植物莖桿中聲發(fā)射信號(hào)特征分析

李玲玲 范緯世 李敬瑜

【摘 要】聲發(fā)射彈性波能反映出材料或零部件的性質(zhì)，因此采用檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的方法，可以判斷材料或零部件的某種狀態(tài)。本文介紹植物莖稈中聲發(fā)射信號(hào)的概率分布和特征分析。

【關(guān)鍵詞】聲發(fā)射信號(hào);信號(hào)檢測(cè);參數(shù)分析

1 引言

植物在水分脅迫狀態(tài)下，導(dǎo)管內(nèi)的應(yīng)力變化會(huì)使導(dǎo)管壁產(chǎn)生彈性波脈沖。脈沖的形狀取決于發(fā)射源和介質(zhì)的聲學(xué)特性。一般而言，聲發(fā)射源的空間位置對(duì)聲發(fā)射的空間分布的影響比信號(hào)形狀對(duì)時(shí)間關(guān)系的影響要大。利用電聲相似原理，可以把聲發(fā)射源看成是階躍電壓，而把介質(zhì)看成負(fù)載。

2? 聲發(fā)射信號(hào)的概率分布

采用聲發(fā)射技術(shù)的目的就是通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的檢測(cè)和分析來(lái)判斷介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。介質(zhì)的聲發(fā)射性能同時(shí)受到多種因素的影響，如：外力作用、介質(zhì)自身的結(jié)構(gòu)性能、變形方式、人為干擾、測(cè)試方法和測(cè)試手段等。聲發(fā)射特性是材料所受力學(xué)過(guò)程的結(jié)果，又是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部表現(xiàn)。因此，聲發(fā)射信號(hào)可以視為包含介質(zhì)特性的力學(xué)過(guò)程、變形過(guò)程、測(cè)試過(guò)程等諸多因素的信息載體。聲發(fā)射事件包含有過(guò)程和狀態(tài)兩個(gè)概念。聲發(fā)射過(guò)程是介質(zhì)內(nèi)部由于不均勻的應(yīng)力分布所導(dǎo)致的由不穩(wěn)定的高能態(tài)向穩(wěn)定的低能態(tài)過(guò)渡的一種松弛過(guò)程。介質(zhì)的聲發(fā)射過(guò)程表明介質(zhì)在給定的外界條件下，從初始狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)轉(zhuǎn)移和狀態(tài)變化;介質(zhì)的聲發(fā)射過(guò)程是由一系列狀態(tài)組成的，研究介質(zhì)的聲發(fā)射變化特征，不僅要研究其狀態(tài)的變化特征，而且還要研究相應(yīng)過(guò)程的變化特征，將聲發(fā)射視為一個(gè)過(guò)程來(lái)分析，對(duì)介質(zhì)的各種狀態(tài)及過(guò)程統(tǒng)一起來(lái)研究。

3? 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的平均值分析

描述聲發(fā)事件常用的參數(shù)有聲發(fā)信號(hào)上升時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間、幅值、平均頻率、均方差、平均信號(hào)水平、峰值計(jì)數(shù)、門(mén)檻值、反射頻率、初始頻率、信號(hào)強(qiáng)度、絕對(duì)能量等，這些參數(shù)從不同角度反映了聲發(fā)事件的特征。植物屬于生物范疇，由于在其生長(zhǎng)期內(nèi)不斷發(fā)展變化，導(dǎo)致同一現(xiàn)象不同時(shí)期會(huì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生不同的效果，它們之間的相互關(guān)系較為復(fù)雜，影響因子多，而且各個(gè)參數(shù)只能反映事件變化的隨機(jī)性，對(duì)參數(shù)分析產(chǎn)生一定困難。

4? 聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析

由于植物聲發(fā)射現(xiàn)象的出現(xiàn)往往具有在大量統(tǒng)計(jì)特性基礎(chǔ)上帶有一定的隨機(jī)性，所以，對(duì)于單個(gè)信號(hào)的分析建?？赡軙?huì)偏離其實(shí)際的生理學(xué)意義，因而產(chǎn)生較大的誤差。對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)而言，可以做出它們之間的關(guān)聯(lián)圖來(lái)進(jìn)行比較和分析，通過(guò)不同參量之間的關(guān)聯(lián)比較，可以了解信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，進(jìn)而起到判別和鑒定信號(hào)類(lèi)型、水平的作用。

當(dāng)植物處于足水狀態(tài)且蒸騰旺盛時(shí)，即使由于蒸騰速率與根系吸水速率之間會(huì)有一定的差距，但是差距不會(huì)很大，導(dǎo)致蒸騰拉力與水分內(nèi)聚力相差不多，由此引發(fā)的導(dǎo)管水柱斷裂能量較小。而當(dāng)土壤出現(xiàn)水分虧缺時(shí)，由于蒸騰拉力作用遠(yuǎn)大于水分內(nèi)聚力的作用，導(dǎo)管水柱斷裂時(shí)，能量較大，且聲發(fā)射頻次也較多，導(dǎo)管內(nèi)的水柱可能會(huì)斷裂為若干段，使導(dǎo)管壁產(chǎn)生多次的彈性收縮與釋放，在較短的導(dǎo)管范圍內(nèi)（可能在聲發(fā)射傳感器探頭直徑范圍內(nèi)），產(chǎn)生多次聲發(fā)射事件，每次聲發(fā)射事件又包含有多次聲發(fā)射計(jì)數(shù)，從信號(hào)處理角度講，可能出現(xiàn)混疊或干擾現(xiàn)象，但從植物生理學(xué)角度講，是植物水分脅迫加劇并威脅植物正常生理狀態(tài)的一種現(xiàn)象，有其統(tǒng)計(jì)學(xué)角度的特定意義。

水分脅迫造成導(dǎo)管栓塞的加劇，引起幅值、能量的加強(qiáng)，但對(duì)于聲發(fā)射平均頻率的大小幾乎沒(méi)有影響。超聲波在植物體中的傳播賴(lài)于植物體的形狀、導(dǎo)管分布、生理狀態(tài)、水分情況以及超聲波的激勵(lì)模式，因此，聲發(fā)射波的傳播要比理想介質(zhì)中的傳播復(fù)雜得多。將植物體近似理解為固體，則可以承受切應(yīng)力，所以沿植物體傳播的波可分為橫波和縱波。當(dāng)這些波被聲發(fā)射傳感器拾取時(shí)，還會(huì)有沿傳感器探頭表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ǔ霈F(xiàn)，波在傳播過(guò)程中在兩個(gè)界面上發(fā)生多次反射和折射，每次都會(huì)發(fā)生傳播模式的變換，即使聲發(fā)射波形是一個(gè)理想脈沖，在介質(zhì)中傳播一定距離之后，波形變鈍，脈沖變寬，并會(huì)分離出幾個(gè)脈沖，因此，可能在傳感器探頭的某一點(diǎn)上出現(xiàn)縱波、橫波和表面波相繼到達(dá)、互相干涉的復(fù)雜現(xiàn)象。雖然聲發(fā)射波經(jīng)過(guò)多次的反射與折射，疊加在一起形成持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的波形，但結(jié)果是使聲發(fā)射脈沖激勵(lì)植物體的固有振動(dòng)模式，使其在共振頻率附近的振動(dòng)增強(qiáng)，更易于找出其固有振動(dòng)頻率。

綜上所述，從聲發(fā)射頻次與幾個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析可以知，聲發(fā)射上升時(shí)間基本上維持在40ms以?xún)?nèi)，與聲發(fā)射的頻次不存在直接線(xiàn)性關(guān)系;聲發(fā)射頻次與能量、信號(hào)強(qiáng)度、幅值呈隨著聲發(fā)射頻次的增加而使另一個(gè)變量增加的趨勢(shì)，并且能體現(xiàn)出植物在蒸騰拉力加大，根系吸水速率相對(duì)減小的情況下，其斷裂時(shí)能量變大的趨勢(shì)。因此，對(duì)于植物導(dǎo)管空穴化程度、范圍等定性指標(biāo)的研究，可以通過(guò)對(duì)聲發(fā)射能量、信號(hào)強(qiáng)度、幅值等的定量研究來(lái)加以分析。

5? 結(jié)論

一般來(lái)說(shuō)，聲發(fā)射頻次與蒸騰速率、光照強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)度較高，但受天氣變化影響較大。當(dāng)聲發(fā)射頻次與蒸騰速率的相關(guān)系數(shù)處于低谷位置時(shí)，由試驗(yàn)可知，主要是由于當(dāng)日的灌溉所致，其波動(dòng)性顯示出灌溉對(duì)蒸騰有加強(qiáng)的作用，而對(duì)聲發(fā)射頻次卻有減弱的作用。聲發(fā)射頻次與溫度、濕度、CO2濃度的相關(guān)性有正相關(guān)關(guān)系和負(fù)相關(guān)關(guān)系兩種，受溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備的影響較大。

從理論上講，導(dǎo)管的直徑越大，發(fā)生栓塞的可能性就越大，恢復(fù)輸水功能就越困難，因此，維持導(dǎo)管直徑在一定的范圍內(nèi)，提高導(dǎo)管密度及水分傳導(dǎo)效率，利用微纖維絲網(wǎng)分割氣體可能是植物導(dǎo)管進(jìn)化的一個(gè)方向。

在試驗(yàn)過(guò)程中，隨機(jī)性和模糊性是植物生長(zhǎng)參數(shù)檢測(cè)中一種普遍存在的特性，在聲發(fā)射過(guò)程中也同樣存在，因此，在建立聲發(fā)射與外界環(huán)境因子之間的關(guān)系時(shí)，對(duì)此必須給予充分考慮。植物的生長(zhǎng)過(guò)程中雖然充滿(mǎn)了各種影響因子，但是在隨機(jī)性之間卻蘊(yùn)含著必然性，如植物一旦蒸騰速率大于根系吸水速率，而此時(shí)植物體內(nèi)所存儲(chǔ)的水分基本耗凈，則導(dǎo)管水柱斷裂就成為必然，聲發(fā)射現(xiàn)象也就隨之出現(xiàn)。

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