賴菲 王明華 肖灑 丁銳 羅蕊寒 鄧婷婷 李明

(西南林業(yè)大學(xué)，云南，650224)(安徽工程大學(xué))

聲發(fā)射(AE)技術(shù)，是根據(jù)材料在外加載荷作用下產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，判斷材料內(nèi)部損傷程度的動態(tài)無損檢測技術(shù)[1]。目前在木材科學(xué)領(lǐng)域，聲發(fā)射技術(shù)主要應(yīng)用于木材缺陷檢測[2]、載荷作用下的斷裂行為研究[3]、木材損傷定位[4]等方面。關(guān)于木材斷裂模式識別的相關(guān)研究中表明，高頻高振幅的聲發(fā)射信號是由于纖維斷裂產(chǎn)生的，高頻低幅值聲發(fā)射信號源于木材水分蒸發(fā)，而低頻低振幅的聲發(fā)射信號則是由基體裂紋或界面裂紋引起的[5-6]。細(xì)胞壁斷裂對應(yīng)的聲發(fā)射信號特征為高幅值、高能量，且持續(xù)時間長；而細(xì)胞壁界面損傷和壓潰損傷對應(yīng)的聲發(fā)射信號特征為低幅度、低能量，且持續(xù)時間短[7]?？v觀已有研究結(jié)果，多數(shù)集中于通過聲發(fā)射事件、聲發(fā)射能量等參數(shù)分析材料的損傷特性，在材料產(chǎn)生宏觀斷裂后，聲發(fā)射參數(shù)只能定性判斷木材損傷的程度；但有研究認(rèn)為，研究材料表面宏觀裂紋的演化特征，可以定量評估和實(shí)時監(jiān)測斷裂階段的損傷過程[8]。

木材裂紋是非線性和不規(guī)則的幾何形體，而圖像分形理論研究的是自然界中存在的無序混亂和不規(guī)則形態(tài)的事物，可以描述其整體與局部或不同尺度下的自相似性，揭示復(fù)雜事物背后的規(guī)律。分形維數(shù)是所有分形對象的主要特征之一，是實(shí)現(xiàn)斷裂表面定量分析的一種有效方法。已有研究表明，分形維數(shù)是研究各種物理現(xiàn)象的有力工具，可以反映巖石、混凝土、煤體、水泥、木材[9-12]的損傷演化程度。

為此，本研究將聲發(fā)射技術(shù)與圖像處理技術(shù)相結(jié)合，以氣干狀態(tài)的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)木材為試驗(yàn)材料，制備尺寸為(長×寬×厚)300 mm×20 mm×20 mm試驗(yàn)試件，應(yīng)用UTM5105型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)；利用聲發(fā)射采集平臺和圖像采集系統(tǒng)，實(shí)時采集樟子松木材在三點(diǎn)彎曲破壞過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號及裂紋演變圖像；依據(jù)原始聲發(fā)射波形統(tǒng)計聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量，并結(jié)合圖像分析試件在加載過程中的微觀損傷及其宏觀演化特征；依據(jù)圖像分形理論計算灰度圖像及二值化圖像盒計數(shù)維數(shù)，分析木材表面裂紋起裂和擴(kuò)展規(guī)律；綜合運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)和圖像分形理論，構(gòu)建樟子松木材裂紋演化特征的研究方法，既可以檢測到材料在受載前期內(nèi)部的微觀損傷，又可以檢測材料在產(chǎn)生宏觀裂紋后其表面裂紋的演化特性；旨在為研究木材損傷斷裂過程中裂紋演化行為的損傷機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選擇3根尺寸相同的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)木材作為試驗(yàn)材料，分別編號為ZZS-1、ZZS-2、ZZS-3，試件尺寸均為(長×寬×厚)300 mm×20 mm×20 mm，試件的密度分別為0.420、0.410、0.418 g/cm3，氣干狀態(tài)下平均含水率在12.8%左右。試件表面人工噴涂油漆，即用白色啞光漆噴涂試件正面，便于CCD相機(jī)采集裂紋圖像。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置由加載系統(tǒng)、聲發(fā)射(AE)信號采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成(見圖1)。采用UTM5105型電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，力學(xué)試驗(yàn)機(jī)壓頭正對試件中點(diǎn)，以垂直木材順紋理方向加載，加載速度為5 mm/min，跨距設(shè)置為200 mm。

(a)為實(shí)物圖；(b)為聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)。

利用NIUSB-6366高速采集卡和LabVIEW軟件，搭建2通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，同步采集聲發(fā)射信號；其中，聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)由計算機(jī)、傳感器、信號分離器、數(shù)據(jù)采集卡、信號傳輸器、前端放大器組成；傳感器為SR 150 N單端諧振聲發(fā)射傳感器，前置放大器增益為40 dB、帶寬22～220 kHz；根據(jù)香農(nóng)采樣定理，設(shè)置每個通道的采樣頻率為500 kHz，輸出電壓范圍設(shè)置為(-5 V，5 V)。2個聲發(fā)射傳感器分別位于距試件中點(diǎn)50 mm的左右兩側(cè)，為了保證傳感器與試件充分耦合，在試件與傳感器之間涂上真空絕緣硅脂，以減少空氣介質(zhì)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，并利用橡皮筋將傳感器固定在試件表面。

利用UC30工業(yè)相機(jī)(CCD相機(jī))采集試件正面受載的實(shí)時圖像。相機(jī)的鏡頭長度為2.8～12.0 mm，分辨率為1920×1080@60FPS；CCD相機(jī)安裝于三腳架上，放置于試件正前方70 mm處，采集頻率設(shè)為1幀/s。同時啟動萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、CCD相機(jī)、聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程的力值數(shù)據(jù)、圖像、聲發(fā)射信號同步采集；當(dāng)載荷快速下降時停止加載，同時停止聲發(fā)射采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。

1.3 木材圖像的盒計數(shù)維數(shù)計算方法

分形維數(shù)是對圖像自相似性的一種度量，裂紋圖像的分形維數(shù)在一定程度上反映了裂紋擴(kuò)展的不確定性。盡管計算圖像分形維數(shù)的方法有很多，盒計數(shù)方法作為意義明確且操作簡單的一種分形維數(shù)計算方法，仍被廣泛用于計算圖像的分形維數(shù)，由此得到的分形維數(shù)也稱為盒計數(shù)維數(shù)。

設(shè)A是Rn空間的任意非空子集，對于任意的1個r>0，Nr(A)表示用來覆蓋A所需邊長為r的n維立方體的最小數(shù)目。如果存在1個數(shù)d，使得當(dāng)r→0時有Nr(A)∝1/rd，稱d為A的盒計數(shù)維數(shù)。當(dāng)且僅當(dāng)存在1個正數(shù)k，使得limr[Nr(A)/(1/rd)]=k(式中r→0)。由于上述方程的兩邊都為正數(shù)，因此可以對方程兩邊取對數(shù)，得limr[logNr(A)+dlogr]=logk、d=limr{[logk-logNr(A)]/logr}=limr[logNr(A)/logr]，式中r→0。

在實(shí)際計算中，可以根據(jù)需要使用一些邊長為r的n維立方體(盒子)，計算出不同r值的盒子覆蓋A的個數(shù)Nr(A)，然后在以-logr為橫坐標(biāo)、以logNr(A)為縱坐標(biāo)的雙對數(shù)坐標(biāo)系中描出點(diǎn)(-logri，logNri(A))，最后利用最小二乘法擬合這些分布點(diǎn)的斜率便可以估計出集合A的盒維數(shù)。

1.4 木材聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量計算方法

在進(jìn)行聲發(fā)射計數(shù)之前，依據(jù)未加載時采集的信號，確定信號的時域閾值為40 dB。而聲發(fā)射計數(shù)統(tǒng)計的是單位時間內(nèi)聲發(fā)射信號超過給定閾值的電信號數(shù)量。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)中，3組試件得到的數(shù)據(jù)在宏觀統(tǒng)計特性上具有較高的相似性，因此本研究以試件ZZS-2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。試驗(yàn)中2個聲發(fā)射傳感器相對試件中部對稱布置，經(jīng)初步分析，2個傳感器檢測到的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)在大小上雖有差異，但在表征木材損傷演變特征時具有較高的統(tǒng)一性，為避免長篇累牘，本研究取傳感器S1檢測到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分析討論。

2.1 木材聲發(fā)射參數(shù)分析

本研究選取聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量，分析樟子松木材三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中載荷、聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量隨時間的變化(見圖2、圖3)。結(jié)合載荷、聲發(fā)射參數(shù)隨時間的變化，并借鑒文獻(xiàn)[14]，可將木材的損傷過程大致分為線性階段、非線性階段、斷裂階段3個階段。

圖2 木材聲發(fā)射(AE)計數(shù)-時間-載荷曲線

線性加載階段，根據(jù)CCD采集的實(shí)時圖像可知，木材下沿的彎曲變形量極小，肉眼幾乎無法分辨木材下沿是否彎曲，而此時載荷曲線仍保持線性；由此可以推測木材主要發(fā)生微觀線性形變，此時產(chǎn)生的聲發(fā)射信號幅值、能量極為微弱，遠(yuǎn)低于設(shè)置的聲發(fā)射計數(shù)閾值(40 dB)，這也是圖2、圖3中線性階段聲發(fā)射計數(shù)及聲發(fā)射能量始終為0的原因。

圖3 木材聲發(fā)射(AE)能量-時間-載荷曲線

由圖2、圖3可見：進(jìn)入非線性變形階段后，隨著載荷的持續(xù)作用，聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線均出現(xiàn)小振幅振蕩現(xiàn)象，說明木材內(nèi)部逐漸出現(xiàn)不可逆的微觀損傷，且聲發(fā)射計數(shù)比聲發(fā)射能量的突變更為顯著。根據(jù)已有研究[6，14]可知，該階段前期，由于木材抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度的差異，導(dǎo)致了中性層出現(xiàn)偏移，從而出現(xiàn)少量的聲發(fā)射現(xiàn)象；隨著載荷持續(xù)作用，受拉的木質(zhì)纖維素分子鏈之間剪切滑行加劇，而使胞間或胞壁層間出現(xiàn)微裂隙，從而出現(xiàn)較為豐富的聲發(fā)射現(xiàn)象。尤其是圖2、圖3中的P點(diǎn)，對應(yīng)的聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量在局部區(qū)間均達(dá)到1個較高的水平；說明前期不可逆的損傷積累，在該時刻達(dá)到了木材局部區(qū)域的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致了微觀損傷的形成。因此，P點(diǎn)可以認(rèn)為是木材內(nèi)部微觀損傷的起裂點(diǎn)。

當(dāng)加載到極限載荷，試件達(dá)到臨界狀態(tài)時，極其微小的擾動也會影響整個系統(tǒng)，形成“雪崩式”突發(fā)性失穩(wěn)[15]。所以當(dāng)載荷達(dá)到試件所能承載的載荷極限，繼續(xù)加載后便導(dǎo)致了試件的突然破壞，發(fā)生顯著的斷裂現(xiàn)象；由圖2可見：載荷“斷崖式”下降，標(biāo)志著木材由非線性變形過渡宏觀斷裂階段。由圖2、圖3可見：試件出現(xiàn)突發(fā)性失穩(wěn)斷裂后，材料出現(xiàn)應(yīng)力波的集中釋放現(xiàn)象，相應(yīng)的聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量首次出現(xiàn)了高梯度突發(fā)性增長，形成局部峰值(見圖2、圖3中的a點(diǎn))。根據(jù)實(shí)時采集的圖像可知，該時刻試件表面開始出現(xiàn)了宏觀裂紋；因此，從聲發(fā)射角度看，這種高梯度突發(fā)性變化，可以作為試件失穩(wěn)破壞和宏觀裂紋產(chǎn)生的判斷依據(jù)(即可以認(rèn)為a點(diǎn)是宏觀損傷的起裂點(diǎn))。

由圖2、圖3可見：進(jìn)入宏觀斷裂階段后，試件失去了對高載荷的承受能力，但由于木材的多胞及纖維增強(qiáng)的多層胞壁結(jié)構(gòu)而具有很強(qiáng)的抗斷裂韌性，起裂后還具有一定抵抗載荷破壞的能力；因此，隨著載荷的繼續(xù)作用，載荷-時間曲線呈“階梯式”下降。該階段隨著載荷的繼續(xù)作用，原有裂紋發(fā)生緩慢穩(wěn)定擴(kuò)展，產(chǎn)生了豐富的聲發(fā)射現(xiàn)象。特別是每一次的宏觀損傷加劇，載荷出現(xiàn)明顯的“斷崖式”下降，積聚的能量達(dá)到較高水平并以瞬態(tài)彈性波的形式向外釋放，聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線再次出現(xiàn)顯著突增現(xiàn)象，形成局部峰值(見圖2、圖3中的b、c、d點(diǎn))。借鑒文獻(xiàn)[16]，并結(jié)合本研究結(jié)果，宏觀斷裂階段，聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線的突發(fā)性增長，可以作為試件宏觀損傷顯著性加劇的表征。

2.2 木材裂紋圖像分形維數(shù)的演化特征

根據(jù)圖2、圖3分析，通過聲發(fā)射特征可以有效明確試件在宏觀破壞發(fā)生之前的結(jié)構(gòu)健康情況，實(shí)現(xiàn)損傷的定性評價；但是試件發(fā)生宏觀損傷后，這種定性評價對于試件的損傷機(jī)制及演化規(guī)律研究，表征意義不夠明確。圖2、圖3中，聲發(fā)射計數(shù)、聲發(fā)射能量的突變幅度與構(gòu)件能否繼續(xù)作為工程承載結(jié)構(gòu)無直接聯(lián)系；a點(diǎn)位置，試件失去了既定載荷抵抗能力，構(gòu)件已經(jīng)不適用于工程承載場合；但是應(yīng)變能釋放強(qiáng)度最高的b點(diǎn)，僅僅表征了損傷加劇。而木材的各向異性導(dǎo)致木材斷裂裂紋具有非常強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，體現(xiàn)了非線性特征，具有明顯的分形規(guī)律，通過斷裂表面的分形特征可以實(shí)現(xiàn)材料表觀形貌的定量表征[11]，為此，本研究進(jìn)一步利用裂紋動態(tài)演化過程中的分形特征，分析試件的宏觀斷裂特性。以ZZS-2試件的圖像為例，分別利用灰度處理和二值化處理進(jìn)行圖像預(yù)處理，并用盒維數(shù)法求解其分形維數(shù)(見圖4)。

圖4 木材裂紋圖像分形維數(shù)-時間-載荷曲線

由圖4可見：當(dāng)處于線性和非線性階段時，試件只有擠壓變形，試件的灰度圖分形維數(shù)與二值圖分形維數(shù)約為1.83。當(dāng)試件出現(xiàn)“雪崩式”突發(fā)性失穩(wěn)時，試件表面宏觀裂紋萌生，兩種圖像分形維數(shù)都出現(xiàn)顯著性增長。到斷裂階段，兩種圖像分形維數(shù)都增長到2.2左右，盡管出現(xiàn)小幅度的波動振蕩，但是整體上呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。相比之下，二值圖像分形維數(shù)曲線整體上表現(xiàn)出更為明顯的振蕩；而灰度圖像分形維數(shù)曲線表現(xiàn)較為平滑，整體具有較高的穩(wěn)定性，更符合裂紋增長趨勢的變化。

圖5中(a)～(g)為對應(yīng)圖4中K1～K7時刻的裂紋擴(kuò)展及灰度圖像分形維數(shù)情況。

圖5(a)為試驗(yàn)20 s時試件受載的圖像，此時木材處于線性階段，試件下沿?zé)o明顯彎曲變形，對應(yīng)的灰度圖像分形維數(shù)是1.823。

圖5(b)為對應(yīng)圖4中K2時刻，木材處于非線性階段，觀察其受載圖像發(fā)現(xiàn)，木材下沿有輕微彎曲但無裂紋，分形維數(shù)為1.836。

圖5(c)為試驗(yàn)83 s時試件受載的圖像，屬于非線性變形和宏觀斷裂的臨界狀態(tài)，試件在載荷作用下發(fā)生變形，試件表面無肉眼可辨識的裂紋產(chǎn)生；根據(jù)聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線變化可知，該階段試件內(nèi)部已存在微觀損傷，對應(yīng)表面灰度圖像分形維數(shù)是1.842。

圖5(d)對應(yīng)圖4中K4時刻(84 s)，試件在極限載荷的作用下發(fā)生突發(fā)性失穩(wěn)，內(nèi)部微觀損傷進(jìn)一步擴(kuò)展，在試件表面孕育萌生了1條沿試件厚度方向演變的不規(guī)則宏觀主裂紋，且圖像分形維數(shù)直線上升至2.036，說明裂紋與分形維數(shù)相關(guān)聯(lián)。

圖5(e)對應(yīng)圖4中K5時刻(85 s)，試件進(jìn)入了宏觀裂紋損傷擴(kuò)展階段，試件表面宏觀主裂紋的存在進(jìn)一步降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，使得試件在較低應(yīng)力水平下發(fā)生裂紋尖端擴(kuò)展。與84 s相比較，此時試件表面的宏觀裂紋更清晰可見，除了原有沿試件厚度延伸的主裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展外，還形成了1條沿試件軸向演變的新裂紋，此時圖像分形維數(shù)進(jìn)一步增加至2.072。分析85～92 s的圖像可知，在宏觀裂紋萌生以后，隨著載荷作用，裂紋的擴(kuò)展表現(xiàn)為孔洞間隙不斷積累擴(kuò)大[17]，且無新裂紋的產(chǎn)生。

圖5(f)為試驗(yàn)93 s的裂紋圖像，與K5時刻相比，此時的裂紋僅僅出現(xiàn)間隙擴(kuò)大現(xiàn)象，并未出現(xiàn)任何新的裂紋成核擴(kuò)展，對應(yīng)的灰度圖像分形維數(shù)為2.116。

圖5(g)為試驗(yàn)94 s的裂紋圖像，此時的裂紋以在原來裂紋基礎(chǔ)上產(chǎn)生了新裂紋連接各個裂紋孔洞，其灰度圖像的分形維數(shù)為2.194。

由此可得：裂紋從無到有再到擴(kuò)展，裂紋圖像分形維數(shù)在增加。分析剩下的95～157 s的裂紋圖像發(fā)現(xiàn)，宏觀裂紋的擴(kuò)展規(guī)律為：裂紋瞬間萌生以后，其向前擴(kuò)展是間斷進(jìn)行的，先表現(xiàn)為孔洞間隙的積累擴(kuò)大，當(dāng)裂紋間隙擴(kuò)大到一定程度，在某個瞬間又產(chǎn)生連通的新裂紋，以此反復(fù)地交替進(jìn)行裂紋的擴(kuò)展，對應(yīng)的分形維數(shù)小幅波動。

根據(jù)上述的分析可知，試件在進(jìn)入宏觀斷裂損傷后，試件的斷裂特征與表面裂紋的分形特征之間存在良好的對應(yīng)表征作用。對比3組試驗(yàn)中兩種圖像的分形維數(shù)(見表1)，結(jié)果表明：用兩種圖像處理方式處理試件圖像后計算得到的分形維數(shù)總體趨勢一致，在線性和非線性階段都基本持平在同一水平線；到斷裂階段，分形維數(shù)都上升至2.2～2.3，且兩種不同的圖像計算的分形維數(shù)的階段性均值誤差在0.1范圍內(nèi)。說明不管使用試件灰度圖像或者是試件的二值圖像的分形維數(shù)，都可以作為木材三點(diǎn)彎曲損傷斷裂特征的表征，展示其宏觀斷裂裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律。

(a)～(g)為對應(yīng)圖4中K1～K7時刻的裂紋擴(kuò)展及灰度圖像分形維數(shù)；D為木材裂紋圖像分形維數(shù)；t為試驗(yàn)時間。

表1 木材裂紋灰度圖像與二值圖像分形維數(shù)

3 結(jié)論

對木材損傷過程的聲發(fā)射信號進(jìn)行處理分析，進(jìn)入非線性變形階段后，隨著載荷的持續(xù)作用，聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線均出現(xiàn)小振幅振蕩現(xiàn)象，說明木材內(nèi)部逐漸出現(xiàn)不可逆的微觀損傷。宏觀斷裂階段，聲發(fā)射計數(shù)曲線、聲發(fā)射能量曲線的突發(fā)性增長，說明試件宏觀損傷顯著性加劇。

通過分析試件損傷斷裂過程中圖像的盒計數(shù)維數(shù)，在線性和非線性階段，圖像分形維數(shù)基本保持在同一水平；到試件斷裂產(chǎn)生宏觀裂紋，圖像分形維數(shù)立即上升，且隨著裂紋間斷性擴(kuò)展規(guī)律而變化，總體呈上升趨勢。

結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)和圖像分形，能綜合反映木材內(nèi)部的損傷演化過程以及木材表面裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律，可實(shí)時監(jiān)測木構(gòu)件損傷斷裂過程中裂紋的發(fā)展。