木材損傷斷裂過程聲發(fā)射信號小波析取

申珂楠，趙海龍，丁馨曾，李 明

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 653224)

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木材損傷斷裂過程聲發(fā)射信號小波析取

申珂楠，趙海龍，丁馨曾，李 明

(西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 653224)

為了獲取木材聲發(fā)射信號波形，采用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)建了一種多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，同時，基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號小波包分析與處理系統(tǒng)。通過三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)實(shí)際測量多種木材試樣損傷與斷裂信號，最后，針對不同種類信號的頻譜特性得出木材在損傷斷裂過程中的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對木材損傷斷裂過程的在線監(jiān)控。研究結(jié)果表明：三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)過程中信號呈現(xiàn)3種形態(tài)，可根據(jù)不同形態(tài)信號分析得出木材具體損傷斷裂過程的階段。

木材；聲發(fā)射；LabVIEW；信號分析

0 引言

聲發(fā)射(AE)是指當(dāng)材料受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時，以瞬態(tài)彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射。聲發(fā)射信號以主動方式動態(tài)反應(yīng)材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的產(chǎn)生和發(fā)展?fàn)顩r。木材作為唯一可再生天然材料，一直以來都受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而，由于木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受環(huán)境影響明顯，在加工處理過程中，極易受內(nèi)力或外力影響產(chǎn)生形變及開裂，進(jìn)而導(dǎo)致物理性能下降。雖然木材表面的應(yīng)變可以通過常規(guī)應(yīng)變片方式檢測，但是這些常規(guī)檢測手段無法實(shí)時監(jiān)測木材內(nèi)部形變與開裂。無論木材表面還是內(nèi)部發(fā)生變形或開裂時，都會產(chǎn)生相應(yīng)的聲發(fā)射信號，所以聲發(fā)射技術(shù)成為極具潛力的木材動態(tài)損傷檢測方法。通過AE技術(shù)對波形信號析取處理，可以分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的細(xì)觀變化、材料變形、變形擴(kuò)大以及完全變形或斷裂的宏觀變化。聲發(fā)射技術(shù)以實(shí)時監(jiān)測損傷過程為特點(diǎn)，能夠在線監(jiān)測裂紋的萌生和擴(kuò)展過程，是一種有效地檢查動態(tài)缺陷的無損檢測方法。

自20世紀(jì)80年代以來，聲發(fā)射技術(shù)就被用來檢測木材加工、干燥、加載等情況下的應(yīng)變狀況[1-3]。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測在靜態(tài)疲勞扭轉(zhuǎn)載荷下硬木材和軟木材的失效過程，得出木材失效的變化過程。文獻(xiàn)[5]利用聲發(fā)射技術(shù)研究了陳舊木材微觀破裂過程。文獻(xiàn)[6]根據(jù)聲發(fā)射計(jì)測值預(yù)測木材干燥開裂。文獻(xiàn)[7]通過分析云杉試件的靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)中的聲發(fā)射信號特征，繪制云杉試件在不同應(yīng)變率下的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。文獻(xiàn)[8]建立了膠合板和貼面板在三點(diǎn)彎曲加載時的斷裂損傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[9-10]采用參數(shù)分析方法研究山楊在動態(tài)載荷下的聲發(fā)射信號演變過程。文獻(xiàn)[11]分析了木材薄切片在干燥過程中的聲發(fā)射信號特點(diǎn)。

木材損傷與斷裂的過程中包含有豐富的聲發(fā)射信號，可以反映木材內(nèi)部應(yīng)力變化以及內(nèi)部損傷情況。目前，對于木材損傷與斷裂的研究多數(shù)都在參數(shù)分析的層面。本文以云南常見板材滇楊為研究對象，利用聲發(fā)射信號采集與分析系統(tǒng)對三點(diǎn)彎曲載荷作用下的破壞過程進(jìn)行在線監(jiān)測，利用波形分析法與頻譜分析法，研究木材在損傷與破壞過程中的聲發(fā)射信號與損傷斷裂之間的關(guān)系特性。

1 木材損傷與斷裂試驗(yàn)

1.1 測試對象與試驗(yàn)方式

試驗(yàn)選用產(chǎn)于云南本地的常見成材樹種滇楊，試驗(yàn)前將試樣制成尺寸為300 mm×20 mm×20 mm的試件，試件基本均勻，含水率約10%，兩種材質(zhì)類型的試件分別制作30塊。三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成，采用三點(diǎn)彎曲對試件進(jìn)行橫向加壓，加載速度為10 mm/min，每次加載將數(shù)據(jù)清零，加載力從0 N開始計(jì)算，加載試驗(yàn)中跨距為240 mm。為了滿足多點(diǎn)監(jiān)測的需求，本文基于NI高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建了一套多通道聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)最多可以同時采集8通道信號，最高采集頻率可達(dá)2 MHz。整個聲發(fā)射信號采集平臺主要由傳感放大、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲3個部分組成，其中，傳感放大部分采用聲華SR150N型聲發(fā)射傳感器及相應(yīng)的PAI前置放大器，該傳感器信號采集頻率范圍為22～220 kHz；數(shù)據(jù)采集部分由獨(dú)立的NI USB-6366型8通道高速信號采集設(shè)備承擔(dān)；聲發(fā)射信號通過對應(yīng)的基于LabVIEW的軟件平臺存儲在計(jì)算機(jī)中。試驗(yàn)時，為保證傳感器與試件充分耦合，在試件與傳感器上涂硅膠作為耦合劑，使采集信號更為準(zhǔn)確。

該系統(tǒng)可對木材進(jìn)行三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)。對木材進(jìn)行均勻加載，使木材由內(nèi)部損傷到最終斷裂完整實(shí)現(xiàn)。另外，采集系統(tǒng)可以實(shí)時在線采集木材在加載過程中受到應(yīng)力后的損傷變化過程，將完整的損傷與斷裂過程記錄下來，便于后續(xù)處理。

1.2 基于LabVIEW的聲發(fā)射采集系統(tǒng)

由于木材聲發(fā)射信號的頻率范圍較廣，使用傳感器有效諧振頻率為22～220 kHz，因此，使用采樣頻率為500 kHz，每秒記錄50萬個數(shù)據(jù)，滿足傳感器的最大采樣工作需求，有效的信號為220 kHz，滿足對木材聲發(fā)射信號的采集需求。

采集系統(tǒng)主要由LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，木材聲發(fā)射采集程序圖如圖1所示。該程序需要設(shè)置信號采集的采樣率、采樣通道數(shù)以及采樣的正負(fù)電壓值。本次試驗(yàn)中，設(shè)定的采集電壓為±5 V。選擇通道為單通道采集。

圖1 木材聲發(fā)射采集程序圖

試驗(yàn)中，由于木材受載斷裂的過程持續(xù)較長，數(shù)據(jù)量較大，因此設(shè)計(jì)了一種用來調(diào)用實(shí)際輸出的程序，來實(shí)現(xiàn)對某一段時間內(nèi)聲發(fā)射信號的讀取與分析工作，程序如圖2所示。通過程序設(shè)置可以利用窗口調(diào)用某一時間段內(nèi)的信號，對信號進(jìn)行放大處理。從而更清晰地觀察各個采集到的信號，并可實(shí)現(xiàn)對信號的頻譜分析。

圖2 聲發(fā)射信號析取子圖

2 采集數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 木材受力過程的變化分析

振幅是聲發(fā)射信號波形的最大峰值幅度，通常用分貝(dB)表示。就力學(xué)觀點(diǎn)而言，可以用幅值大小表示聲發(fā)射信號的能量，主要用于評價(jià)聲發(fā)射信號的活動性大小。木材聲發(fā)射信號的時域圖反應(yīng)了木材在受力過程中隨著時間的變化幅值產(chǎn)生的改變量的大小，可以通過讀取時域圖來實(shí)現(xiàn)對聲發(fā)射信號改變過程的分析。

圖3 完整木材斷裂信號時域圖

由木材彎曲過程中AE信號的完整時域圖(見圖3)可以看出：木材聲發(fā)射信號在加載初期，信號微弱，有大量的信號產(chǎn)生，包括小范圍的突發(fā)信號和一些較短的持續(xù)性信號。加載到30 s附近時，出現(xiàn)一系列逐漸增強(qiáng)性質(zhì)的信號，最強(qiáng)信號的幅值達(dá)到2.77 V，當(dāng)繼續(xù)加載后，逐漸增強(qiáng)性質(zhì)的信號消失，繼續(xù)產(chǎn)生如開始階段的信號，信號能量較弱，幅值較低，當(dāng)加載至115 s附近時，出現(xiàn)大量大振幅信號，并持續(xù)較長時間。

為了將產(chǎn)生的信號觀察的更清楚，分別在多個時間窗口內(nèi)對信號進(jìn)行放大，進(jìn)行了二次觀察，信號析取周期為10 s或15 s，共取出4個具有代表性的時間段的信號進(jìn)行觀察，如圖4所示。

圖4 分窗口截取信號時域圖

圖4分別對應(yīng)了不同的截取時間段，圖4a為開始加載后的第10～20 s，圖4b為第20～30 s，圖4c為第30～40 s，圖4d為第110～125 s。

在木材加載初期(見圖4a)，聲發(fā)射信號微弱，信號能量較低，信號的幅值不超過0.2 V，信號產(chǎn)生數(shù)量相對較少，此時由于木材內(nèi)部具有孔和間隙，木材內(nèi)部應(yīng)力并未集中。隨著加載時間的持續(xù) (見圖4b)，聲發(fā)射信號開始出現(xiàn)一些較強(qiáng)信號，信號幅值可達(dá)到1.0 V，信號數(shù)量也逐漸增加，內(nèi)部受力效果明顯集中，因而開始釋放較強(qiáng)烈的信號。當(dāng)加載時間到達(dá)時(見圖4c)，木材內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋，并且隨著加載時間的推移，裂紋在不斷擴(kuò)展，信號的強(qiáng)度也隨著裂紋的擴(kuò)展逐步增加。在內(nèi)部發(fā)生斷裂之后，聲發(fā)射信號又呈現(xiàn)一種較低的能量狀態(tài)。產(chǎn)生信號的情形與開始的情形(見圖4a)相近，其持續(xù)時間更長(55～110 s)。最后，木材的外部在持續(xù)受力作用下產(chǎn)生斷裂(見圖4d)，釋放出大量能量，并持續(xù)一段時間，證明在斷裂過程中不是某一點(diǎn)的斷裂，而是外部內(nèi)部多區(qū)域同時斷裂。

根據(jù)完整的和窗口內(nèi)的時域圖來看，整個木材的損傷與斷裂過程持續(xù)時間較長，持續(xù)時間根據(jù)不同種木材有所區(qū)別，該木材斷裂發(fā)生于110～125 s。而在整個試驗(yàn)過程中，木材損傷與斷裂的過程產(chǎn)生的聲發(fā)射信號數(shù)量眾多，且種類也各不相同，所反映出木材的特性也各不相同，有噪聲信號、木材內(nèi)部應(yīng)力集中信號、木材內(nèi)部斷裂信號以及木材斷裂信號，該系統(tǒng)完整地監(jiān)控了木材試樣由損傷到斷裂的完整過程。

2.2 不同階段產(chǎn)生的不同種類信號的析取

在實(shí)際采集中，信號存在有大量的噪聲，如何區(qū)分真實(shí)的木材損傷信號與噪聲信號是研究的一個重點(diǎn)問題，本文提出一種基于LabVIEW的小波包分析降噪與信號頻譜分析方法。小波分析具有低頻段較好的處理效果，但是對于高頻段并沒有進(jìn)行處理，由于木材聲發(fā)射信號本身集中在高頻當(dāng)中，極其容易將有用信號濾掉，導(dǎo)致無法反映原始信號的有用特性，因此，本文采用小波包方式對信號進(jìn)行處理。

為了分析木材的損傷及斷裂過程，本文分別對不同階段產(chǎn)生的信號進(jìn)行了析取，如圖5所示。圖5中，第1類信號為加載初期的低振幅小能量信號，第2類信號為加載中期木材內(nèi)部斷裂以及損傷信號，第3類信號為木材最終斷裂時產(chǎn)生的信號。每個信號都進(jìn)行了3層小波包分析方式去噪，之后分析了去噪后的信號頻譜，對應(yīng)于圖5中的頻譜分析圖。

圖5 木材受力過程中采集的信號及調(diào)理后頻譜

對信號處理結(jié)果進(jìn)行分析可得：起始階段信號(見圖5a)較為微弱，幅值較低，經(jīng)過小波包分析后，可以清晰地觀察出信號特征(見圖5b)。通過頻譜分析(見圖5c)發(fā)現(xiàn)：該信號能量集中在100～180 kHz。在木材受載過程中，一直伴隨有大量的微弱聲發(fā)射信號，該信號為局部受力導(dǎo)致內(nèi)部形變發(fā)出的信號；隨著加載時間的增加而基本呈現(xiàn)遞增狀態(tài)，這類信號會出現(xiàn)在整個木材受力過程當(dāng)中。第2類信號(見圖5d和圖5e)出現(xiàn)在木材受力持續(xù)一段時間之后，該類信號的幅值相對于第1類信號幅值較高，能量較大，這是由于當(dāng)木材收到的外力與內(nèi)部力無法進(jìn)行調(diào)節(jié)時，內(nèi)部產(chǎn)生裂紋損傷以及形變而產(chǎn)生的信號。從頻譜圖(見圖5f)中可以看出:由于木材聲發(fā)射傳播過程中包含多路徑，出現(xiàn)了多種頻譜集中現(xiàn)象，其能量集中在100～150 kHz，較開始的內(nèi)部受力信號頻率較低。第3類信號(見圖5g和圖5h)出現(xiàn)于木材外部、內(nèi)部受力集中乃至斷裂的過程中，這類信號出現(xiàn)時木材內(nèi)部以及外表都已產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)的過程在整個試驗(yàn)的結(jié)尾，出現(xiàn)數(shù)量非常多，表明木材在破壞的過程中不是某一點(diǎn)或者某一區(qū)域的破壞，而是釋放出大量能量的整體性破壞。從頻譜圖(見圖5i)中可看出：這類信號的產(chǎn)生過程有更低頻率范圍，主要集中在100 kHz附近。

將多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，得出木材聲發(fā)射信號損傷時產(chǎn)生信號所在頻率范圍為100～200 kHz。而木材斷裂信號產(chǎn)生時頻率范圍為65～120 kHz。本次試驗(yàn)為木材的無損檢測和木材損傷程度的測試提供了一定依據(jù)，當(dāng)木材中大量出現(xiàn)聲發(fā)射信號時，證明木材內(nèi)部出現(xiàn)大量內(nèi)力集中點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)如測試2(見圖5d和圖5e)信號時，證明木材內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)裂紋。當(dāng)大量出現(xiàn)與信號3(見圖5g和圖5h)類似的信號時，木材將有整體破壞的可能。

3 結(jié)論

為了獲取有效的提取木材損傷與斷裂過程中的信號與信號的波形，本文建立了一種木材三點(diǎn)彎矩試驗(yàn)與采集分析系統(tǒng)相結(jié)合的析取平臺。該平臺由軟硬件兩部分構(gòu)成。硬件部分由三思萬能試驗(yàn)設(shè)備及NI采集設(shè)備構(gòu)成。軟件部分開發(fā)則是基于通用的LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在木材損傷與斷裂的過程中，包含有大量的聲發(fā)射信號。本次試驗(yàn)中，檢測出信號共包括3類：第1類信號屬于突發(fā)性的信號，出現(xiàn)在木材受力損傷斷裂的整個過程中，該類信號的頻率范圍為100～180 kHz；第2類信號為木材內(nèi)部損傷斷裂信號，出現(xiàn)在木材加載受力一定時間之后，該類信號的頻率范圍為100～150 kHz；第3類信號為木材斷裂信號，該類信號的頻率為100 kHz左右。本次試驗(yàn)結(jié)果表明：木材聲發(fā)射損傷信號所在的范圍為100～200 kHz，而斷裂過程信號范圍在65～120 kHz。根據(jù)以上3類信號間的特性差異，可以為研究木材損傷及木材的斷裂過程提供支持。然而，本文僅通過對云南常見樹種滇楊的試件進(jìn)行試驗(yàn)，在未來的研究過程中可針對不同樹種的木材試件以及不同含水率、不同碳化程度的木材進(jìn)行試驗(yàn)。

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31100424);云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2013J018)

申珂楠(1988-),男,河南洛陽人,碩士生;李 明(1977-),男,通信作者,江蘇鹽城人,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c算法.

2014-09-29

1672-6871(2015)03-0033-05

TN911.72

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