張鈺，鄧婷婷，李帥，張少春，何云佐

（西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224）

0 引言

近年來，蛀干害蟲防治越來越成為森林保護(hù)的重要措施之一。幼蟲檢測是蛀干害蟲防治的關(guān)鍵，幼蟲蛀食將嚴(yán)重危害樹木生長，輕則造成樹木水分、養(yǎng)分運(yùn)輸受到一定程度的阻礙，重則導(dǎo)致樹木枯萎死亡。但因蛀蟲生活的隱蔽性，常規(guī)檢測方法難以發(fā)現(xiàn)。若僅通過觀測蛀孔排出物及枝干皮層形態(tài)來確定蛀干害蟲的存在及類型則為時已晚，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)蛀孔，就意味著蛀干害蟲已接近成蟲，不僅對樹木造成比較嚴(yán)重的損傷，而且也大大增加了防治的難度。

根據(jù)云南森林現(xiàn)狀，本實(shí)驗(yàn)采用云南松活立木為試材進(jìn)行研究。按照聲發(fā)射理論，樹木發(fā)生損傷時將釋放出聲發(fā)射信號。而近年來，AE信號的檢測技術(shù)已有一定發(fā)展。申珂楠等[1]以LabVIEW的多通道聲發(fā)射采集平臺為基礎(chǔ)，用時差的三角形幾何定理提出木材表面聲發(fā)射信號源定位方法，并用折鉛實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證；邵卓平等[2]以針葉材和闊葉材為試材，研究了試材在彎曲破壞過程中材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的聲發(fā)射特性，并利用聲發(fā)射特征參數(shù)對幾種損傷類型進(jìn)行辨識；朱曉東等[3]為實(shí)現(xiàn)木材振動信號的在線檢測，利用LabVIEW軟件搭建了木材振動信號采集與分析系統(tǒng)；豆春峰等[4]以具有麻點(diǎn)豹天牛幼蟲的楊樹木段為試材，通過對AE信號的濾波、分解、重構(gòu)和信號解析，研究了麻點(diǎn)豹天牛幼蟲AE信號的主頻和其能量最高的時段；于帥帥等[5]使用NI高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備搭建的多通道聲發(fā)射信號采集平臺，實(shí)現(xiàn)了多通道信號采集及從噪聲中重構(gòu)信號，并用云南松聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該平臺的有效性；王明華等[6]以樟子松為試件，通過人為制造裂紋和AE源的方式，研究了木材表面裂紋對聲發(fā)射信號傳播特性的影響；孫建平等[7]利用聲發(fā)射測試和力學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了闊葉材樹種山楊在動態(tài)載荷下聲發(fā)射演變過程；鞠雙等[8]針對木材損傷斷裂過程中聲發(fā)射信號識別的問題，提出了一種基于瞬時頻率的AE信號辨識方法；李曉崧等[9]為研究木材損傷過程中聲發(fā)射信號源定位問題，提出了一種基于小波和信號相關(guān)性的木材表面AE源直線定位方法。

松墨天牛會破壞云南松內(nèi)組織結(jié)構(gòu)，危害云南松正常生長，嚴(yán)重則會導(dǎo)致云南松枯萎死亡。由于目前正處冬天，松墨天牛不處于幼蟲期，無法對松墨天牛幼蟲進(jìn)行檢測和相關(guān)研究，故本實(shí)驗(yàn)僅研究云南松活立木聲發(fā)射信號的傳播衰減特性，為后期檢測并鑒別松墨天牛幼蟲取食信號的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為云南松活立木，選用長度500 mm、直徑40 mm的云南松活立木作為試驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)一共分為兩組，一組選用沒有樹結(jié)的活立木，為試件1；一組選用有樹結(jié)的活立木，為試件2。對活立木進(jìn)行處理，鉆出5個長30 mm、寬25 mm、深5 mm的等間距規(guī)則凹面。首、末規(guī)則凹面和左右端面的距離為50 mm，相鄰規(guī)則凹面中心間距100 mm。在有樹結(jié)的活立木實(shí)驗(yàn)組中，樹結(jié)的中心線位于距左端面300 mm處。

信號采集設(shè)備為基于NI USB-6336高速采集卡和LabVIEW軟件搭建的多通道AE信號采集系統(tǒng)?，F(xiàn)有研究表明木材的AE信號最大頻率約為200 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了不失真地恢復(fù)模擬信號，采樣頻率fs和信號的最大頻率fmax之間必須滿足fs≥2fmax，故實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置系統(tǒng)的采樣頻率為500 kHz。

1.2 方法

1.2.1 AE傳感器的分布和人工AE信號的產(chǎn)生

圖1 試件1試驗(yàn)裝置圖

在試件1和試件2上分別做50組折鉛實(shí)驗(yàn)，即在圖中試件左端第一個規(guī)則凹面（凹面中心距左端面50 mm處）以鉛芯折斷的方式產(chǎn)生人工AE源。在右側(cè)4個規(guī)則凹面上等距分布4個AE傳感器，AE傳感器中軸線與規(guī)則凹面中軸線重合，4個AE傳感器分別為S1、S2、S3、S4。為盡可能地減小試件邊界對AE信號傳播的影響，在活立木的中軸線上進(jìn)行折鉛及放置AE傳感器。為盡可能高效地收集信號，將高溫硅脂涂抹在AE傳感器和規(guī)則凹面的接觸面之間，并用寬橡皮筋固定AE傳感器。實(shí)驗(yàn)操作參照美國ASTM-E976標(biāo)準(zhǔn)，用直徑為0.5 mm的鉛芯與試件規(guī)則凹面形成30°角放置，并在距接觸點(diǎn)5 mm處折斷，以盡可能保證多次試驗(yàn)產(chǎn)生的AE源的一致性。通過上述試驗(yàn)方法完成人工AE信號的產(chǎn)生和收集。

1.2.2 AE信號能量衰減率的計(jì)算

對采集、處理后的信號用MATLAB計(jì)算不同衰減距離的能量衰減率。衰減距離為S1到S2、S1到S3、S1到S4，能量衰減率分別為η12、η13、η14。

將每次折鉛實(shí)驗(yàn)的信號，在LabVIEW內(nèi)偏移、截取折鉛發(fā)出的有效信號，每次截取20 000個數(shù)據(jù)量，利用MATLAB軟件將每組20 000個數(shù)據(jù)分別平方求和，得到的4個AE傳感器的數(shù)據(jù)平方和N1、N2、N3、N4。

信號從第z個AE傳感器到第y個AE傳感器的能量衰減率按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

2 結(jié)果與分析

2.1 原始AE信號的去噪處理

由于實(shí)驗(yàn)的AE信號是通過鉛芯折斷方式產(chǎn)生的人工AE信號，能量持續(xù)時間短，具有瞬時突發(fā)性。即上述采集到的原始AE信號，含有一些不能表征木材真實(shí)AE特性的噪聲信號，利用MATLAB軟件對采集到的4個AE傳感器的信號進(jìn)行去噪處理，分別濾除S1～S4中幅值小于AE傳感器固有噪聲最大幅值的信號，截取鉛芯折斷時40 ms的信號，以其中一組為例，其去噪前、去噪后的時域波形圖如圖3～圖6所示。

圖2 試件2試驗(yàn)裝置圖

圖3 試件1試驗(yàn)去噪前時域波形圖

圖6 試件2試驗(yàn)去噪后時域波形圖

圖4 試件1試驗(yàn)去噪后時域波形圖

圖5 試件2試驗(yàn)去噪前時域波形圖

由圖3～圖6可知，AE傳感器S1～S4對信號進(jìn)行采集、截取、去噪后，AE信號中的噪聲信號被濾除，試件1和試件2處理后的信號在幅值上總體呈降低趨勢，但峰值數(shù)據(jù)并未呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，故應(yīng)計(jì)算能量衰減率進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。

2.2聲發(fā)射（AE）信號在等距AE傳感器間的能量衰減率

為研究云南松活立木聲發(fā)射信號傳播的衰減規(guī)律，對試件1、試件2進(jìn)行了50組試驗(yàn)，并提取出AE信號進(jìn)行處理，每一個試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列舉10組作為代表，按上述能量衰減率計(jì)算公式，計(jì)算整理獲得數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 試件1信號傳播能量衰減率 %

表2 試件2信號傳播能量衰減率 %

表1、表2中,η12和η12′分別表示試件1和試件2信號從第1個AE傳感器傳遞到第2個AE傳感器的能量衰減率，η13和η13′分別表示試件1和試件2信號從第1個AE傳感器傳遞到第3個AE傳感器的能量衰減率，η14和η14′分別表示試件1和試件2信號從第1個AE傳感器傳遞到第4個AE傳感器的能量衰減率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到不同衰減距離的能量衰減率，再計(jì)算每個衰減距離的能量衰減率的平均值。根據(jù)表1、表2可知，當(dāng)衰減距離達(dá)到400 mm時，試件1和試件2的平均能量衰減率η14和η14′分別為99.96%和99.49%，AE信號幾乎全部衰減。試件1、試件2的AE信號從S1傳播到S2的平均能量衰減率η12和η12′分別為90.47%和91.13%，相差0.66%；從S1傳播到S3的平均能量衰減率η13和η13′分別為98.27%和97.03%，相差1.24%。對比試件1、試件2上述兩組平均能量衰減率的差值，分別為0.66%和1.24%，可知當(dāng)AE信號在云南松活立木內(nèi)傳播過程中遇到樹結(jié)時，能量衰減率會比未遇到樹結(jié)略微增加，說明樹結(jié)對AE信號的傳播有輕微的阻礙作用。

3 結(jié)論與討論

本文利用折鉛實(shí)驗(yàn)，以鉛芯折斷的方式產(chǎn)生人工AE源，以此代替蛀干害蟲取食云南松時發(fā)出的AE信號。試驗(yàn)分成兩個實(shí)驗(yàn)組，無樹結(jié)的試件1做對照組，有樹結(jié)的試件2做實(shí)驗(yàn)組，通過對信號進(jìn)行去噪和相關(guān)分析計(jì)算可知，AE信號的有效傳播距離為300 mm，超過此范圍后，AE信號基本全部衰減。且通過樹結(jié)的AE信號能量衰減率略有升高，樹結(jié)對AE信號在云南松活立木內(nèi)的傳播有輕微阻礙作用，云南松有眾多分支和樹結(jié)，樹結(jié)對后期云南松蛀干害蟲的監(jiān)測不會產(chǎn)生明顯的影響。本研究探索了AE信號在云南松活立木中的有效傳播距離，以及樹結(jié)對AE信號傳播衰減的影響，為后期松墨天?；钕x檢測提供了一定的參考。