基于傅里叶变换的便携式木材质量检测仪设计与试验研究

仝缘圆， 高玉莹， 张 凝， 白 戈， 郭丰腾， 徐华东

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150086)

在自然环境中，木材容易受内外界因素的影响致使材质发生改变或损坏，从而产生不同程度的缺陷。其缺陷按成因可分为天然缺陷、生物危害缺陷、干燥及机械加工缺陷三类[1]。上述缺陷可使木材材质受到不同程度的影响，会降低木材等级甚至使木材失去使用价值。在木材生产中，需要对木材进行等级划分[2]，以保证物尽其用，而缺陷特征是划分等级的重要指标之一，因此，在制材前利用无损检测技术检测各种缺陷及其他性能指标，进而判断木材等级，对科学用材及合理选材有十分重要的意义。

近几年，各种无损检测技术已应用于木材内部缺陷的检测，并取得了非常好的效果，如X射线、激光、超声波、红外线、电磁波、应力波等，其中声波检测具备传播距离远、抗干扰能力强、设备轻巧便于携带等优势，在木材工业领域获得了较多研究成果及广泛应用[3]。基于声波检测的应力波技术是木材无损检测的重要手段之一，其原理是通过敲击木材，获取声波信号，当声波在介质中传播时，会在孔洞、裂纹等界面不连续处发生反射、折射和散射，声波频率将会出现不同的峰值[4]。对于木材的无损检测技术，国外有相对较成熟的软件，匈牙利FAKOPP木材检测设备厂家研发便携式木材评等仪(Portable Lumber Grader)应用范围较广[5]，精确性较高，是采用傅里叶分析软件(FAKOPP FFT analyzer)辅助，对声音信号分析收集到的声音试样，输出敲击时的共振频率，给出时域和频域波形并进行数据存盘。

本文利用纵向振动原理设计了一种原木质量检测仪，在不破坏木材的前提下对带缺陷的木材进行检测，然后利用时域分析、频域信号分析和木材密度计算木材的弹性模量，判断木材质量进而划分等级，并在计算机终端显示屏上实时显示出木材等级[6]，此装置安全性高、可靠性好、具有便携性，且应用前景广泛[7]。

1 总体设计

本文设计的原木质量检测仪由外部激励声波传输装置和木材声波信号测试系统两部分组成。轻轻按压试样中部以保持试样稳定，采用纵向共振法，用声波激励装置敲击试样一端使木材产生纵向振动，并在木材另一端放置声波接收装置以采集木材振动所产生的声波信号，处理后的信号将以时域图与频域图的形式显示在软件中。将木材样本的质量、长宽高、频率等基本参数输入系统，通过系统频谱图显示的木材试样最高共振频率确定木材的弹性模量，与数据库木材样本进行对比，输出所测试样木材等级，总体运行流程如图1所示。

图1 总体运行流程

根据GB/T 144-2013《原木检验》[8]及GB/T 155-2017《原木缺陷》[9]，各种缺陷的原木均有其对应允许限度，因此可按照原木标准的规定执行。实际工程中，评定原木等级时，有两种及两种以上缺陷的，应以等级最低的一种缺陷为准。等级划分标准见表1。

表1 等级划分标准

2 硬件设计

该木材质量检测仪硬件包括声波激励装置、声波接收装置、声音阻断器与连接装置。其中，声波激励装置是具有优质高碳钢材质的羊角锤，可提供足够激励使木材产生声波，具有重量轻、体积小、便于携带等优点；声波接收装置选用自动降噪心型指向蓝牙麦克风，其频响范围为60～20 kHz，包括木材频响范围。蓝牙可进行无线传输，具有便携、传输距离远、抗干扰能力强等优点。该装置的作用是将声信号转换为电信号并传输到计算机软件中，纤维式声音阻断器采用多层纤维结构隔音棉，可减少声波激励装置作用时基座共振对木材声波产生的影响；连接装置主要为胶带，导线等，如图2所示。

图2 硬件组成

3 软件设计

3.1 设计原理

当力作用于木材上时产生强迫振动，若产生振动的力一定，则木材的振幅取决于它的频率，在某一频率下此木材具有最大振幅，这个频率称为木材的共振频率和固有频率。通过测得试样的自由振动频率与自由振动的减幅程度，根据木材试件的振动特性与弹性模量之间的相关关系，得出试样的弹性模量[10]。

根据傅里叶变换FFT公式(1)计算试材的弹性模量。

(1)

式中：E为木材弹性模量，Pa；L为木材试样长度，m；f为木材试样固有频率，Hz；ρ为木材密度，kg/m3；n为振动的谐波次数。

3.2 软件开发

该原木质量检测仪的软件部分包括声音信号采集模块、基本参数输入、按键模块、数据库等级评定、液晶显示屏，如图3所示。声音信号采集模块包括录音按钮，时域分析图模块、频域分析图模块；基本参数输入包括长度、宽度、高度、重量；数据库包含不同树种每个等级木材的弹性模量数值范围，根据数据库中的数值范围进行等级评定。

图3 软件系统组成

原木质量检测仪是基于MATLAB的appdesigner模块，利用函数库中的analoginput()函数实现对声音信号的采集。整个信号采集过程采用While循环，能够循环采集声音信号，运用Tab标签组件，Axis坐标轴组件，Number数字组件构造用户界面，在对应的功能组件添加回调函数编写代码。木材声波信号测试系统采用傅里叶变换分析应用软件[11]，拾取受敲击后木材试件的振动信号进行瞬态频谱分析，用于计算被测木材弹性模量[12]。软件程序算法过程如图4所示。

图4 软件程序算法

3.3 软件测试

对软件进行功能测试，将木材样本的质量、长度等基本参数输入系统，将结果与数据库木材样本进行对比，输出测定原木等级。软件正常运行，测试结果合理，软件主界面如图5所示。

图5 软件主界面

4 实验验证

4.1 软件数值准确性验证

本文设计的木材质量检测仪可将收集到的声波信号利用FFT傅里叶模块进行分析，输出敲击木材试样时产生的共振频率。在实验室中随机选取一组种类、大小、质量不同的木材试件，将所获得的共振频率数值与FAKOPP研发便携式木材评等仪(Portable Lumber Grader)所得的共振频率数值进行比较，数值对比结果见表2，误差仅为0.68%，证明了原木质量检测仪对声波信号处理能力的准确性。

表2 数值对比

4.2 木材质量等级划分试验

木材质量检测仪可以用于现场检测、分辨、评估原木及板材的定级，同时还可以计算与测量木材的弹性模量。声波的传播距离远、传播的能量大，抗干扰能力强，不需要任何耦合剂和任何其他特殊条件。

由于相同木材等级的弹性模量数值在一定的数值范围内波动，首先对四个等级的标准木材进行测试，将每个等级木材的弹性模量数值输入软件中可建立杨木的弹性模量数值范围数据库。同理还可扩大数据库中的树种量，即可将杉木、松木、沙木、白橡木等不同种类的树木进行等级范围的划分。

4.2.1 等级弹性模量数值范围划分

试样为不同等级的杨木标准件，均为顺纹理方向，含水率为8%，如图6所示。

图6 部分试验样木

利用木材质量检测仪对不同等级杨木标准件进行弹性模量数值范围确定试验。首先按要求连接仪器，测量并记录木材的长度、宽度、高度和质量，将测得的长度、宽度、高度、质量和频率峰值输入基本参数输入模块；然后用相同的力度对远离麦克风端的木材端面进行敲击，为减少误差，对每个试件进行8～10次敲击，记录敲击时刻LED显示屏实时显示的时域分析图、频域分析图及图像的频率峰值，对共振频率取平均值；最后将输出的弹性模量数值记录到数据库中。得到的杨木弹性模量结果见表3。

表3 杨木的质量等级弹性模量数值范围

4.2.2 木材质量检测试验

实验室中，随机选取长度、质量不同的杨木10个，用阿拉伯数字进行编号。使用木材质量检测仪进行测量，利用已输入到系统中的杨木数据库，可直接输出所测木材的等级。同时参照上文所述的质量等级特点，对所测木材试样进行人工检测，结合各试样的节子、裂纹、孔洞等缺陷进行分析，所得试验结果见表4。

表4 随机选取木材等级输出结果

将软件等级输出结果与人工分析等级进行对比，通过计算可得软件等级输出结果的正确率为90%，较为精确。

4.3 试验结果分析

对于试样树种而言，所用木材样本节子、裂纹、孔洞等缺陷越多，计算出的弹性模量数值就越低。声波轴向传递所获取到的动弹性模量值与机械法的静弹性模量值有一定的正相关关系，因此数据库所选择数据范围合理，木材质量等级与数据库中设置的弹性模量范围相匹配，对于杨树树种而言实验结果合理。处理激励声波输出的木材共振频率与便携式木材评等仪(FAKOPP)对比所得到的误差仅为0.68‰，同时软件输出等级与人工检测质量等级结果进行对比计算得到的等级输出正确率为90%，进一步证明原木质量检测仪的等级输出结果具有较高的准确性。

5 结论

本文设计的便携式木材质量检测仪，将木材振动产生的声波数据传输到自主设计的应用软件中，通过一系列傅里叶变换将声波输出为可视化频谱图，并根据国家木材质量标准将木材相应等级输出，具有检测成本低、所需人力资源少、精确度高、便于携带等特点。通过以上设计过程，需要注意以下几点：

(1)利用傅里叶变换及频谱分析法克服了时域分析的不足，实现在能量等价条件下把信号变换到频域，确定在各频率上木材振动的能量与频率构成的分布。

(2)利用MATLAB软件采集声音信号可根据试验条件对属性参数进行修改，具有灵活性，测试不同的试验条件来获得最佳的试验效果，从中分析得到有效的特征量。

(3)结合匈牙利FAKOPP研发的便携式木材评等仪(Portable Lumber Grader)进行拟合对比实验，验证检测结果的误差在0.68‰以内，与人工检测质量等级结果对比等级输出正确率为90%，误差较小，符合实际使用情况，满足设计要求，可极大节省林场与木材加工厂对木材的等级分辨时间。