木材表面聲發(fā)射信號源的三角形定位方法1)

申珂楠 丁馨曾 趙海龍 李明

(西南林業(yè)大學，昆明,653224)

木材表面聲發(fā)射信號源的三角形定位方法1)

申珂楠 丁馨曾 趙海龍 李明

(西南林業(yè)大學，昆明,653224)

為了確定木材表面聲發(fā)射源的發(fā)生位置，首先采用高速采集設備設計了基于LabVIEW的多通道聲發(fā)射信號采集平臺，并采用小波分析方法從原始聲發(fā)射信號中析取有用信號；然后根據(jù)信號傳播的時延差確定聲發(fā)射信號在木材表面的平均傳播速率；最后依據(jù)基于時差的三角形幾何定位原理，提出木材表面聲發(fā)射信號源定位方法，并通過鉛芯模擬聲發(fā)射源的測試試驗加以驗證。結果表明該方法能夠以較高的精度確定木材表面聲發(fā)射信號源位置。

木材表面；聲發(fā)射；三角形定位法

隨著環(huán)境保護意識的日益增強，木材作為一種可再生資源，具有較強的應用潛力和廣闊的應用前景。但是與其他固體材料相比，木材是一種具有彈塑性的各向異性生命體，在運輸和加工過程中特性變化非常復雜，甚至會因周圍溫濕度變化引起細胞內(nèi)水分遷移，導致內(nèi)部應力集中直至發(fā)生內(nèi)部開裂。這種因應力變化產(chǎn)生的木材塑性變形不僅會直接降低木材效用，甚至會導致相應機構失效，為此動態(tài)獲取木材應力應變狀態(tài)，是維持木材性能、預防失效的關鍵所在，然而，目前常規(guī)的檢測方法無法滿足動態(tài)監(jiān)測需求。

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是材料或結構受內(nèi)力或外力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波的形式釋放應變能的現(xiàn)象[1]。AE技術不僅可以動態(tài)監(jiān)測材料內(nèi)部及表面的應力變化，還可以通過聲發(fā)射源定位技術確定相應的發(fā)生位置。作為一種動態(tài)無損檢測方式，AE技術被廣泛應用于金屬、巖石及復合材料的缺陷與損傷監(jiān)測[2-3]。目前，受其他領域成功應用的啟發(fā)，AE技術被嘗試應用于木材應力及損傷動態(tài)監(jiān)測中[4-5]。

受木材自身結構的復雜性限制，目前主要通過借鑒其他領域的應用，采用某些聲發(fā)射信號特征參數(shù)定性反映應力變化[6-8]，但是這些參數(shù)閾值的設定缺乏必要的理論或?qū)嵺`依據(jù)。為此，一些研究通過小波等方法提取木材聲發(fā)射信號波形，并以此作為木材聲發(fā)射信號分析的依據(jù)[9]，在一定程度上提高了動態(tài)監(jiān)測的質(zhì)量。但是目前對木材聲發(fā)射現(xiàn)象的研究仍處于探索階段，特別是聲發(fā)射源定位方面的研究十分少見，其中一個主要原因是在聲發(fā)射源定位時通常需要知道聲發(fā)射信號的傳播速度，對于金屬等固體材料，可以視為各向同性材料，信號傳播速度確定較為容易；但是木材不僅各向異性，而且不同材質(zhì)在不同環(huán)境下的信號傳播速度存在顯著差異，所以較難確定。

為此，本研究將在基于LabVIEW的聲發(fā)射信號采集平臺上，通過小波處理的方式析取聲發(fā)射信號時域波形，進而采用計算波形第一峰時差的方法；通過大量實驗測算聲發(fā)射信號的平均傳播速度，以此作為聲發(fā)射源定位的依據(jù)，最后采用基于時差的三角定位方法，實現(xiàn)木材聲發(fā)射源定位。

1 聲發(fā)射源三角形定位基本原理

聲源的定位方法可分為兩大類，即區(qū)域定位法和點定位法(也稱為時差定位法)。區(qū)域定位方法對傳感器的安裝沒有特殊的要求，即不必按一定的陣列形式布置，聲源的位置表示為一區(qū)域，定位精度不高。點定位方法分為線定位和面定位，面定位又可分為三角形定位和矩形定位等。這些方法都是根據(jù)聲源信號到達同一陣列內(nèi)不同傳感器時所形成的一組時差，經(jīng)過幾何關系的計算確定聲源的位置[10]。

基于時間差的定位方式，具備成本較低、運算量較小、實時檢測性能好等特點。目前，基于時間差的聲發(fā)射源定位研究很多。Bhardwaj等提出基于最大似然估計的多聲道時延估計方法[11]。Ciampa和Meo提出了基于連續(xù)小波變換和頻域分析的方法來定位聲源，提高了定位精度[12]。Le等提出用短時互相關法來估計兩個傳感器接收到的聲發(fā)射信號之間的時間差[13]。Mohd提出了基于連續(xù)小波變換分析和模態(tài)定位分析的聲發(fā)射源定位方法，對核管道裂紋擴展進行監(jiān)測，并對檢測結果與傳統(tǒng)的定位方式相比較[14]。但這些研究多用于金屬材料或者巖土材料中，而對于木材聲發(fā)射源定位的研究內(nèi)容目前還比較罕見。

本研究將主要應用三角形定位方式對木材聲發(fā)射源進行源定位，這種方式相對于區(qū)域定位法可以有更高的定位精度，更好的定位效果，適合木材聲發(fā)射源定位。圖1為木材聲發(fā)射三角形定位陣列示意圖，按圖放置傳感器，并記下各傳感器坐標，設聲發(fā)射源和各個傳感器的距離分別為L1、L2、L3，聲源信號到達時間分別為t1、t2、t3。

圖1 木材聲發(fā)射源三角定位示意圖

同理可得到傳感器2與傳感器3的關系如下：

(1)

2 木材聲發(fā)射源三角形定位

因為木材內(nèi)部的結構復雜，聲發(fā)射波傳播過程中將有隨機誤差存在，因此本研究將通過多次測量求平均值的方式，得出在該種木材中的聲波傳播速度。之后利用多次斷鉛實驗，模擬聲發(fā)射源，并通過計算得出聲源所在位置。

2.1 木材聲發(fā)射信號采集與析取

以思茅松板材為研究對象，板材尺寸為(210 cm×32 cm)。采用鉛鋅折斷方式在不同位置產(chǎn)生聲發(fā)射信號。傳感器采用聲華SR150N型聲發(fā)射傳感器，該傳感器信號采集頻率范圍22～220 kHz。前置放大器采用PAI前置放大器，響應頻率為10 kHz～2 MHz，增益為40 dB。采用NI公司的DAQmx采集卡進行數(shù)據(jù)采集，并基于LabVIEW建立信號采集和處理平臺。木材聲發(fā)射源定位實驗平臺如圖2所示。

圖2 木材聲發(fā)射源定位實物圖

根據(jù)圖2中的實物進行定位實驗，首先運用小波分析對聲發(fā)射信號進行去噪處理，通過LabVIEW軟件測試出濾波后信號的到達時間，從而根據(jù)公式(1)所寫的三角定位方程，求得聲源所在位置。采用小波分析方式對信號進行濾波降噪處理。通過圖2的聲發(fā)射采集設備，實時記錄結構中的時域信號。在布置傳感器過程中為了計算方便，選擇點多為整數(shù)點，不影響定位效果。為了更好地使傳感器與木材相貼合，選用硅膠作為黏合劑，均勻涂抹在傳感器表面。三角定位采用3通道采集，布置3個傳感器，主要運用時差定位方式，用LabVIEW軟件結合NI采集設備實現(xiàn)對實驗中信號的采集、提取、分析工作。

圖3為LabVIEW采集、去噪、信號分析程序。分別完成對木材聲發(fā)射信號的信號采集工作，需要設定采樣物理通道。線定位采用兩通道，兩傳感器，三角定位采用3通道、3傳感器。設置采樣電壓(-5 V、+5 V)，采樣率500 kHz，有效信號頻率范圍為0～250 kHz，之后設定文件保存路徑。另一部分主要完成對聲發(fā)射信號的調(diào)用、提取、截取、小波包降噪、頻譜分析等工作。可實現(xiàn)多通道同時調(diào)用分析。

圖3 數(shù)據(jù)采集、提取、分析子程序

2.2 木材聲發(fā)射信號傳播速度測算

聲波在木材中的傳播過程受到木材種類和木材內(nèi)部結構的影響，即使同種木材在不同的區(qū)域內(nèi)聲波的傳遞速度也是不相同的。因此針對本研究的木材聲發(fā)射源定位，綜合實驗條件，聲速測量采用基于傳播時延差的測速方式。該方式是測定參考節(jié)點到達兩個接收節(jié)點的時間差，距離為參考節(jié)點到達兩個接收節(jié)點的距離差。避免了測量絕對時間值可能導致的誤差。

圖4 聲速測量傳感器布置

表1 聲速測量坐標與計算聲速結果

2.3 木材聲發(fā)射源定位

實驗采用在不同采樣點處進行鉛鋅折斷模擬木材聲發(fā)射信號，設置傳感器分布坐標分別為(0,0)、(0,20)、(120,20)。圖5所示為三角定位傳感器布置實物圖。信號發(fā)生點分別為(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)。分別對不同坐標信號采集，并對采集到信號進行處理，對3通道信號分別進行小波分析。之后對小波分析得到的信號進行頻譜測量，得到信號的頻譜圖。最后通過計算得出到達各個傳感器的時間。圖6為木材聲發(fā)射三角定位實驗中采集到的原始信號、小波濾波后信號，以及濾波后頻譜圖，選擇采用點為(20,20)?？梢钥闯鲂盘柕竭_各個傳感器時，都存在不同程度的量衰減情況，傳感器2距離采樣點最近，衰減較?。粋鞲衅?距離最遠，衰減程度最高。傳感器3采集到的信號由于最弱，與環(huán)境噪聲疊加后，已經(jīng)出現(xiàn)了部分失真，采用小波分析降噪后，可以較好地還原有用信號。該種木材斷鉛實驗聲發(fā)射信號的能量主要集中60～80 kHz附近，此外還有其他頻段信號。

圖5 三角定位傳感器布置實物圖

三角定位實驗中，3個傳感器的坐標分別為Q1(0,0)、Q2(0,20)、Q3(120,20)。三角定位計劃做6組試驗，信號發(fā)生點分別為(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)，并分別對每個位置進行3次實驗，統(tǒng)計每組實驗的均方誤差。公式為：

表2 定位實驗計算坐標位置結果與誤差

續(xù)(表2)

圖6 平面定位信號處理與分析圖

通過對以上測量與計算結果的分析，采用三角定位對木材聲發(fā)射源定位有較好的定位效果。然而受到木材本身內(nèi)部結構的影響，聲波傳遞中的散射衍射及衰減等，且在斷鉛過程中存在一定的人為誤差，比如無法保證每次斷鉛角度和斷鉛速度等。使得定位結果的偏差出現(xiàn)一種非規(guī)律性定位排列。但定位結果還是總體可以保證在2%以內(nèi)的。從信號的頻譜圖中看，聲發(fā)射信號在傳播過程中有較大的損失，每個信號在到達不同傳感器時，損耗都比較明顯。這是由于聲波在木材中傳播時，受到木材內(nèi)部結構影響較大，木材為非均勻介質(zhì)。此外頻譜并不是一個確定值，而是一種相對集中狀態(tài)，證明聲發(fā)射波在木材中的傳播并不是同一路徑，而是多路徑傳播的過程。另外頻譜圖呈現(xiàn)為一種集中狀，證明聲波在傳播過程中雖然存在衰減或者多路徑傳播，但其傳播速度是基本保持一致的。

3 結束語

分析了木材聲發(fā)射定位的常見定位方法，采用了三角定位方式進行聲源定位。采用基于LabVIEW的編程方式，實現(xiàn)對木材聲發(fā)射信號的采集與析取。在實驗過程中，對采集到的有效信號，運用小波分析的方式進行濾波去噪處理。可以看出，實驗對定位誤差控制在2%之內(nèi)，對誤差的分布情況進行比較后發(fā)現(xiàn)，木材的聲源定位存在更多的隨機誤差影響。同時得出三角定位的定位方式對木材聲發(fā)射信號定位比較精確，是一種適合于木材聲發(fā)射源定位的方法。這對于測量木材內(nèi)部的損傷以及斷裂定位具有參考價值。

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Acoustic Emission Signal Source Localization in Wood Surface with Triangle Positioning Method

Shen Kenan, Ding Xinzeng, Zhao Hailong, Li Ming(Southwest Forestry University, Kunming 653224, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：77-81,112.

In order to determine the position of wood surface acoustic emission source, we first designed the multi-channel acoustic emission signal acquisition system based on LabVIEW by using high speed acquisition equipment, and used wavelet analysis to extract the useful signal method for transmitting signals from the original sound. Then, according to the signal propagation time difference we determined the acoustic emission signal in the average propagation rate of wood surface. Finally, on the basis of geometric positioning time, we put forward the wood surface of acoustic source localization method, and verified it by the lead core test of acoustic emission source simulation.

Wood surface； Acoustic emission； Triangle positioning method

1) 國家自然科學基金項目(31100424);云南省教育廳科學研究基金(2013J018)。

申珂楠，男，1988年8月生，西南林業(yè)大學機械與交通學院，碩士研究生。E-mail：kekedear@126.com。

李明，西南林業(yè)大學機械與交通學院，副教授。E-mail：swfu_lm@swfu.edu.cn。

2014年9月28日。

TN911.7

責任編輯：戴芳天。