申珂楠，趙海龍，丁馨增，李 明

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

基于LabVIEW的木材聲發(fā)射信號采集與小波析取

申珂楠，趙海龍，丁馨增，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NI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)計了相應(yīng)的信號小波析取與處理平臺，實現(xiàn)多通道聲發(fā)射信號采集、分離、波形析取及頻譜分析等基本功能。最后通過木材試件聲發(fā)射試驗驗證了該系統(tǒng)的效用，并且通過對3種不同信號析取方法的比較，進(jìn)一步驗證小波分析的優(yōu)勢。作為一種通用的木材聲發(fā)射信號采集與處理平臺，該系統(tǒng)為木材聲發(fā)射信號研究提供了必要的基礎(chǔ)保障。

木材；木材聲發(fā)射信號波形；小波分析；LabVIEW

聲發(fā)射（Acoustic Emission, 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)變能當(dāng)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。自上世紀(jì)50年代“Kaiser效應(yīng)”被發(fā)現(xiàn)后，聲發(fā)射技術(shù)作為一種新的主動無損檢測模式被迅速應(yīng)用于壓力容器、巖石、金屬材料等領(lǐng)域[1-3]。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。

自上世紀(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。CHEN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問題[4]。Ando等[5]則利用聲發(fā)射技術(shù)研究了陳舊木材微觀破裂過程。謝力生等[6]根據(jù)聲發(fā)射計測值預(yù)測木材干燥開裂。鐘衛(wèi)洲等[7]通過分析云杉試件的靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗中的聲發(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。郭曉磊等建立了膠合板和貼面板在3點彎曲加載時的斷裂損傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)[8]。孫建平等[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。丁小康等[11]分析了木材薄切片在干燥過程中的聲發(fā)射信號特點。

然而，與金屬材料不同，木材是非常復(fù)雜的各向異性的非均勻復(fù)合材料，聲發(fā)射信號在木材中的傳播更為復(fù)雜。為此，目前在金屬和巖石中使用的參數(shù)化聲發(fā)射檢測方式只能在一定程度上定性反映木材內(nèi)部應(yīng)變的發(fā)生和發(fā)展過程，而且由于缺乏對聲發(fā)射信號在木材中的傳播規(guī)律的了解，檢測中的參數(shù)設(shè)置帶有隨意性和主觀性。事實上，聲發(fā)射波形是分析聲發(fā)射在木材中傳播規(guī)律的基本前提，也是制定檢測參數(shù)的基本依據(jù)，然而由于測量噪聲的存在，特別是聲發(fā)射信號在傳播過程中衰減明顯，從原始采集信號中無法直接獲得有用的聲發(fā)射信號波形。為此，本研究將采用聲發(fā)射傳感器和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在LabVIEW環(huán)境中建立木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，并采用小波分析方法從原始噪聲信號中析取聲發(fā)射信號波形，作為研究木材聲發(fā)射傳播規(guī)律及制定聲發(fā)射參數(shù)的基礎(chǔ)。

1 基于LabVIEW的木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)

1.1 木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)組成

為了滿足多點監(jiān)測的需求，本研究基于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算機(jī)中。圖1為3通道聲發(fā)射信號采集的實物聯(lián)接圖，當(dāng)然，根據(jù)實際檢測需要，該系統(tǒng)可以十分方便地增加或更換其他型號的聲發(fā)射傳感器。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料記載，木材聲發(fā)射信號頻率幾十千赫茲到幾百千赫茲不等，而本系統(tǒng)采集設(shè)計設(shè)備最高采集頻率為2 MHz，所以能夠滿足木材聲發(fā)射信號采集需求。

圖1 木材聲發(fā)射采集系統(tǒng)Fig. 1 Wood acoustic emission collection system

1.2 基于LabVIEW的木材聲發(fā)射信號小波析取平臺

木材聲發(fā)射信號是木材受力后主動釋放應(yīng)力所產(chǎn)生的彈性波，受木材內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)及環(huán)境噪聲影響，聲發(fā)射信號往往因為衰減顯著而“淹沒”在噪聲信號中，為了分析木材應(yīng)力應(yīng)變的動態(tài)發(fā)展過程，必須從含有噪聲的原始采集信號中析取出有用的聲發(fā)射信號。由于小波及小波包分析具有多分辨率的特點，可由粗至精逐步的觀察信號，不僅在時域而且在頻域都具有表征信號的局部特征能力，該方法已被廣泛應(yīng)用于信號分析、圖像處理、模式識別、故障診斷等諸多領(lǐng)域。在聲發(fā)射信號處理方面，小波及小波包分析主要用于金屬材料聲發(fā)射信號波形提取和識別[12-17]，而對于木材工業(yè)而言，該方法仍處于嘗試應(yīng)用階段，目前主要采用小波及小波包分析方法進(jìn)行離線信號處理[18-20]，究其原因，除了木材聲發(fā)射信號本身非常復(fù)雜外，主要受制于數(shù)據(jù)采集設(shè)備與軟件處理之間的實時數(shù)據(jù)交換不暢。

本研究基于NI的高速采集設(shè)備構(gòu)建了木材聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，而該設(shè)備和NI自身提供的LabVIEW軟件可以實現(xiàn)無縫聯(lián)接，所以本研究將依托LabVIEW軟件自身強(qiáng)大的控件功能，采用小波及小波包分析方法設(shè)計木材聲發(fā)射信號波形析取與分析應(yīng)用平臺，實現(xiàn)聲發(fā)射信號動態(tài)采集與分析，并且通過與等波紋低通濾波及帶窗傅立葉濾波2種方法比較，驗證小波分析的效果。為了便于敘述，本研究將LabVIEW程序后面板程序按照信號流程分為信號采集、信號分離及信號波形析取等3個子VI加以闡述。

圖2為數(shù)據(jù)采集子VI，該程序主要完成多通道信號采集，在對應(yīng)的前面板中，可以根據(jù)實際需要設(shè)定信號采樣速率、通道數(shù)等基本參數(shù)，以及信號存儲路徑及格式等。圖3是聲發(fā)射信號分離子VI，該程序?qū)⒂蓴?shù)據(jù)采集子VI中的混疊多通道信號按通道數(shù)加以分離。同時還可以通過設(shè)置偏置量實現(xiàn)信號片段提取。圖4為聲發(fā)射信號析取子VI，也是整個信號處理平臺的核心部分，為了便于比較，分別采用等紋低通濾波、帶窗傅立葉濾波及小波分析等3種方式進(jìn)行信號波形析取。在與該程序?qū)?yīng)的前面板中，不僅可以顯示經(jīng)過不同方法處理后的信號波形，同時還提供相應(yīng)波形的頻譜圖，與前面兩個VI類似，3種信號處理方法的參數(shù)均可以根據(jù)實際需要加以設(shè)置。最后，為了詳細(xì)說明小波分析方法的實現(xiàn)過程，重點給出了小波分析子VI（如圖5所示），小波基、閾值、降噪方式等相關(guān)參數(shù)可以直接在對應(yīng)控件中設(shè)置。

圖2 數(shù)據(jù)采集子VIFig. 2 Data collection VI

圖3 聲發(fā)射信號分離子VIFig. 3 Acoustic emission signal separation VI

圖4 聲發(fā)射信號析取子VIFig. 4 Acoustic emission signal extraction VI

圖5 小波分析子VIFig. 5 Wavelet analysis VI

由上述VI構(gòu)成的木材聲發(fā)射信號處理平臺，不僅完成了對多通道信號的采集與存儲，同時以圖形方式直觀地提供各通道的原始信號波形及處理后的信號波形，并且提供對應(yīng)時域信號的頻譜圖，從而為不同信號析取方法的比較與分析提供了必要的基礎(chǔ)。

2 木材聲發(fā)射信號采集與析取試驗

為了驗證本研究所構(gòu)建的聲發(fā)射信號采集與處理系統(tǒng)的效果，本研究采用自然風(fēng)干的云南松試件，通過外加聲發(fā)射源的方式，進(jìn)行木材聲發(fā)射信號采集與析取試驗。其中板材尺寸為116 mm × 400 mm；采用鉛芯折斷方式模擬聲發(fā)射信號；通過3個通道采集聲發(fā)射信號，各通道的采集電壓幅值設(shè)置為（-5 v，5 v）；信號采樣頻率為100 kHz。以模擬聲發(fā)射源為坐標(biāo)原點，3個聲發(fā)射傳感器的位置分別為（60，0）、（160，0）、（230，0），單位為mm，圖6是傳感器分布實物圖。

首先，來自3個傳感器的信號經(jīng)過3通道信號采集子VI處理后，形成一個混疊信號（如圖7最左側(cè)所示）。然后利用聲發(fā)射信號分離子VI將該混疊信號分離成3個獨立的信號（如圖7所示），其中自左到右依次為來自3個傳感器的原始采集信號，由于傳感器距離聲源位置不同，分離后的3個信號波形在幅值上存在差異，特別是距離聲源位置最遠(yuǎn)的3號傳感器，因信號衰減導(dǎo)致信號幅值明顯減弱，進(jìn)而受噪聲影響更加明顯。

圖7 混合及分離信號Fig. 7 Mixture and separation of signals

圖8列出了各通道信號經(jīng)過3種不同方法析取后的信號波形。圖（a）表明信號經(jīng)等紋低通濾波處理后，當(dāng)聲發(fā)射信號明顯強(qiáng)于噪聲時（圖（a）左側(cè)傳感器1和2的信號），該方法能夠保留聲發(fā)射信號特征，但是受幅值平滑處理影響，信號的幅值相對下降的同時，噪聲在一定程度上被放大。然而，當(dāng)聲發(fā)射信號與噪聲信號強(qiáng)度接近時（圖（a）最右側(cè)傳感器3的信號），該方法析取后的波形明顯失真。圖（b）顯示帶窗傅立葉濾波方法受平滑處理影響更為明顯，各通道析取后的信號波形均明顯失真。圖（c）則說明采用小波分析方法可以有效析取聲發(fā)射信號，特別在有用信號相對較弱的情況下（如傳感器3的采集信號），小波分析方法更是完整提取了聲發(fā)射信號。

為了分析信號組成及特征，圖9列出了小波分析后的各聲發(fā)射波形的頻譜圖。從圖中可以看出，試驗測得的聲發(fā)射信號頻率主要集中在30 KHz左右，但是受聲波在木材中的傳播路徑、反射、衍射、散射及木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，聲發(fā)射信號呈現(xiàn)一定的分散特征，尤其當(dāng)傳感器距離聲源較遠(yuǎn)時，這種影響非常明顯。另外，受信號衰減影響，從頻譜圖中可以明顯看出距離聲源越遠(yuǎn)，采集的聲發(fā)射信號能量越低。

圖8 不同方式處理后的信號波形Fig. 8 Signal waveform after treated with different ways

圖9 小波析取信號頻譜Fig. 9 Signal frequency spectrum of wavelet extraction

3 結(jié) 論

為了獲取有效的木材聲發(fā)射信號波形，本研究構(gòu)建了一種集信號采集、分離、析于一體的聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件主要由NI高速數(shù)據(jù)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。木材試件聲發(fā)射試驗表明，在采用小波分析方法時，該系統(tǒng)能夠有效析取聲發(fā)射信號，進(jìn)而為木材聲發(fā)射信號特征分析提供必要的基礎(chǔ)。但是，本研究僅僅通過外加人造聲源試驗驗證了系統(tǒng)的效用，未來將針對不同樹種的木材試件，通過施加外力的方式引起木材表面及內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，并采用本研究構(gòu)建的系統(tǒng)動態(tài)采集分析聲發(fā)射信號，進(jìn)而建立不同類型木材聲發(fā)射信號的特征參量，為木材應(yīng)力應(yīng)變分析提供新的途徑。

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Wood acoustic emission signal acquisition and wavelet extraction based on LabVIEW

SHEN Ke-nan, ZHAO Hai-long, DING Xin-zeng, LI Ming
(College of Machinery and Transportation, Southwest Forestry University, Kunming 653224, Yunnan, China)

In order to obtain wood acoustic emission signal waveform, A multi channel acoustic emission signal acquisition system was constructed based on NI high-speed data acquisition equipment. At the same time, a signal wavelet extraction and processing platform based on LabVIEW software was designed, which can be used to collect, separate, extract the acoustic emission signal, spectral analysis and other basic functions. Finally, the wood specimen acoustic emission tests were carried out to verify the effectiveness of the system. And through the comparisons among three different signal extract ways, the advantages of wavelet analysis method was verif i ed.As a universal platform for wood acoustic emission signal acquisition and processing, this system provides the necessary foundation for the processing of wood acoustic emission signal.

wood; wood acoustic emission signal acquisition; wavelet analysis; LabVIEW

S781.38

A

1673-923X(2015)04-0125-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.022

2014-07-28

國家自然科學(xué)基金資助項目（31100424）；云南省教育廳科學(xué)研究基金（2013J018）

申珂楠，碩士研究生 通訊作者：李 明，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師；E-mail：swfu_lm@swfu.edu.cn

申珂楠,趙海龍,丁馨增,等. 基于LabVIEW的木材聲發(fā)射信號采集與小波析取[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2015, 35(4):125-129.

[本文編校：文鳳鳴]