(xiě)相關(guān)截取、保存程序。因受matlab軟件程序分析限制，截取有明顯脈沖的3 w個(gè)信號(hào)，并以txt文本文檔保存。若采集中無(wú)明顯脈沖，則從開(kāi)始處往后截取3 w個(gè)數(shù)(本實(shí)驗(yàn)無(wú)這種情況發(fā)生)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 原始波形圖用截取的3 w個(gè)脈沖信號(hào)繪制；利用matlab軟件，采用小波分析法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)，并繪制重構(gòu)波形圖；采用傅里葉變換法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并繪制噪聲頻譜圖。時(shí)域圖橫坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)時(shí)間(毫秒，ms)，縱坐標(biāo)為幅值(伏特,v)，hits表示聲波脈沖信號(hào)數(shù)量;頻域圖橫坐標(biāo)為頻域(KHz)，縱坐標(biāo)為幅值(伏特,v)。

2 結(jié)果與分析

2.1 確定信號(hào)來(lái)源

區(qū)域定位實(shí)驗(yàn)共采集截取信號(hào)85 w個(gè)，發(fā)現(xiàn)傳感器置于2號(hào)位置時(shí)，5次均能采集到凸出的聲波信號(hào)(圖3A)，表明聲源位于2號(hào)區(qū)域。為排除接受到的聲波信號(hào)不是蟲(chóng)聲而是外界噪音，將傳感器分別置于1、3、4號(hào)位置進(jìn)行相同操作，未能采集到凸出的信號(hào)(圖3B)，說(shuō)明凸出的信號(hào)為蟲(chóng)子發(fā)出的聲波，蟲(chóng)子位于2號(hào)位置區(qū)域。

圖3 傳感器檢測(cè)到的圖形(A，2位置傳感器；B，4位置傳感器)

2.2 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

從圖4、表1可以看出，幼蟲(chóng)聲音信號(hào)主頻主要集中于64.0 K～65.5 KHz頻段內(nèi)；8∶00-10∶00、11∶00-13∶00、15∶00-19∶00各有1個(gè)單脈沖信號(hào)，說(shuō)明此時(shí)段幼蟲(chóng)活動(dòng)較弱；13∶00-15∶00、19∶00-20∶00、22∶00-23∶00，各有2個(gè)單脈沖信號(hào)，表明此時(shí)段幼蟲(chóng)活動(dòng)有所增強(qiáng)；21∶00-22∶00，有3個(gè)單脈沖信號(hào)，說(shuō)明此時(shí)段幼蟲(chóng)活動(dòng)更頻繁；20∶00-21∶00，有5個(gè)明顯信號(hào)，說(shuō)明此時(shí)段幼蟲(chóng)活動(dòng)最頻繁、活躍；在監(jiān)控時(shí)間內(nèi)，該幼蟲(chóng)每個(gè)小時(shí)段內(nèi)都在活動(dòng)，至少產(chǎn)生一個(gè)聲波。

3 結(jié)論

(1)本研究使用傳感器、前置放大器、NI數(shù)據(jù)采集卡、電腦等設(shè)備搭建了AE信號(hào)采集平臺(tái)，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)楊樹(shù)幼蟲(chóng)聲音信號(hào)的采集、分析和處理。

(2)實(shí)現(xiàn)聲源區(qū)域定位。使用一個(gè)傳感器進(jìn)行區(qū)域定位，試驗(yàn)表明聲源位于試材2號(hào)位置。

表1 8∶00-23∶00每一小時(shí)段內(nèi)的聲波脈沖數(shù)量、信號(hào)頻率統(tǒng)計(jì)表

圖4 位于試件2號(hào)位置的傳感器接收到的信號(hào)(原始波形、重構(gòu)波形和降噪頻譜)

(3)通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)小蠹幼蟲(chóng)聲音信號(hào)主頻主要集中于64.0 K～65.5 KHz頻段內(nèi)。

(4)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)得出，測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，20∶00-21∶00是幼蟲(chóng)最活躍的時(shí)間段。建議在該段時(shí)間內(nèi)對(duì)幼蟲(chóng)進(jìn)行檢測(cè)，可增加成功采集幼蟲(chóng)信號(hào)的概率。