木材模擬聲發射源的產生與特性1)

王明華 鄧婷婷 方塞銀 李曉崧 賴菲 李明

(西南林業大學，云南，650224)

聲發射檢測(AET)技術作為一種具有實時動態性的無損檢測技術，能夠客觀評估材料的應力水平、損傷程度。為研究聲發射(AE)信號在材料中的傳播特性，通常需要人為產生模擬AE源。針對金屬等各向同性材料，ASTM-E976標準制定了折斷鉛芯產生模擬AE源的具體方法，該方法被用于對碳素鋼[1]、鑄鐵平板[2]、鋁板[3-4]、鋼板[5-6]等金屬材料AE信號特征及其傳播規律的研究。

近年來，AET逐漸被推廣到木材損傷研究，由于缺乏專門的AE試驗標準，目前主要參考ATSM-E976標準，通過折斷鉛芯的方式產生模擬AE源。根據該試驗標準及方法，鞠雙等[7-8]研究了膠合木順紋及橫紋的AE信號特征及傳播速度規律；Li et al.[9]、李揚等[10]研究了含水率對于木材AE特性的影響；王宗煉等[11]、Li et al.[12]建立了金屬、木材表面斷裂源定位方法；趙小矛等[13]建立了AE信號在榫卯結構中的能量衰減模型；Caprino et al.[14]結合人工神經網絡，提出基于樣本虛擬訓練的纖維板損傷源自主定位方法；Yanase et al.[15]模擬木材板中白蟻啃食活動，驗證了AET用于木材病蟲害檢測的有效性。

目前木材AET方面的研究普遍采用折斷鉛芯方式產生模擬AE源。但木材作為一種非均質的多孔性材料，其損傷過程產生的AE信號與金屬等材料存在本質差異。因此，采用折斷鉛芯的方式模擬AE源，存在是否合理及其適用范圍等疑問。本研究分別采用折斷鉛芯和薄木條的方式研究AE信號特征及其傳播速度，前者按照ATSM-E976標準模擬AE源，針對后者則專門設計一種木材斷裂試驗，以模擬木材實際斷裂過程發出點源AE信號。采用小波分析方法，比較2種方式產生AE信號的頻率及傳播差異。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為紋理通直的樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)和櫸木(Zelkovaschneideriana)實木鋸材。2種試材氣干狀態密度分別為0.42、0.63 g·cm-3，絕對含水率分別為11.1%、14.0%。按照順紋理方向制作4組尺寸均為580 mm×50 mm×15 mm的試件，分別記為T1～T4。T1、T2為樟子松試件，T3、T4為櫸木試件。T1、T3試件用于鉛芯折斷試驗(圖1a)，T2、T4試件用于薄木條折斷產生模擬AE信號試驗。為產生木材試件端面斷裂行為，在T2、T4試件的一端，利用曲線鋸加工出100 mm×10 mm×5 mm的薄木條，將薄木條和試件聯接處按5 mm寬度加工，以模擬木材發生點斷裂時產生的單一AE源。為了便于在T2、T4試件上施加沖擊力，在距離薄木條末端10 mm位置鉆出直徑為2 mm的通孔，T2、T4試件的結構如圖1b所示。

1.2 試驗設計

T1、T3試件采用折斷鉛芯的方式，在試件左端面100 mm位置產生模擬AE源。試驗操作參照ASTM-E976標準，采用直徑為0.5 mm的鉛筆芯與試件表面呈30°角放置，在距離接觸點2.5 mm處折斷鉛芯，獲取事件表面固定位置的AE信號。試驗中，傳感器S1置于距離試件左端面150 mm處，傳感器S2直線分布在與其間隔300 mm的順紋理方向試件表面(圖1a)。為充分降低空氣介質的影響，在試件與傳感器之間填充高溫真空絕緣硅脂，并利用橡皮筋固定傳感器。

T2、T4試件利用砝碼自由落體產生的沖量折斷薄木條，在試件端面產生模擬AE源。將末端帶有500 g砝碼的無彈性釣魚線綁在薄木條末端通孔內，將砝碼提升至與薄木條下表面接觸位置，保持每次自由落體高度200 mm的條件下，使砝碼自由落體折斷試件端面薄木條，即對薄木條施加1 N·s沖量(g=10 m·s-2)。試驗中，傳感器S1置于距離試件左端面50 mm處，傳感器S2保持直線分布在與其間隔300 mm的試件表面(如圖1b所示)。在試件與傳感器之間填充高溫真空絕緣硅脂，并利用橡皮筋將傳感器固定在試件表面。

圖1 傳感器布置圖(數據單位為mm)

1.3 信號采集與處理方法

利用NI USB-6336高速采集卡和Lab VIEW軟件搭建的2通道AE信號采集平臺，各通道最大采樣頻率為2 MHz。所用傳感器為帶寬22～220 kHz的SR-150N單諧振AE傳感器。采用增益為40 dB的PAI前端放大器放大AE傳感器信號，以實現AE信號的長距離傳輸。現有研究表明，木材的AE信號最大頻率約為200 kHz。根據香農采樣定理，為不失真地恢復模擬信號，采樣頻率(fs)和信號最大頻率(fmax)之間應滿足fs≥2fmax。試驗過程中，系統各通道采樣頻率設置為500 kHz，輸出電壓范圍設置為(-5 V,5 V)。

為有效降低噪聲信號的影響，本研究采用具有優良去噪能力的小波分析方法，將經濾波處理后的AE信號分解到不同頻段，根據分解后各層細節信號與濾波信號之間的相關性，重構AE信號波形，為木材AE信號傳播特性研究提供更可靠的信號成分。在原始信號采集過程中，fs為500 kHz，信號分析頻率(fh)=fs/2=250 kHz。利用daubechies小波(db10)作為小波基函數進行5層小波分解，各層的高頻細節信號頻段為125～250、62.5～125.0、31.25～62.50、15.625～31.250、7.812 5～15.625 0 kHz，覆蓋了AE傳感器的全部測量范圍。

2 結果與分析

2.1 試件表面的原始AE信號特征

2種模擬AE源產生的原始AE信號波形如圖2所示。圖中T1～T4表示對應試件編號，S1、S2表示相應的傳感器。圖2a、2c分別為樟子松、櫸木通過斷鉛試驗采集的原始AE信號，圖2b、2d分別為折斷樟子松、櫸木端面薄木條時采集到的AE信號。

h1為木材斷裂初期；h2為木材斷裂階段。

鉛芯折斷產生單一突發型的AE信號，只出現1次強烈且顯著的AE現象(圖2a、2c)，信號衰減速度較快且能量較小。折斷試件端面薄木條產生的AE信號，按信號的波形差異可將信號劃分為變形AE信號和斷裂AE信號，2種信號分別表征了木材在斷裂初期(h1)的變形特性和斷裂階段(h2)的斷裂特性。在薄木條斷裂初期階段，材料主要以彈塑性形變為主，木材未發生宏觀斷裂，其AE現象源于內部木質纖維之間的拉扯及部分纖維的微斷裂，AE信號表現為低幅值、低能量；薄木條斷裂階段，纖維之間的拉扯超過材料承受極限，木材開始發生宏觀斷裂，AE現象顯著，AE信號為高幅值、高能量。

2.2 樟子松試件表面的重構AE信號特征

為進一步研究折斷鉛芯、薄木條產生的AE信號頻域特征，先對原始AE信號進行濾波，再利用db10小波進行5層小波分解，并計算各層細節信號與濾波后AE信號的相關性系數，依據相關性重構AE信號波形。

鉛芯折斷產生的AE信號頻率主要分布在中低頻段范圍，且傳播過程中頻率越高，衰減越明顯。傳感器S1檢測到的信號頻率分布在25～150 kHz頻帶內，且具有多個頻段帶分布中心。其中25～65 kHz的信號成分比重大，具有31.3、42.7、59.5 kHz 3個低頻率分布中心；高頻信號主要分布在以108.7 kHz及124.9 kHz為中心的頻段內，且信號比重小。高低頻帶信號成分比重差異說明樟子松的疏松多孔構造對應力波具有顯著的低通特性，其對高頻信號成分的阻礙作用較大。木材是一種具有黏彈特性的生物復合材料，應力波在黏彈性體中傳播時，頻率會發生衰減，且頻率越大，衰減越快[16]。所以傳感器S2檢測到的信號中，高頻信號成分衰減消失，主要信號分布在以28.5 kHz為頻率中心的1個低頻窄帶范圍內。

折斷T2試件端面薄木條產生的AE信號，在斷裂初期(h1)，木材主要發生纖維拉扯、微觀斷裂。傳感器S1檢測到的信號成分落在23～62 kHz的1個中低頻段，出現23.8、38.8、58.8 kHz 3個相對分散的局部峰值信號。傳播至傳感器S2位置時，受到木材黏滯特性影響，信號中相對高頻的成分迅速衰減，最終信號落在以26.9 kHz為頻率中心的窄帶內。在斷裂階段(h2)，木材開始發生宏觀斷裂，纖維之間相互拉扯至“崩斷”的情況大量存在，使得高頻信號成分被激發。斷裂階段信號頻譜分布比斷裂初期更復雜。傳感器S1檢測到的信號成分大致落在24～150 kHz，信號分布與鉛芯折斷產生的信號頻段分布較為相似，均出現中低頻信號所占比重大，而高頻信號成分比重小的現象。傳播至傳感器S2時，中高頻信號成分嚴重衰減，最終頻率成分落在以26.1 kHz為分布中心的窄帶內。

根據圖3、圖4可知，折斷樟子松端面薄木條產生的AE信號，是一種源于被檢測對象自身的隨機信號，能夠從更微觀的角度反映木材在載荷作用下的AE特性。而鉛芯折斷產生的AE信號，其信號成分與樟子松端面薄木條在斷裂階段的信號情況具有較高的相似性，均為24～150 kHz寬帶分布，且以中低頻信號為主。從信號成分上看，鉛芯折斷產生的模擬AE源在一定程度表征樟子松在斷裂階段的AE特性，對木材的損傷檢測研究仍有值得借鑒的地方。

圖3 T1試件重構AE信號

圖4 T2試件重構AE信號

2.3 櫸木試件表面的重構AE信號特征

利用小波分解并重構櫸木試件中的AE信號，折斷鉛芯、薄木條產生的AE信號經重構后的具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 T3試件重構AE信號

圖6 T4試件重構AE信號

櫸木試件鉛芯折斷產生的AE信號，主要成分的分布與樟子松相似，主要出現在中低頻段內，高頻信號成分比重小。傳感器S1檢測到的信號出現在25～150 kHz頻段，低頻信號分布在25～70 kHz，且信號比重大；高頻則分布在100～150 kHz，以108.3 kHz為分布中心的信號為主要高頻成分。AE信號傳播至傳感器S2時，高頻信號衰減明顯，最終信號分布在30～60 kHz的低頻段，具有35.9、42.7 kHz等多個分布中心。

折斷櫸木端面薄木條時，在斷裂初期階段(h1)，木質纖維相互拉扯導致木材微斷裂，產生的AE信號成分復雜。傳感器S1檢測到的信號為25～150 kHz寬帶分布，低頻信號比重大，主要出現在25～60 kHz內，且具有多個頻率分布中心；高頻信號分布在以111.7 kHz為分布中心的寬頻帶內。AE信號傳播至傳感器S2時，高頻信號迅速衰減，最終主要信號為分布在25～50 kHz內的低頻信號。在斷裂階段(h2)，載荷作用導致大量木質纖維被拉斷。在傳感器S1處，信號頻域特性與斷裂初期相似，為30～130 kHz寬帶分布且以低頻信號為主，峰值信號為49.9 kHz。AE信號傳播至傳感器S2處，高頻信號成分顯著增加，峰值信號變為103.8 kHz，低頻信號分布在以46.5 kHz為中心的頻段。

在櫸木試件中，鉛芯折斷產生的AE信號頻域特性與櫸木端面薄木條在斷裂初期的信號特性具有較高的相似性(圖5、圖6)，表明就頻域信號特征而言，利用鉛芯折斷產生模擬AE源研究櫸木在斷裂初期階段的損傷特征是可行的。而在斷裂階段，鉛芯折斷產生的AE信號與櫸木在此階段產生的信號具有較大的差異，無法有效表征櫸木斷裂階段的AE信號特征。

2.4 試件表面AE信號的傳播速率

為進一步研究2種AE源產生的AE信號在試件中的傳播速率，利用根據信號相關性分析的兩點時差法，計算AE信號的傳播速率。隨機信號x(t)、y(t)，2個信號間的互相關函數Rxy(τ)：

式中：τ為信號在時間軸上的平移單位，T為信號長度，dt為對t進行積分運算。在Rxy(τ)中，若τ=τ0，|Rxy(τ)|取得最大值，表示隨機信號y(t)在時間軸上平移τ0個單位之后，與隨機信號x(t)的相似度達到最高水平。試驗中傳感器S1、S2以300 mm定距(Δs)直線分布，利用相關性分析處理重構AE信號得到的τ0即為AE信號傳播至2個傳感器的時間差(Δt)，AE信號沿試件順紋理方向的傳播速度v=Δs/Δt。為最大程度減小試驗誤差，分別在試件上進行10次獨立試驗，結果如表1、表2所示。

表1 AE信號在樟子松試件表面傳播速率

表2 AE信號在櫸木試件表面傳播速率

在樟子松試件中，折鉛產生的AE信號沿順紋理方向的平均傳播速度為760.9 m·s-1。利用折斷試件端面薄木條產生的AE信號傳播速率與斷裂機制有關，斷裂初期AE信號的平均傳播速度為786.5 m·s-1；斷裂階段AE信號的平均傳播速度為1 085.1 m·s-1。在櫸木試件中，折鉛產生的AE信號沿順紋理方向的平均傳播速度為1 120.5 m·s-1。折斷試件端面薄木條產生的AE信號，斷裂初期AE信號的平均傳播速度為1 145.2 m·s-1；斷裂階段AE信號的平均傳播速度為1 557.6 m·s-1。根據表1、表2可知，2種木材中，鉛芯折斷產生的AE信號的傳播速率與折斷木材端面薄木條發生彈塑性變形時的傳播速率無顯著區別，但比木材在斷裂階段的傳播速率小，這種差異與AE源產生的信號能量有關。鉛芯折斷時產生的AE信號是一種典型的單次隨機信號，產生的能量有限，與木材在斷裂初期階段纖維之間拉扯引起的AE現象較為相似。在該階段，薄木條發生彈塑性變形，從而導致了多次的AE現象，但纖維之間并未完全斷裂，每次產生的能量較小，AE信號的群組能量總和也較為有限，所以鉛芯折斷方式產生的AE信號傳播速率與薄木條發生彈塑性變形時的信號傳播速率無明顯差異。木材發生宏觀斷裂時，伴隨有多次高能量的AE現象，AE信號群組獲得的能量比斷裂初期更大，應力波群組傳播速率大。這說明，相比木材斷裂初期內的AE信號，斷裂階段產生的AE信號更具遠距離傳播的能力。

3 結論

本研究針對木材斷裂損傷過程中的AE特性，分別利用折斷鉛芯和折斷薄木條產生模擬AE源，并深入分析該AE源產生的信號沿樟子松、櫸木鋸材順紋理方向傳播時的時頻特性、傳播速率。

折斷鉛芯產生的AE信號，在頻率組成、特征分布范圍與樟子松、櫸木在特定損傷階段產生的AE信號基本保持一致，無顯著區別。說明ASTM標準中折斷鉛芯產生模擬AE源的方式可用于木材AE特征研究。

鉛芯折斷、薄木條斷裂初期產生的AE信號，應力波群組能量有限，AE信號的傳播速率較小。樟子松試件使用這2種試驗方法時，AE信號傳播速率分別為760.9、786.5 m·s-1；櫸木試件中則分別為1 120.5、1 145.2 m·s-1。薄木條斷裂階段，應力波群組獲得的能量多，AE信號傳播速率大，該階段AE信號在樟子松、櫸木中平均傳播速率分別為1 085.1、1 557.6 m·s-1。初步研究表明，在研究AE信號傳播速率時，本文提出的折斷薄木條試驗方法更為客觀。

研究表明，折斷樟子松、櫸木試件端面薄木條產生的AE源能夠從更為微觀的角度真實體現木材在損傷斷裂過程中的AE特性；鉛芯折斷產生的模擬AE源能在一定程度上表征木材在損傷過程中的AE特性。對于材料的AE特性研究仍有值得借鑒的地方。

本文利用質量固定的砝碼產生的沖量來折斷木材端面薄木條，沖量大小對于信號特性是否有影響仍需考證，今后可進一步探究沖量對AE特性的影響。