应用小波分析法对马尾松胶合木表面声发射信号特征检测1)

鞠双 李新慈 罗廷芳 李明

(西南林业大学，昆明，650224)

胶合木在荷载作用下的应力应变状态直接决定了构件的安全性，声发射检测(AET)作为一种主动式的无损检测方法，为胶合木材料动态应力和损伤检测提供了有效的途径。AET在金属和岩石材料的损伤探测中已有较为广泛的应用，但是AET在木质材料上的应用仍处于初始的探索阶段。Reiterer等通过比较研究发现，软木开裂过程会产生更多的AE事件[1]。Ando等研究发现，老木材比新木材发出的AE信号更多[2]。Chen等研究发现，最大荷载之前的AE活动意味着木材开始产生微观裂纹[3]。Lamy等经过比较发现，AE信号的特征参数是反映木材开裂发生和发展的有效信息，同时AE信号源定位方法可以标定木材损伤过程中的断裂过程区[4]。Brunner和Ritschel等研究表明，AE信号能够检测到内部早期损伤，而且胶合板层积材的AE事件数比实木的少，但强度更大；同时AE事件累计呈指数增长，而实木试件的AE事件累计呈线性关系增长[5-6]。

近年来，孙建平等研究指出AE事件累计数的增加速率能够区分木材受力条件下的不同状态，同时利用AE事件参数还能够预测材料开始断裂进入危险期和大量纤维断裂进入严重危险期的两个“临界点”[7-9]。邵卓平等研究木材三点弯曲破坏过程的AE特性发现，试件加载初期会产生一些较低振幅的AE信号，而大量高振幅的AE信号则出现在峰值载荷附近及韧性断裂阶段[10]。郭晓磊等研究表明，AE事件的特征参量可以有效表征木基复合材料内部损伤演化过程[11]。丁小康等研究指出，木材干燥开裂形变出现时会发出大量高幅值、高能量的连续AE信号[12]。

以上AET均采用基于AE事件参数的分析方法，然而木材是多孔性的各向异性材料，AE信号在不同方向上的特征和传播规律存在明显差异，而且受测量噪声影响，有效的AE信号很容易“淹没”在原始检测信号中，所以仅依据信号幅值大小很难真实反映AE事件的发生。为了从原始信号中析取木材AE信号波形，徐峰等采用基于中值滤波和奇异解分解相联合的降噪方法，提取了胶合板损伤过程中发出的AE信号[13-14]。申柯楠等采用小波分析的方法重构了云南松实木损伤断裂过程的AE信号波形，并利用三角形定位方法确定AE源位置[15-17]。于帅帅等基于小波分析方法研究了云南松表面AE信号波形特征[18]。

目前针对胶合木AE信号波形的研究还不多见，为此，笔者将以马尾松胶合木为对象，通过铅芯折断的方式在试件表面产生人工AE源，在对原始检测信号进行小波多分辨分析的基础上，重构沿胶合木试件表面顺纹和横纹两个方向的AE信号波形；并且根据时差定位的原理，进一步研究AE信号在两个方向上的传播速率。

1 材料与方法

试验材料来自国内某木材企业生产的马尾松(PinusmassonianaLamb.)胶合木板，该胶合木板由小尺寸马尾松锯材，通过EPI(水性高分子异氰酸酯)胶黏剂顺纹拼接而成，实验试件尺寸为500 mm(长)×500 mm(宽)×15 mm(厚)。基于NI USB-6366高速采集卡和Lab VIEW软件自行搭建4通道AE信号采集系统，其中传感器为SR 150N单端谐振AE传感器，带宽22～220 kHz，前置放大器增益为40 dB。现有相关研究表明木材AE信号主要分布在50～200 kHz范围内，所以根据香农采样定理，每个通道的采样频率设置为500 kHz，信号的电压范围为(-5～5 V)，本实验的硬件组成如图1所示。

图1 AE信号采集系统硬件组成

本试验主要研究AE信号沿胶合木表面的顺纹和横纹方向的传播规律。试验中采用铅芯折断的方式产生人工声发射源，具体做法是将一根0.5 mm的铅笔芯与试件表面成30°角放置，在距离接触点25 mm处折断(如图2所示)。

图2 试验示意图

为了计算AE信号在试件表面的传播速率，采用时差定位方法，首先将两个AE传感器按固定距离(Δs)放置，然后在信号波形分析的基础上，计算AE信号到达两个传感器的时差(Δt)，最后计算AE信号的传播速率v=Δs/Δt。设定Δs为300 mm，传感器布置如图2所示，图中顺纹方向的两个AE传感器分别用Sa1和Sa2表示，横纹方向用Sp1和Sp2表示。

受信号采集与传输过程的噪声信号影响，试验获得的原始AE信号混有大量噪声，为此本试验采用小波分析的方法从原始信号中重构有效的AE信号波形。在本试验中，相对于噪声信号而言，AE信号是通过铅芯折断方式人为加入的，所以有效的AE信号应该体现在小波分解的高频细节部分。为了提高小波分析的频域局部化能力，本试验选定具有较高消失矩阶数的daubechies小波(db10)作为小波基函数。

小波分析的过程就是将信号逐层分解为低频和高频部分，其中高频部分是细节信号。本试验的信号采样频率为500 kHz，根据香农采样定理，理论上可以辨识0～250 kHz范围内的AE信号，又根据小波多分辨率分析原理，从第一层开始，每层小波分解的细节信号(高频部分)的范围依次为：(125、250 kHz)、(62.5、125 kHz)、(31.25、62.5 kHz)、(15.625、31.25 kHz)、(7.8125、15.625 kHz)、…。由于试验选用的SR 150N声发射传感器的带宽为22～220 kHz，因此，本试验选择5层小波分解就能够覆盖AE信号所有可能的频率变化范围。

2 结果与分析

2.1 胶合木表面顺纹方向AE信号特征

顺纹方向的两个AE传感器Sa1和Sa2采集的原始信号波形如图3所示，为了表述方便，各自的信号波形直接记为Sa1和Sa2。从时域波形可以较为清晰地看出AE信号发生和衰减的整个变化过程，并且Sa1的信号幅值明显大于Sa2的信号幅值。这是因为传感器Sa1距离AE源位置更近，相应的AE信号能量更高。从图中可以看出信号能量主要集中在10kHz以内，这些主要是噪声信号，因为AE信号是通过铅芯折断方式人为加入的，而且信号持续时间很短，所以在原始信号的频谱图中很难得到反映。

图3 顺纹方向AE信号原始波形与频谱

总之，AE信号幅值较大，在时域波形中能够直观分辨出AE事件，但是由于AE信号持续时间短暂，所以在频率分析时无法直接辨识出来。为此，本试验采用小波分析的方法从原始信号中重构AE信号，信号Sa1和Sa2的5层小波分解信号分别如图4所示，相应的频谱图如图5所示。

图4 顺纹方向各层小波分解细节信号波形

图5显示第1层分解信号的频率分别集中在133、160 kHz附近，结合图4所示的第1层信号波形，特别在Sa2中信号幅值极小，因此可以认为该信号为高频噪声信号；图5中第4和第5层分解信号的频率均小于AE传感器下限频率22 kHz，因此该部分分解信号可视为低频噪声。这样，AE信号波形可以由第2和第3层分解信号重构，重构后的AE信号波形如图6所示。虽然从图5的第2层信号频谱图中可以看出AE信号频率分布在66～115 kHz范围内，但是图4显示该部分信号的幅值小且持续时间短暂，所以图6显示的AE信号主要集中在40 kHz附近。

图6 顺纹方向AE信号重构波形与频谱

2.2 胶合木表面横纹方向AE信号特征

横纹方向的两个AE传感器Sp1和Sp2采集的原始信号波形如图7所示，同样为了表述方便，各自的信号波形直接记为Sp1和Sp2。与顺纹方向不同，从距离AE信号源较近的传感器采集的信号Sp1中能够明显看出AE事件的发生，但是在较远处的Sp2信号中AE信号已经“淹没”在噪声中，从时域波形中已经不容易分辨出AE事件，说明AE信号在横纹方向的衰减比顺纹方向的更快。此外，与顺纹方向的原始信号相似，Sp1和Sp2两个信号的能量以15 kHz以内的噪声信号为主(如图7所示)。

图7 横纹方向AE信号原始波形与频谱

信号Sp1和Sp2的5层小波分解的高频信号如图8所示，相应的频谱图如图9所示。与顺纹方向AE信号的分析相似，第1层分解信号可以视为高频噪声，第4和第5层分解信号视为低频噪声信号，因此通过第2和第3层分解信号重构横纹方向的AE信号波形，重构后的AE信号波形和频谱图如图10所示。可以看出，横纹方向上AE信号的频率主要集中在35 kHz左右。

图8 横纹方向各层小波分解细节信号波形

图9 横纹方向各层小波分解细节信号的频谱图

图10 横纹方向AE信号重构波形与频谱

2.3 胶合木表面顺纹和横纹方向AE传播速率

为了测定AE信号在胶合木表面两个方向上的传播速度，采用简单的时差定位方法，首先采用信号相关分析方法确定传播时差(Δt)。互相关函数主要描述两个信号的相似程度，信号x(t)和y(t)的互相关函数定义为：

(1)

根据互相关函数的定义可知，若τ=τ0时，互相关函数的绝对值|Rxy(τ0)|取最大值，则意味着信号y(t)沿时间轴平移τ0个单位后，与信号x(t)最相似。为此，通过互相关函数可以间接确定AE信号在两个传感器之间的传播时差。为了最大限度地减小试验随机性影响，本试验在顺纹和横纹两个方向上分别做了10次独立试验，相应的计算结果见表1。

根据表1的试验数据，可以计算出AE信号沿顺纹方向传播的平均速度为1 046.8 m/s，沿横纹方向的平均速度为356.0 m/s，顺纹的传播速度是横纹的3倍左右。根据木材的传声特性，在密度一定时，顺纹传声速度(va)与横纹传声速度(vc)满足以下关系。

(2)

式中：Ea和Ec分别时顺纹和横纹方向上的弹性模量，通常松木的Ea/Ec的值为10左右，所以顺纹和横纹的传声速度比大约为3.2。本试验结果基本符合理论规律，但是由于AE信号在胶合木中的传播不仅受木材本身的影响，还受到同为高分子聚合物的EPI胶层的影响，因此与实木的AE信号传播规律仍存在差异。

表1 AE信号传播速率

3 结论与讨论

突发的AE信号虽然可能引起信号幅值的明显增加，然而由于AE信号持续时间短暂，受测量噪声影响，在检测信号中所占比重通常很小，所以仅凭对传感器采集的原始信号的频谱分析，尚不能获得AE信号的频域特征，需要借助信号处理的方法将实际AE信号从原始信号中重构出来。本研究验证了小波分析能够较好地实现AE信号重构。

由于木材是一种多孔的复杂的各向异性材料，AE信号在传播过程中不仅能量衰减显著，而且信号频率也会发生变化，AE信号的组成不是单一的。特别在横纹方向上传播时，由于穿过的胶层数目增加，胶层还会对AE信号的特征和传播规律产生明显影响。

AE信号在胶合木表面沿顺纹和横纹方向的传播过程基本符合木材的声学特性，即沿顺纹方向传播的速率高于横纹方向，但是由于受胶层的影响，相应的传播速率的比值还与实木中的理论值存在一定偏差。

本试验是对胶合木AE信号特征与传播规律的初步探索研究，虽然总结了一些AE信号的相关规律，但是对胶合木AE信号特征及传播规律的全面了解还需要进一步深入研究，特别是AE信号在胶层中的传播特性是未来研究的关键。此外，AE信号在胶合木内部的传播特性也是重要的研究方向之一。