木材表面声发射信号源的三角形定位方法1)

申珂楠 丁馨曾 赵海龙 李明

(西南林业大学，昆明,653224)

木材表面声发射信号源的三角形定位方法1)

申珂楠 丁馨曾 赵海龙 李明

(西南林业大学，昆明,653224)

为了确定木材表面声发射源的发生位置，首先采用高速采集设备设计了基于LabVIEW的多通道声发射信号采集平台，并采用小波分析方法从原始声发射信号中析取有用信号；然后根据信号传播的时延差确定声发射信号在木材表面的平均传播速率；最后依据基于时差的三角形几何定位原理，提出木材表面声发射信号源定位方法，并通过铅芯模拟声发射源的测试试验加以验证。结果表明该方法能够以较高的精度确定木材表面声发射信号源位置。

木材表面；声发射；三角形定位法

随着环境保护意识的日益增强，木材作为一种可再生资源，具有较强的应用潜力和广阔的应用前景。但是与其他固体材料相比，木材是一种具有弹塑性的各向异性生命体，在运输和加工过程中特性变化非常复杂，甚至会因周围温湿度变化引起细胞内水分迁移，导致内部应力集中直至发生内部开裂。这种因应力变化产生的木材塑性变形不仅会直接降低木材效用，甚至会导致相应机构失效，为此动态获取木材应力应变状态，是维持木材性能、预防失效的关键所在，然而，目前常规的检测方法无法满足动态监测需求。

声发射(Acoustic Emission，AE)是材料或结构受内力或外力作用产生变形或断裂，以弹性波的形式释放应变能的现象[1]。AE技术不仅可以动态监测材料内部及表面的应力变化，还可以通过声发射源定位技术确定相应的发生位置。作为一种动态无损检测方式，AE技术被广泛应用于金属、岩石及复合材料的缺陷与损伤监测[2-3]。目前，受其他领域成功应用的启发，AE技术被尝试应用于木材应力及损伤动态监测中[4-5]。

受木材自身结构的复杂性限制，目前主要通过借鉴其他领域的应用，采用某些声发射信号特征参数定性反映应力变化[6-8]，但是这些参数阈值的设定缺乏必要的理论或实践依据。为此，一些研究通过小波等方法提取木材声发射信号波形，并以此作为木材声发射信号分析的依据[9]，在一定程度上提高了动态监测的质量。但是目前对木材声发射现象的研究仍处于探索阶段，特别是声发射源定位方面的研究十分少见，其中一个主要原因是在声发射源定位时通常需要知道声发射信号的传播速度，对于金属等固体材料，可以视为各向同性材料，信号传播速度确定较为容易；但是木材不仅各向异性，而且不同材质在不同环境下的信号传播速度存在显著差异，所以较难确定。

为此，本研究将在基于LabVIEW的声发射信号采集平台上，通过小波处理的方式析取声发射信号时域波形，进而采用计算波形第一峰时差的方法；通过大量实验测算声发射信号的平均传播速度，以此作为声发射源定位的依据，最后采用基于时差的三角定位方法，实现木材声发射源定位。

1 声发射源三角形定位基本原理

声源的定位方法可分为两大类，即区域定位法和点定位法(也称为时差定位法)。区域定位方法对传感器的安装没有特殊的要求，即不必按一定的阵列形式布置，声源的位置表示为一区域，定位精度不高。点定位方法分为线定位和面定位，面定位又可分为三角形定位和矩形定位等。这些方法都是根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源的位置[10]。

基于时间差的定位方式，具备成本较低、运算量较小、实时检测性能好等特点。目前，基于时间差的声发射源定位研究很多。Bhardwaj等提出基于最大似然估计的多声道时延估计方法[11]。Ciampa和Meo提出了基于连续小波变换和频域分析的方法来定位声源，提高了定位精度[12]。Le等提出用短时互相关法来估计两个传感器接收到的声发射信号之间的时间差[13]。Mohd提出了基于连续小波变换分析和模态定位分析的声发射源定位方法，对核管道裂纹扩展进行监测，并对检测结果与传统的定位方式相比较[14]。但这些研究多用于金属材料或者岩土材料中，而对于木材声发射源定位的研究内容目前还比较罕见。

本研究将主要应用三角形定位方式对木材声发射源进行源定位，这种方式相对于区域定位法可以有更高的定位精度，更好的定位效果，适合木材声发射源定位。图1为木材声发射三角形定位阵列示意图，按图放置传感器，并记下各传感器坐标，设声发射源和各个传感器的距离分别为L1、L2、L3，声源信号到达时间分别为t1、t2、t3。

图1 木材声发射源三角定位示意图

同理可得到传感器2与传感器3的关系如下：

(1)

2 木材声发射源三角形定位

因为木材内部的结构复杂，声发射波传播过程中将有随机误差存在，因此本研究将通过多次测量求平均值的方式，得出在该种木材中的声波传播速度。之后利用多次断铅实验，模拟声发射源，并通过计算得出声源所在位置。

2.1 木材声发射信号采集与析取

以思茅松板材为研究对象，板材尺寸为(210 cm×32 cm)。采用铅锌折断方式在不同位置产生声发射信号。传感器采用声华SR150N型声发射传感器，该传感器信号采集频率范围22～220 kHz。前置放大器采用PAI前置放大器，响应频率为10 kHz～2 MHz，增益为40 dB。采用NI公司的DAQmx采集卡进行数据采集，并基于LabVIEW建立信号采集和处理平台。木材声发射源定位实验平台如图2所示。

图2 木材声发射源定位实物图

根据图2中的实物进行定位实验，首先运用小波分析对声发射信号进行去噪处理，通过LabVIEW软件测试出滤波后信号的到达时间，从而根据公式(1)所写的三角定位方程，求得声源所在位置。采用小波分析方式对信号进行滤波降噪处理。通过图2的声发射采集设备，实时记录结构中的时域信号。在布置传感器过程中为了计算方便，选择点多为整数点，不影响定位效果。为了更好地使传感器与木材相贴合，选用硅胶作为黏合剂，均匀涂抹在传感器表面。三角定位采用3通道采集，布置3个传感器，主要运用时差定位方式，用LabVIEW软件结合NI采集设备实现对实验中信号的采集、提取、分析工作。

图3为LabVIEW采集、去噪、信号分析程序。分别完成对木材声发射信号的信号采集工作，需要设定采样物理通道。线定位采用两通道，两传感器，三角定位采用3通道、3传感器。设置采样电压(-5 V、+5 V)，采样率500 kHz，有效信号频率范围为0～250 kHz，之后设定文件保存路径。另一部分主要完成对声发射信号的调用、提取、截取、小波包降噪、频谱分析等工作。可实现多通道同时调用分析。

图3 数据采集、提取、分析子程序

2.2 木材声发射信号传播速度测算

声波在木材中的传播过程受到木材种类和木材内部结构的影响，即使同种木材在不同的区域内声波的传递速度也是不相同的。因此针对本研究的木材声发射源定位，综合实验条件，声速测量采用基于传播时延差的测速方式。该方式是测定参考节点到达两个接收节点的时间差，距离为参考节点到达两个接收节点的距离差。避免了测量绝对时间值可能导致的误差。

图4 声速测量传感器布置

表1 声速测量坐标与计算声速结果

2.3 木材声发射源定位

实验采用在不同采样点处进行铅锌折断模拟木材声发射信号，设置传感器分布坐标分别为(0,0)、(0,20)、(120,20)。图5所示为三角定位传感器布置实物图。信号发生点分别为(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)。分别对不同坐标信号采集，并对采集到信号进行处理，对3通道信号分别进行小波分析。之后对小波分析得到的信号进行频谱测量，得到信号的频谱图。最后通过计算得出到达各个传感器的时间。图6为木材声发射三角定位实验中采集到的原始信号、小波滤波后信号，以及滤波后频谱图，选择采用点为(20,20)。可以看出信号到达各个传感器时，都存在不同程度的量衰减情况，传感器2距离采样点最近，衰减较小；传感器3距离最远，衰减程度最高。传感器3采集到的信号由于最弱，与环境噪声叠加后，已经出现了部分失真，采用小波分析降噪后，可以较好地还原有用信号。该种木材断铅实验声发射信号的能量主要集中60～80 kHz附近，此外还有其他频段信号。

图5 三角定位传感器布置实物图

三角定位实验中，3个传感器的坐标分别为Q1(0,0)、Q2(0,20)、Q3(120,20)。三角定位计划做6组试验，信号发生点分别为(20,20)、(60,20)、(60,10)、(120,10)、(70,15)、(90,10)，并分别对每个位置进行3次实验，统计每组实验的均方误差。公式为：

表2 定位实验计算坐标位置结果与误差

续(表2)

图6 平面定位信号处理与分析图

通过对以上测量与计算结果的分析，采用三角定位对木材声发射源定位有较好的定位效果。然而受到木材本身内部结构的影响，声波传递中的散射衍射及衰减等，且在断铅过程中存在一定的人为误差，比如无法保证每次断铅角度和断铅速度等。使得定位结果的偏差出现一种非规律性定位排列。但定位结果还是总体可以保证在2%以内的。从信号的频谱图中看，声发射信号在传播过程中有较大的损失，每个信号在到达不同传感器时，损耗都比较明显。这是由于声波在木材中传播时，受到木材内部结构影响较大，木材为非均匀介质。此外频谱并不是一个确定值，而是一种相对集中状态，证明声发射波在木材中的传播并不是同一路径，而是多路径传播的过程。另外频谱图呈现为一种集中状，证明声波在传播过程中虽然存在衰减或者多路径传播，但其传播速度是基本保持一致的。

3 结束语

分析了木材声发射定位的常见定位方法，采用了三角定位方式进行声源定位。采用基于LabVIEW的编程方式，实现对木材声发射信号的采集与析取。在实验过程中，对采集到的有效信号，运用小波分析的方式进行滤波去噪处理。可以看出，实验对定位误差控制在2%之内，对误差的分布情况进行比较后发现，木材的声源定位存在更多的随机误差影响。同时得出三角定位的定位方式对木材声发射信号定位比较精确，是一种适合于木材声发射源定位的方法。这对于测量木材内部的损伤以及断裂定位具有参考价值。

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Acoustic Emission Signal Source Localization in Wood Surface with Triangle Positioning Method

Shen Kenan, Ding Xinzeng, Zhao Hailong, Li Ming(Southwest Forestry University, Kunming 653224, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：77-81,112.

In order to determine the position of wood surface acoustic emission source, we first designed the multi-channel acoustic emission signal acquisition system based on LabVIEW by using high speed acquisition equipment, and used wavelet analysis to extract the useful signal method for transmitting signals from the original sound. Then, according to the signal propagation time difference we determined the acoustic emission signal in the average propagation rate of wood surface. Finally, on the basis of geometric positioning time, we put forward the wood surface of acoustic source localization method, and verified it by the lead core test of acoustic emission source simulation.

Wood surface； Acoustic emission； Triangle positioning method

1) 国家自然科学基金项目(31100424);云南省教育厅科学研究基金(2013J018)。

申珂楠，男，1988年8月生，西南林业大学机械与交通学院，硕士研究生。E-mail：kekedear@126.com。

李明，西南林业大学机械与交通学院，副教授。E-mail：swfu_lm@swfu.edu.cn。

2014年9月28日。

TN911.7

责任编辑：戴芳天。