云南松活立木声发射信号传播衰减的规律

张钰，邓婷婷，李帅，张少春，何云佐

（西南林业大学，昆明 650224）

0 引言

近年来，蛀干害虫防治越来越成为森林保护的重要措施之一。幼虫检测是蛀干害虫防治的关键，幼虫蛀食将严重危害树木生长，轻则造成树木水分、养分运输受到一定程度的阻碍，重则导致树木枯萎死亡。但因蛀虫生活的隐蔽性，常规检测方法难以发现。若仅通过观测蛀孔排出物及枝干皮层形态来确定蛀干害虫的存在及类型则为时已晚，因为一旦出现蛀孔，就意味着蛀干害虫已接近成虫，不仅对树木造成比较严重的损伤，而且也大大增加了防治的难度。

根据云南森林现状，本实验采用云南松活立木为试材进行研究。按照声发射理论，树木发生损伤时将释放出声发射信号。而近年来，AE信号的检测技术已有一定发展。申珂楠等[1]以LabVIEW的多通道声发射采集平台为基础，用时差的三角形几何定理提出木材表面声发射信号源定位方法，并用折铅实验加以验证；邵卓平等[2]以针叶材和阔叶材为试材，研究了试材在弯曲破坏过程中材料内部微结构演化的声发射特性，并利用声发射特征参数对几种损伤类型进行辨识；朱晓东等[3]为实现木材振动信号的在线检测，利用LabVIEW软件搭建了木材振动信号采集与分析系统；豆春峰等[4]以具有麻点豹天牛幼虫的杨树木段为试材，通过对AE信号的滤波、分解、重构和信号解析，研究了麻点豹天牛幼虫AE信号的主频和其能量最高的时段；于帅帅等[5]使用NI高速数据采集设备搭建的多通道声发射信号采集平台，实现了多通道信号采集及从噪声中重构信号，并用云南松声发射实验验证了该平台的有效性；王明华等[6]以樟子松为试件，通过人为制造裂纹和AE源的方式，研究了木材表面裂纹对声发射信号传播特性的影响；孙建平等[7]利用声发射测试和力学实验相结合的方法，研究了阔叶材树种山杨在动态载荷下声发射演变过程；鞠双等[8]针对木材损伤断裂过程中声发射信号识别的问题，提出了一种基于瞬时频率的AE信号辨识方法；李晓崧等[9]为研究木材损伤过程中声发射信号源定位问题，提出了一种基于小波和信号相关性的木材表面AE源直线定位方法。

松墨天牛会破坏云南松内组织结构，危害云南松正常生长，严重则会导致云南松枯萎死亡。由于目前正处冬天，松墨天牛不处于幼虫期，无法对松墨天牛幼虫进行检测和相关研究，故本实验仅研究云南松活立木声发射信号的传播衰减特性，为后期检测并鉴别松墨天牛幼虫取食信号的实验做准备。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为云南松活立木，选用长度500 mm、直径40 mm的云南松活立木作为试验材料。实验一共分为两组，一组选用没有树结的活立木，为试件1；一组选用有树结的活立木，为试件2。对活立木进行处理，钻出5个长30 mm、宽25 mm、深5 mm的等间距规则凹面。首、末规则凹面和左右端面的距离为50 mm，相邻规则凹面中心间距100 mm。在有树结的活立木实验组中，树结的中心线位于距左端面300 mm处。

信号采集设备为基于NI USB-6336高速采集卡和LabVIEW软件搭建的多通道AE信号采集系统。现有研究表明木材的AE信号最大频率约为200 kHz，根据奈奎斯特采样定理，为了不失真地恢复模拟信号，采样频率fs和信号的最大频率fmax之间必须满足fs≥2fmax，故实验过程中，设置系统的采样频率为500 kHz。

1.2 方法

1.2.1 AE传感器的分布和人工AE信号的产生

图1 试件1试验装置图

在试件1和试件2上分别做50组折铅实验，即在图中试件左端第一个规则凹面（凹面中心距左端面50 mm处）以铅芯折断的方式产生人工AE源。在右侧4个规则凹面上等距分布4个AE传感器，AE传感器中轴线与规则凹面中轴线重合，4个AE传感器分别为S1、S2、S3、S4。为尽可能地减小试件边界对AE信号传播的影响，在活立木的中轴线上进行折铅及放置AE传感器。为尽可能高效地收集信号，将高温硅脂涂抹在AE传感器和规则凹面的接触面之间，并用宽橡皮筋固定AE传感器。实验操作参照美国ASTM-E976标准，用直径为0.5 mm的铅芯与试件规则凹面形成30°角放置，并在距接触点5 mm处折断，以尽可能保证多次试验产生的AE源的一致性。通过上述试验方法完成人工AE信号的产生和收集。

1.2.2 AE信号能量衰减率的计算

对采集、处理后的信号用MATLAB计算不同衰减距离的能量衰减率。衰减距离为S1到S2、S1到S3、S1到S4，能量衰减率分别为η12、η13、η14。

将每次折铅实验的信号，在LabVIEW内偏移、截取折铅发出的有效信号，每次截取20 000个数据量，利用MATLAB软件将每组20 000个数据分别平方求和，得到的4个AE传感器的数据平方和N1、N2、N3、N4。

信号从第z个AE传感器到第y个AE传感器的能量衰减率按如下公式进行计算：

2 结果与分析

2.1 原始AE信号的去噪处理

由于实验的AE信号是通过铅芯折断方式产生的人工AE信号，能量持续时间短，具有瞬时突发性。即上述采集到的原始AE信号，含有一些不能表征木材真实AE特性的噪声信号，利用MATLAB软件对采集到的4个AE传感器的信号进行去噪处理，分别滤除S1～S4中幅值小于AE传感器固有噪声最大幅值的信号，截取铅芯折断时40 ms的信号，以其中一组为例，其去噪前、去噪后的时域波形图如图3～图6所示。

图2 试件2试验装置图

图3 试件1试验去噪前时域波形图

图6 试件2试验去噪后时域波形图

图4 试件1试验去噪后时域波形图

图5 试件2试验去噪前时域波形图

由图3～图6可知，AE传感器S1～S4对信号进行采集、截取、去噪后，AE信号中的噪声信号被滤除，试件1和试件2处理后的信号在幅值上总体呈降低趋势，但峰值数据并未呈现明显的降低趋势，故应计算能量衰减率进行进一步的研究和分析。

2.2声发射（AE）信号在等距AE传感器间的能量衰减率

为研究云南松活立木声发射信号传播的衰减规律，对试件1、试件2进行了50组试验，并提取出AE信号进行处理，每一个试件的实验数据列举10组作为代表，按上述能量衰减率计算公式，计算整理获得数据如表1、表2所示。

表1 试件1信号传播能量衰减率 %

表2 试件2信号传播能量衰减率 %

表1、表2中,η12和η12′分别表示试件1和试件2信号从第1个AE传感器传递到第2个AE传感器的能量衰减率，η13和η13′分别表示试件1和试件2信号从第1个AE传感器传递到第3个AE传感器的能量衰减率，η14和η14′分别表示试件1和试件2信号从第1个AE传感器传递到第4个AE传感器的能量衰减率。根据实验数据计算得到不同衰减距离的能量衰减率，再计算每个衰减距离的能量衰减率的平均值。根据表1、表2可知，当衰减距离达到400 mm时，试件1和试件2的平均能量衰减率η14和η14′分别为99.96%和99.49%，AE信号几乎全部衰减。试件1、试件2的AE信号从S1传播到S2的平均能量衰减率η12和η12′分别为90.47%和91.13%，相差0.66%；从S1传播到S3的平均能量衰减率η13和η13′分别为98.27%和97.03%，相差1.24%。对比试件1、试件2上述两组平均能量衰减率的差值，分别为0.66%和1.24%，可知当AE信号在云南松活立木内传播过程中遇到树结时，能量衰减率会比未遇到树结略微增加，说明树结对AE信号的传播有轻微的阻碍作用。

3 结论与讨论

本文利用折铅实验，以铅芯折断的方式产生人工AE源，以此代替蛀干害虫取食云南松时发出的AE信号。试验分成两个实验组，无树结的试件1做对照组，有树结的试件2做实验组，通过对信号进行去噪和相关分析计算可知，AE信号的有效传播距离为300 mm，超过此范围后，AE信号基本全部衰减。且通过树结的AE信号能量衰减率略有升高，树结对AE信号在云南松活立木内的传播有轻微阻碍作用，云南松有众多分支和树结，树结对后期云南松蛀干害虫的监测不会产生明显的影响。本研究探索了AE信号在云南松活立木中的有效传播距离，以及树结对AE信号传播衰减的影响，为后期松墨天牛活虫检测提供了一定的参考。