基于小波分析的應力波木材內部缺陷診斷研究

楊啟格 王軍

【摘 要】針對人工檢測木材內部質量的缺陷存在的成本高，效率低等缺點，本文采用應力波無損檢測對木材內部進行缺陷診斷，利用小波分析對采集到的應力波數據進行去噪處理，重構后的數據經FFT變換可得到清晰的缺陷木材共振頻率。實驗結果表明利用小波分析的檢測方法結果準確，可以對木材內部缺陷定性診斷。

【關鍵詞】木材內部缺陷檢測；應力波；頻譜；小波分析

中圖分類號：S781.5 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0048-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.021

0 引言

木材在存放，搬運，生產加工的過程中，會使木材腐爛、碰撞、變形，因此影響其使用。傳統的人工檢測木材的方法成本高，勞動力需求大，效率低且結果不夠準確。應力波無損檢測能在不破壞木材的前提下對木材內部缺陷進行診斷，應用廣泛，實用簡便，小波分析對檢測信號進行分解和重構，提取了木材缺陷的信息，提高了檢測木材內部缺陷的準確度和精度。

國內外科研工作者注重應力波無損檢測在時域角度的研究，如應力波的傳播時間、速度的變化等等，而木材的應力波無損檢測在頻域角度的成果不是很顯著[1]。傅里葉變換解決了時域與頻域的交換問題，小波變換是傅里葉變換的加強版，既實現了時域與頻域的轉換，也提高了信號分析準確度和精度。

1 基于小波分析的應力波無損檢測原理

應力波是一種彈性波，在可變性固體介質中機械擾動表現為質點速度的變化和相應的應力、應變狀態的變化。木材的物理性質影響著應力波的傳播速度，如密度、木材種類等；應力波傳播會發生散射、折射等現象。當木材收到沖擊作用，因自身內部粒子間的彈性作用而產生應力波[2]。

應力波木材無損檢測[3]基本原理是利用脈沖錘敲擊試件產生應力波，通過測量應力波在試件內的傳播時間和傳播速度變化來確定試件的性質（如彈性模量、孔洞、腐朽等）。當木材內部出現腐朽、孔洞時，由于應力波不能沿直線進行傳播，傳播時間會增加，也可以解釋為應力波傳播時間或傳播速度降低，因此可以通過分析應力波傳播時間或傳播速度的變化規律來判斷被測試樣內部是否存在缺陷[3]。小波變換在頻域和時域上有著優越的性能，可以分析信號在頻域和時域上的成分，實現了信號的高頻部分時間細分、低頻部分頻率細分。

小波變換在頻域和時域上有著優越的性能，可以分析信號在頻域和時域上的成分，實現了信號的高頻部分時間細分、低頻部分頻率細分[4]。

2 系統整體構架

本次試驗的基本流程如下圖1所示。硬件系統的作用是實現應力波信號的采集與分析。首先將檢測系統（該系統是以STM32為核心芯片設計的）和實驗木材之間正確連接[5]，將傳感器探頭垂直插入木材邊緣，用橡膠錘敲擊木材產生應力波，應力波通過傳感器拾取并進行信號處理，最后采用小波分析對檢測到的應力波數據進行去噪和重構。

3 試驗分析

選定兩組木材，其中一組為無缺陷木材，一組為有缺陷木材，布置傳感器完成后，分別敲擊傳感器，記錄數據，進行對比。將信號通過小波變換，用MATLAB進行數據處理，通過MATLAB得到頻譜圖像進行分析。

3.1 木材應力波頻率測試

選擇無缺陷和有缺陷的木材，連接好木材與檢測系統，確定八個測試點，每個測試點敲擊7次，進行采集數據。

3.2 小波變換分析

檢測系統采集的原始應力波數據，會受到不同的高頻噪聲干擾，所以需要進行小波去噪。去噪后的圖形如圖2所示，從圖中可以看出小波去噪可以去除干擾噪聲信號的頻譜，去除高頻保留低頻，可得無缺陷木材經小波變換后的共振頻率為907.9Hz。

有缺陷木材經過小波去噪得到的頻譜圖如圖3所示。由圖可知小波變換后缺陷木材的共振頻率為668.3Hz，經圖2與圖3對比可知有缺陷和無缺陷木材的共振頻率是不同的，有缺陷木材的共振頻率低于無缺陷木材的共振頻率。

由小波去噪后的頻譜圖像與原始信號的頻譜圖像對比可得，小波去噪可以根據信號和噪聲在小波變換各尺度上的不同傳播特性，判斷出信號對應的小波系數包含有用信號的信息，其幅值比較大，但是數目較少，而噪聲對應的小波系數是一致分布的，個數較多，但是幅值較小。從而剔除由噪聲產生的頻譜，保留信號對應的頻譜，然后對剩余的信號進行重構，進而恢復信號。

4 總結

本文首先對基于小波分析的應力波木材缺陷檢測的原理進行了綜述，檢測系統的整體架構以及硬件部分的設計，最后進行木材應力波實驗，利用小波分析對檢測到的應力波數據進行去噪處理。研究表明了木材在有無缺陷情況下的內部應力波傳播頻率的不同，通過小波變換進行小波去噪，分解重構信號波形，可以判斷木材的內部是否有缺陷。相比人工方式的檢測方法，基于小波變換的應力波木材內部缺陷的檢測方法是可行有效的。

【參考文獻】

[1]劉立偉.基于小波變換的木材應力波缺陷檢測研究[D].東北林業大學.2017.

[2]李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].機械工業出版社，1993.

[3]馮海林，李光輝.應力波傳播模型及其在木材檢測中的應用[J].系統仿真學報，2010，（6）：90-93.

[4]江幸蓮.基于小波分析的樁基低應變檢測數值模擬及方法研究[D].華南理工大學，2013.

[5]王立海，楊學春.木材應力波無損檢測研究[M].科學出版社，2011，10（5）：90-100.