豆春峰 李明 羅廷芳 鄧婷婷 朱代根

(西南林業(yè)大學(xué)，昆明，650224)

木材作為可再生天然自然資源，一直受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。林木蛀干害蟲是林業(yè)上的一類重要害蟲，由于其危害的隱蔽性和林木受害反應(yīng)的滯后性，故很難對其進行早期檢測和防治，往往造成巨大的經(jīng)濟損失，聲發(fā)射技術(shù)作為一項主動的無損檢測技術(shù)，使用聲音檢測技術(shù)通過聲音信號的采集進行研究是相對客觀的研究技術(shù)。

國內(nèi)外一些研究人員已經(jīng)對蛀木害蟲的聲音信號特征進行了研究。姚青[1]等建立了一套多功能害蟲鳴聲信號采集與分析系統(tǒng)。Mankin et al.[2]研究了光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號特征與寄主樹種、寄主組織和幼蟲齡期之間的關(guān)系。后來研究人員利用AED-2000對木材蛀干害蟲進行了聲音特性的研究。趙元吉[3]等發(fā)現(xiàn)雙條杉天牛幼蟲分布位置和被測木段長度對幼蟲聲音探測效果的影響顯著，而木段直徑對檢測效果并無顯著影響。韋雪青[4]等分析了蛀木害蟲聲音探測技術(shù)的可行性。Chesmore et al.[5]利用聲學(xué)方法來檢測害蟲的爬行和攝食活動。許小芳[6]等在消音裝置中對木材鉆蛀性害蟲活動聲進行采集，建立了聲音信號模板庫。潘杰[7]等利用聲音探測技術(shù)研究了雙鉤異翅長蠹幼蟲的取食與爬行信號。Sandie[8]將聲發(fā)射技術(shù)用于檢測木質(zhì)文化遺產(chǎn)樂器中的木虱昆蟲。Nasswettrova et al.[9]為防治蛀木害蟲的幼蟲，對木制構(gòu)件的熱空氣保存效果進行了實驗驗證。Alexander et al.[10]分析了樹干中帶有光肩星天牛幼蟲的聲學(xué)信號和振動信號。Bobinski et al.[11]驗證了能夠通過人工智能算法的聲學(xué)分析來評估蛀木害蟲的檢測效果。豆春峰[12]等研究了楊樹木段中麻點豹天牛幼蟲聲發(fā)射信號特征，為蛀木害蟲的聲音檢測提出了一種新的方法。卜宇飛[13]等利用自主研建的聲音偵聽技術(shù)系統(tǒng)采集并分析了7種林木蛀干害蟲的聲音。祁驍杰[14]等利用聲音檢測技術(shù)在室內(nèi)對楊樹木段中不同數(shù)量的光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號進行監(jiān)測，指出了不同數(shù)量的光肩星天牛幼蟲產(chǎn)生的聲音信號主頻率無明顯差異。黃山春[15]等對帶有不同數(shù)量紅棕象甲幼蟲樹段以及樹段的不同測位點進行聲音檢測，結(jié)果表明幼蟲數(shù)量越多，測位點與幼蟲越近，檢測效果越明顯。

目前，使用聲發(fā)射技術(shù)研究木材蛀干害蟲的聲音信號特征還不多見，本研究以楊樹木段中麻點豹天牛幼蟲的行為活動為AE源，通過采樣頻率為500 kHz的木材蠕變聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)獲取原始AE信號，對采集到的原始信號濾波并進行小波分解，通過對各層高頻信號的分析獲取AE信號的頻域特征并對其進行重構(gòu)，對重構(gòu)后的信號波形進行分析，并進一步研究傳感器距幼蟲的距離變化及幼蟲數(shù)量的變化對AE信號特征的影響。

1 材料與方法

本研究以楊樹木段中麻點豹天牛幼蟲為研究對象，麻點豹天牛是楊樹等速生豐產(chǎn)林木的危險性害蟲。試驗所用帶有麻點豹天牛幼蟲楊樹木段取自云南省昆明市東北郊處的鳴鳳山林區(qū)。根據(jù)NI高速采集卡和Lab VIEW建立木材蠕變聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，其中使用的傳感器型號為SR 150 N，其帶寬22～220 kHz，同時配備了增益為40 dB的前置放大器，采樣頻率為500 kHz，信號的電壓幅值設(shè)置為(-5～5 V)。

使用木材蠕變聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)獲取楊樹木段中害蟲幼蟲的活動信號。首先，研究不同檢測位置的麻點豹天牛幼蟲幼蟲聲發(fā)射信號特征，取帶有麻點豹天牛幼蟲楊樹木段，楊樹木段的尺寸為長500 mm，直徑50 mm，將有蟲木段剖開，確認幼蟲的位置和幼蟲活性后再用細鋼絲固定住，在放置不同距離的傳感器之前都先確認幼蟲的位置，分別在距離幼蟲50、100、150、200 mm處放置AE傳感器，研究幼蟲AE信號的特征并比較它們之間的變化。

研究不同數(shù)量幼蟲的聲發(fā)射信號特征，在幼蟲與傳感器的位置距離50 mm時，研究楊樹木段內(nèi)帶有1、2、3只幼蟲時的AE信號的變化。將有麻點豹天牛幼蟲的楊樹木段帶回實驗室，拋開較小木段挑選出大小相似的幼蟲，截取長度300 mm，直徑50 mm的健康楊樹木段3段，分別編號為1、2、3，在編號1、2、3木段的一個截面分別鉆1、2、3個孔(直徑10 mm，深20 mm)，將挑選出的大小相似、活性相當(dāng)?shù)穆辄c豹天牛幼蟲分別放入每一個孔中，在每個孔口插入一小塊紗布，防止幼蟲從孔內(nèi)爬出，放在實驗室中，讓其充分蛀食12 h后備用。然后，連接設(shè)備建立木材蠕變聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，采集聲發(fā)射信號。

本試驗所要研究的AE信號是楊樹木段內(nèi)害蟲幼蟲活動產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，由于害蟲幼蟲活動產(chǎn)生的信號很弱，容易受周圍環(huán)境噪聲信號影響，所以本試驗先對采集的原始AE信號進行濾波降噪處理，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行多尺度細化，最終細化為低頻信號和高頻信號，其中高頻信號是細節(jié)信號[16]。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，本試驗選擇5層小波分解對AE信號進行分析研究。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 麻點豹天牛幼蟲AE信號特征

如圖1所示為楊樹木段內(nèi)含有麻點豹天牛幼蟲的條件下，傳感器距離幼蟲50 mm處時，采集到的幼蟲AE信號的原始波形與頻譜，由于害蟲幼蟲的活動聲音較弱，原始信號中會含有大量的噪聲信號，需要把采集的原始信號中的噪聲信號去除掉，所以先對原始信號進行濾波，然后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。本研究對此信號進行5層小波分解，分解后的時域信號如圖2所示，相應(yīng)的頻域信號如圖3所示。

圖1 50mm時幼蟲AE信號原始波形與頻譜

圖2 各層小波分解細節(jié)信號波形

圖3中第1層分解信號的頻率集中在143 kHz，結(jié)合圖2中第1層信號波形，可以看出信號中含有環(huán)境噪聲，因此可以認為該層信號為高頻噪聲信號。圖3中第4、5層分解信號的主頻率分別為20、13 kHz，均小于AE傳感器的下限頻率22 kHz，因此可認為這兩層分解信號為低頻噪聲信號。因此，采用第2、3層分解信號重構(gòu)有效的AE信號波形，重構(gòu)后的AE信號波形與頻譜如圖4所示。從圖4中可以看出AE信號主頻率為38 kHz。

圖3 各層小波分解細節(jié)信號的頻譜圖

圖4 50 mm時幼蟲AE信號重構(gòu)波形與頻譜

2.2 不同檢測距離時幼蟲AE信號的特征

在前面的研究基礎(chǔ)上，接著進行試驗，將傳感器距離幼蟲100 mm時，采集到的幼蟲AE信號的原始波形與頻譜如圖5所示，采用相同的方法進行小波分析和重構(gòu)，得到重構(gòu)后的AE信號波形與頻譜。從原始波形與頻譜圖中可以看出，當(dāng)傳感器距離幼蟲100 mm時，與傳感器距離幼蟲50 mm時相比，AE信號的幅值變小，信號持續(xù)時間變短，從重構(gòu)波形與頻譜圖中可以看到，幼蟲信號的主頻率基本不變。

圖5 100 mm時幼蟲AE信號原始及重構(gòu)波形與頻譜

為了驗證試驗的可靠性，又分別將傳感器距離幼蟲150、200 mm時，采集到幼蟲AE信號的原始波形與頻譜如圖6和圖7所示，采用相同的方法對原始AE信號進行小波分析和重構(gòu)，分別得到相應(yīng)的重構(gòu)信號波形與頻譜。當(dāng)傳感器距離幼蟲150 mm時，與傳感器距離幼蟲50、100 mm時相比，幼蟲AE信號的幅值又變小，并且變化較大，當(dāng)傳感器距離幼蟲200 mm時，AE信號的幅值更小，幾乎為零。然而，從重構(gòu)波形與頻譜圖中可以看出，幼蟲信號的主頻率基本不變。這說明當(dāng)傳感器距離幼蟲較近時，檢測效果會明顯提高，根據(jù)聲波能量衰減原理，傳感器距離聲源越近，聲波強度越大，檢測效果也就越好。這個距離的研究對以后戶外林木蛀干害蟲監(jiān)測位置的選擇具有參考作用。

圖6 150 mm時幼蟲AE信號原始及重構(gòu)波形與頻譜

圖7 200 mm時幼蟲AE信號原始及重構(gòu)波形與頻譜

2.3 不同數(shù)量時幼蟲AE信號的特征

根據(jù)前面的研究，當(dāng)傳感器距離幼蟲50 mm時，幼蟲AE信號比較明顯。如圖8所示是當(dāng)傳感器距離幼蟲50 mm，在截取3段相同尺寸的楊樹木段內(nèi)分別放入1、2、3頭麻點豹天牛幼蟲時采集到的幼蟲AE信號原始波形與頻譜，每個木段均采集10組AE信號作為重復(fù)，然后進行小波分解和重構(gòu)，得到相應(yīng)的重構(gòu)波形與頻譜。通過分析30組幼蟲AE信號，結(jié)果每個木段采集的10組幼蟲AE信號的波形與頻譜圖都相同，所以對于每個木段選擇1組AE信號的波形與頻譜圖進行分析。從原始波形圖中可以看出，不同數(shù)量幼蟲產(chǎn)生的聲音信號脈沖相似，隨著幼蟲數(shù)量的增加，幼蟲產(chǎn)生的AE信號脈沖個數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，信號幅值也逐漸增大，信號持續(xù)時間也呈增加趨勢。所以，可以根據(jù)害蟲幼蟲產(chǎn)生的AE信號脈沖個數(shù)及信號的幅值大小(信號強度)來初步判斷樹木被咬食的程度。

從重構(gòu)頻譜圖中可以看出不同數(shù)量麻點豹天牛幼蟲AE信號的峰值頻率基本不變，如表1所示，對不同幼蟲數(shù)量的3個木段采集的10組AE信號的主頻率進行統(tǒng)計，1、2、3頭幼蟲產(chǎn)生AE信號的主頻率為38 kHz的次數(shù)最多，不同數(shù)量的麻點豹天牛幼蟲AE信號的主頻率均為38 kHz。結(jié)果表明幼蟲數(shù)量的增加沒有對AE信號的頻域特征產(chǎn)生影響，這說明幼蟲AE信號的頻率與蟲孔數(shù)量沒有關(guān)系，這與祁驍杰[14]等的研究結(jié)果一致。

3 結(jié)論與討論

本研究基于木材蠕變聲發(fā)射采集系統(tǒng)獲取楊樹木段中麻點豹天牛幼蟲原始AE信號，對原始信號進行濾波降噪，再利用小波分析重構(gòu)有效的AE信號，進而研究幼蟲AE信號特征。當(dāng)傳感器距離幼蟲為50 mm時，通過研究重構(gòu)后AE信號的波形與頻譜，發(fā)現(xiàn)麻點豹天牛幼蟲AE信號的主頻率為38 kHz，接著將傳感器距離幼蟲100、150、200 mm放置，研究傳感器與幼蟲的距離變化對AE信號特征的影響，隨著檢測距離的增大，幼蟲AE信號明顯減弱(信號幅值變小)，幼蟲AE信號的主頻率沒有明顯變化。這說明當(dāng)傳感器距離幼蟲較近時，檢測效果會明顯提高，根據(jù)聲波能量衰減原理，傳感器距離聲源越近，聲波強度越大，檢測效果也就越好。這個距離的研究對以后野外林木蛀干害蟲監(jiān)測位置的選擇具有參考作用。

本文還研究了不同數(shù)量幼蟲對AE信號特征的影響，結(jié)果表明不同數(shù)量幼蟲產(chǎn)生的聲音信號脈沖相似，隨著幼蟲數(shù)量的增加，幼蟲產(chǎn)生的AE信號脈沖個數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，信號幅值也逐漸增大，信號持續(xù)時間也呈增加趨勢。這說明可以根據(jù)害蟲幼蟲產(chǎn)生的AE信號脈沖個數(shù)及信號的幅值大小(信號強度)來初步判斷樹木被咬食的程度。對不同幼蟲數(shù)量的幼蟲AE信號的主頻率進行統(tǒng)計，結(jié)果表明不同數(shù)量的麻點豹天牛幼蟲AE信號的主頻率均為38 kHz，幼蟲數(shù)量的增加沒有對AE信號的頻域特征產(chǎn)生影響。

本研究在實驗室條件下容易進行，室內(nèi)環(huán)境比較安靜，不易受到外界環(huán)境噪聲的干擾，但在野外對林木蛀干害蟲的監(jiān)測難度較大，野外環(huán)境中背景噪音較為復(fù)雜，害蟲幼蟲產(chǎn)生的聲音信號又很微弱，故很難檢測到幼蟲的AE信號。所以，在野外監(jiān)測中，如何消除背景噪音對蛀木害蟲AE信號的干擾有待進一步研究。在野外監(jiān)測時，位置的選擇也很重要，在一定范圍內(nèi)，測位點距離幼蟲越近，檢測到幼蟲信號越明顯，所以要多找?guī)讉€測位點進行比較，進而找到最佳檢測位置。本試驗在研究幼蟲數(shù)量對AE信號的影響時，每個木段中麻點豹天牛的數(shù)量是由人工接入的，這在一定程度上不符合害蟲幼蟲在木材中的自然分布規(guī)律，因此需要野外實際檢測以驗證幼蟲AE信號檢測的準確性。

目前使用聲發(fā)射技術(shù)研究木材蛀干害蟲還不多見，聲發(fā)射技術(shù)在蛀木害蟲檢測方面具有很大的前景，利用聲發(fā)射技術(shù)可以根據(jù)幼蟲聲發(fā)射信號特征確定木材蛀干害蟲的種類和數(shù)量，對蛀木害蟲聲發(fā)射源進行定位，確定其活動的位置，提高蛀木害蟲的防治效率，尤其對于名樹古木，能減少經(jīng)濟損失，更能降低稀有林木物種被蛀木害蟲蛀食的危險。