應(yīng)用小波分析法對馬尾松膠合木表面聲發(fā)射信號特征檢測1)

鞠雙 李新慈 羅廷芳 李明

(西南林業(yè)大學，昆明，650224)

膠合木在荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)直接決定了構(gòu)件的安全性，聲發(fā)射檢測(AET)作為一種主動式的無損檢測方法，為膠合木材料動態(tài)應(yīng)力和損傷檢測提供了有效的途徑。AET在金屬和巖石材料的損傷探測中已有較為廣泛的應(yīng)用，但是AET在木質(zhì)材料上的應(yīng)用仍處于初始的探索階段。Reiterer等通過比較研究發(fā)現(xiàn)，軟木開裂過程會產(chǎn)生更多的AE事件[1]。Ando等研究發(fā)現(xiàn)，老木材比新木材發(fā)出的AE信號更多[2]。Chen等研究發(fā)現(xiàn)，最大荷載之前的AE活動意味著木材開始產(chǎn)生微觀裂紋[3]。Lamy等經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，AE信號的特征參數(shù)是反映木材開裂發(fā)生和發(fā)展的有效信息，同時AE信號源定位方法可以標定木材損傷過程中的斷裂過程區(qū)[4]。Brunner和Ritschel等研究表明，AE信號能夠檢測到內(nèi)部早期損傷，而且膠合板層積材的AE事件數(shù)比實木的少，但強度更大；同時AE事件累計呈指數(shù)增長，而實木試件的AE事件累計呈線性關(guān)系增長[5-6]。

近年來，孫建平等研究指出AE事件累計數(shù)的增加速率能夠區(qū)分木材受力條件下的不同狀態(tài)，同時利用AE事件參數(shù)還能夠預測材料開始斷裂進入危險期和大量纖維斷裂進入嚴重危險期的兩個“臨界點”[7-9]。邵卓平等研究木材三點彎曲破壞過程的AE特性發(fā)現(xiàn)，試件加載初期會產(chǎn)生一些較低振幅的AE信號，而大量高振幅的AE信號則出現(xiàn)在峰值載荷附近及韌性斷裂階段[10]。郭曉磊等研究表明，AE事件的特征參量可以有效表征木基復合材料內(nèi)部損傷演化過程[11]。丁小康等研究指出，木材干燥開裂形變出現(xiàn)時會發(fā)出大量高幅值、高能量的連續(xù)AE信號[12]。

以上AET均采用基于AE事件參數(shù)的分析方法，然而木材是多孔性的各向異性材料，AE信號在不同方向上的特征和傳播規(guī)律存在明顯差異，而且受測量噪聲影響，有效的AE信號很容易“淹沒”在原始檢測信號中，所以僅依據(jù)信號幅值大小很難真實反映AE事件的發(fā)生。為了從原始信號中析取木材AE信號波形，徐峰等采用基于中值濾波和奇異解分解相聯(lián)合的降噪方法，提取了膠合板損傷過程中發(fā)出的AE信號[13-14]。申柯楠等采用小波分析的方法重構(gòu)了云南松實木損傷斷裂過程的AE信號波形，并利用三角形定位方法確定AE源位置[15-17]。于帥帥等基于小波分析方法研究了云南松表面AE信號波形特征[18]。

目前針對膠合木AE信號波形的研究還不多見，為此，筆者將以馬尾松膠合木為對象，通過鉛芯折斷的方式在試件表面產(chǎn)生人工AE源，在對原始檢測信號進行小波多分辨分析的基礎(chǔ)上，重構(gòu)沿膠合木試件表面順紋和橫紋兩個方向的AE信號波形；并且根據(jù)時差定位的原理，進一步研究AE信號在兩個方向上的傳播速率。

1 材料與方法

試驗材料來自國內(nèi)某木材企業(yè)生產(chǎn)的馬尾松(PinusmassonianaLamb.)膠合木板，該膠合木板由小尺寸馬尾松鋸材，通過EPI(水性高分子異氰酸酯)膠黏劑順紋拼接而成，實驗試件尺寸為500 mm(長)×500 mm(寬)×15 mm(厚)?；贜I USB-6366高速采集卡和Lab VIEW軟件自行搭建4通道AE信號采集系統(tǒng)，其中傳感器為SR 150N單端諧振AE傳感器，帶寬22～220 kHz，前置放大器增益為40 dB。現(xiàn)有相關(guān)研究表明木材AE信號主要分布在50～200 kHz范圍內(nèi)，所以根據(jù)香農(nóng)采樣定理，每個通道的采樣頻率設(shè)置為500 kHz，信號的電壓范圍為(-5～5 V)，本實驗的硬件組成如圖1所示。

圖1 AE信號采集系統(tǒng)硬件組成

本試驗主要研究AE信號沿膠合木表面的順紋和橫紋方向的傳播規(guī)律。試驗中采用鉛芯折斷的方式產(chǎn)生人工聲發(fā)射源，具體做法是將一根0.5 mm的鉛筆芯與試件表面成30°角放置，在距離接觸點25 mm處折斷(如圖2所示)。

圖2 試驗示意圖

為了計算AE信號在試件表面的傳播速率，采用時差定位方法，首先將兩個AE傳感器按固定距離(Δs)放置，然后在信號波形分析的基礎(chǔ)上，計算AE信號到達兩個傳感器的時差(Δt)，最后計算AE信號的傳播速率v=Δs/Δt。設(shè)定Δs為300 mm，傳感器布置如圖2所示，圖中順紋方向的兩個AE傳感器分別用Sa1和Sa2表示，橫紋方向用Sp1和Sp2表示。

受信號采集與傳輸過程的噪聲信號影響，試驗獲得的原始AE信號混有大量噪聲，為此本試驗采用小波分析的方法從原始信號中重構(gòu)有效的AE信號波形。在本試驗中，相對于噪聲信號而言，AE信號是通過鉛芯折斷方式人為加入的，所以有效的AE信號應(yīng)該體現(xiàn)在小波分解的高頻細節(jié)部分。為了提高小波分析的頻域局部化能力，本試驗選定具有較高消失矩階數(shù)的daubechies小波(db10)作為小波基函數(shù)。

小波分析的過程就是將信號逐層分解為低頻和高頻部分，其中高頻部分是細節(jié)信號。本試驗的信號采樣頻率為500 kHz，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，理論上可以辨識0～250 kHz范圍內(nèi)的AE信號，又根據(jù)小波多分辨率分析原理，從第一層開始，每層小波分解的細節(jié)信號(高頻部分)的范圍依次為：(125、250 kHz)、(62.5、125 kHz)、(31.25、62.5 kHz)、(15.625、31.25 kHz)、(7.8125、15.625 kHz)、…。由于試驗選用的SR 150N聲發(fā)射傳感器的帶寬為22～220 kHz，因此，本試驗選擇5層小波分解就能夠覆蓋AE信號所有可能的頻率變化范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠合木表面順紋方向AE信號特征

順紋方向的兩個AE傳感器Sa1和Sa2采集的原始信號波形如圖3所示，為了表述方便，各自的信號波形直接記為Sa1和Sa2。從時域波形可以較為清晰地看出AE信號發(fā)生和衰減的整個變化過程，并且Sa1的信號幅值明顯大于Sa2的信號幅值。這是因為傳感器Sa1距離AE源位置更近，相應(yīng)的AE信號能量更高。從圖中可以看出信號能量主要集中在10kHz以內(nèi)，這些主要是噪聲信號，因為AE信號是通過鉛芯折斷方式人為加入的，而且信號持續(xù)時間很短，所以在原始信號的頻譜圖中很難得到反映。

圖3 順紋方向AE信號原始波形與頻譜

總之，AE信號幅值較大，在時域波形中能夠直觀分辨出AE事件，但是由于AE信號持續(xù)時間短暫，所以在頻率分析時無法直接辨識出來。為此，本試驗采用小波分析的方法從原始信號中重構(gòu)AE信號，信號Sa1和Sa2的5層小波分解信號分別如圖4所示，相應(yīng)的頻譜圖如圖5所示。

圖4 順紋方向各層小波分解細節(jié)信號波形

圖5顯示第1層分解信號的頻率分別集中在133、160 kHz附近，結(jié)合圖4所示的第1層信號波形，特別在Sa2中信號幅值極小，因此可以認為該信號為高頻噪聲信號；圖5中第4和第5層分解信號的頻率均小于AE傳感器下限頻率22 kHz，因此該部分分解信號可視為低頻噪聲。這樣，AE信號波形可以由第2和第3層分解信號重構(gòu)，重構(gòu)后的AE信號波形如圖6所示。雖然從圖5的第2層信號頻譜圖中可以看出AE信號頻率分布在66～115 kHz范圍內(nèi)，但是圖4顯示該部分信號的幅值小且持續(xù)時間短暫，所以圖6顯示的AE信號主要集中在40 kHz附近。

圖6 順紋方向AE信號重構(gòu)波形與頻譜

2.2 膠合木表面橫紋方向AE信號特征

橫紋方向的兩個AE傳感器Sp1和Sp2采集的原始信號波形如圖7所示，同樣為了表述方便，各自的信號波形直接記為Sp1和Sp2。與順紋方向不同，從距離AE信號源較近的傳感器采集的信號Sp1中能夠明顯看出AE事件的發(fā)生，但是在較遠處的Sp2信號中AE信號已經(jīng)“淹沒”在噪聲中，從時域波形中已經(jīng)不容易分辨出AE事件，說明AE信號在橫紋方向的衰減比順紋方向的更快。此外，與順紋方向的原始信號相似，Sp1和Sp2兩個信號的能量以15 kHz以內(nèi)的噪聲信號為主(如圖7所示)。

圖7 橫紋方向AE信號原始波形與頻譜

信號Sp1和Sp2的5層小波分解的高頻信號如圖8所示，相應(yīng)的頻譜圖如圖9所示。與順紋方向AE信號的分析相似，第1層分解信號可以視為高頻噪聲，第4和第5層分解信號視為低頻噪聲信號，因此通過第2和第3層分解信號重構(gòu)橫紋方向的AE信號波形，重構(gòu)后的AE信號波形和頻譜圖如圖10所示?？梢钥闯觯瑱M紋方向上AE信號的頻率主要集中在35 kHz左右。

圖8 橫紋方向各層小波分解細節(jié)信號波形

圖9 橫紋方向各層小波分解細節(jié)信號的頻譜圖

圖10 橫紋方向AE信號重構(gòu)波形與頻譜

2.3 膠合木表面順紋和橫紋方向AE傳播速率

為了測定AE信號在膠合木表面兩個方向上的傳播速度，采用簡單的時差定位方法，首先采用信號相關(guān)分析方法確定傳播時差(Δt)?；ハ嚓P(guān)函數(shù)主要描述兩個信號的相似程度，信號x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)定義為：

(1)

根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的定義可知，若τ=τ0時，互相關(guān)函數(shù)的絕對值|Rxy(τ0)|取最大值，則意味著信號y(t)沿時間軸平移τ0個單位后，與信號x(t)最相似。為此，通過互相關(guān)函數(shù)可以間接確定AE信號在兩個傳感器之間的傳播時差。為了最大限度地減小試驗隨機性影響，本試驗在順紋和橫紋兩個方向上分別做了10次獨立試驗，相應(yīng)的計算結(jié)果見表1。

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)，可以計算出AE信號沿順紋方向傳播的平均速度為1 046.8 m/s，沿橫紋方向的平均速度為356.0 m/s，順紋的傳播速度是橫紋的3倍左右。根據(jù)木材的傳聲特性，在密度一定時，順紋傳聲速度(va)與橫紋傳聲速度(vc)滿足以下關(guān)系。

(2)

式中：Ea和Ec分別時順紋和橫紋方向上的彈性模量，通常松木的Ea/Ec的值為10左右，所以順紋和橫紋的傳聲速度比大約為3.2。本試驗結(jié)果基本符合理論規(guī)律，但是由于AE信號在膠合木中的傳播不僅受木材本身的影響，還受到同為高分子聚合物的EPI膠層的影響，因此與實木的AE信號傳播規(guī)律仍存在差異。

表1 AE信號傳播速率

3 結(jié)論與討論

突發(fā)的AE信號雖然可能引起信號幅值的明顯增加，然而由于AE信號持續(xù)時間短暫，受測量噪聲影響，在檢測信號中所占比重通常很小，所以僅憑對傳感器采集的原始信號的頻譜分析，尚不能獲得AE信號的頻域特征，需要借助信號處理的方法將實際AE信號從原始信號中重構(gòu)出來。本研究驗證了小波分析能夠較好地實現(xiàn)AE信號重構(gòu)。

由于木材是一種多孔的復雜的各向異性材料，AE信號在傳播過程中不僅能量衰減顯著，而且信號頻率也會發(fā)生變化，AE信號的組成不是單一的。特別在橫紋方向上傳播時，由于穿過的膠層數(shù)目增加，膠層還會對AE信號的特征和傳播規(guī)律產(chǎn)生明顯影響。

AE信號在膠合木表面沿順紋和橫紋方向的傳播過程基本符合木材的聲學特性，即沿順紋方向傳播的速率高于橫紋方向，但是由于受膠層的影響，相應(yīng)的傳播速率的比值還與實木中的理論值存在一定偏差。

本試驗是對膠合木AE信號特征與傳播規(guī)律的初步探索研究，雖然總結(jié)了一些AE信號的相關(guān)規(guī)律，但是對膠合木AE信號特征及傳播規(guī)律的全面了解還需要進一步深入研究，特別是AE信號在膠層中的傳播特性是未來研究的關(guān)鍵。此外，AE信號在膠合木內(nèi)部的傳播特性也是重要的研究方向之一。