基于小波分析的应力波木材内部缺陷诊断研究

杨启格 王军

【摘 要】针对人工检测木材内部质量的缺陷存在的成本高，效率低等缺点，本文采用应力波无损检测对木材内部进行缺陷诊断，利用小波分析对采集到的应力波数据进行去噪处理，重构后的数据经FFT变换可得到清晰的缺陷木材共振频率。实验结果表明利用小波分析的检测方法结果准确，可以对木材内部缺陷定性诊断。

【关键词】木材内部缺陷检测；应力波；频谱；小波分析

中图分类号：S781.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0048-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.021

0 引言

木材在存放，搬运，生产加工的过程中，会使木材腐烂、碰撞、变形，因此影响其使用。传统的人工检测木材的方法成本高，劳动力需求大，效率低且结果不够准确。應力波无损检测能在不破坏木材的前提下对木材内部缺陷进行诊断，应用广泛，实用简便，小波分析对检测信号进行分解和重构，提取了木材缺陷的信息，提高了检测木材内部缺陷的准确度和精度。

国内外科研工作者注重应力波无损检测在时域角度的研究，如应力波的传播时间、速度的变化等等，而木材的应力波无损检测在频域角度的成果不是很显著[1]。傅里叶变换解决了时域与频域的交换问题，小波变换是傅里叶变换的加强版，既实现了时域与频域的转换，也提高了信号分析准确度和精度。

1 基于小波分析的应力波无损检测原理

应力波是一种弹性波，在可变性固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化。木材的物理性质影响着应力波的传播速度，如密度、木材种类等；应力波传播会发生散射、折射等现象。当木材收到冲击作用，因自身内部粒子间的弹性作用而产生应力波[2]。

应力波木材无损检测[3]基本原理是利用脉冲锤敲击试件产生应力波，通过测量应力波在试件内的传播时间和传播速度变化来确定试件的性质（如弹性模量、孔洞、腐朽等）。当木材内部出现腐朽、孔洞时，由于应力波不能沿直线进行传播，传播时间会增加，也可以解释为应力波传播时间或传播速度降低，因此可以通过分析应力波传播时间或传播速度的变化规律来判断被测试样内部是否存在缺陷[3]。小波变换在频域和时域上有着优越的性能，可以分析信号在频域和时域上的成分，实现了信号的高频部分时间细分、低频部分频率细分。

小波变换在频域和时域上有着优越的性能，可以分析信号在频域和时域上的成分，实现了信号的高频部分时间细分、低频部分频率细分[4]。

2 系统整体构架

本次试验的基本流程如下图1所示。硬件系统的作用是实现应力波信号的采集与分析。首先将检测系统（该系统是以STM32为核心芯片设计的）和实验木材之间正确连接[5]，将传感器探头垂直插入木材边缘，用橡胶锤敲击木材产生应力波，应力波通过传感器拾取并进行信号处理，最后采用小波分析对检测到的应力波数据进行去噪和重构。

3 试验分析

选定两组木材，其中一组为无缺陷木材，一组为有缺陷木材，布置传感器完成后，分别敲击传感器，记录数据，进行对比。将信号通过小波变换，用MATLAB进行数据处理，通过MATLAB得到频谱图像进行分析。

3.1 木材应力波频率测试

选择无缺陷和有缺陷的木材，连接好木材与检测系统，确定八个测试点，每个测试点敲击7次，进行采集数据。

3.2 小波变换分析

检测系统采集的原始应力波数据，会受到不同的高频噪声干扰，所以需要进行小波去噪。去噪后的图形如图2所示，从图中可以看出小波去噪可以去除干扰噪声信号的频谱，去除高频保留低频，可得无缺陷木材经小波变换后的共振频率为907.9Hz。

有缺陷木材经过小波去噪得到的频谱图如图3所示。由图可知小波变换后缺陷木材的共振频率为668.3Hz，经图2与图3对比可知有缺陷和无缺陷木材的共振频率是不同的，有缺陷木材的共振频率低于无缺陷木材的共振频率。

由小波去噪后的频谱图像与原始信号的频谱图像对比可得，小波去噪可以根据信号和噪声在小波变换各尺度上的不同传播特性，判断出信号对应的小波系数包含有用信号的信息，其幅值比较大，但是数目较少，而噪声对应的小波系数是一致分布的，个数较多，但是幅值较小。从而剔除由噪声产生的频谱，保留信号对应的频谱，然后对剩余的信号进行重构，进而恢复信号。

4 总结

本文首先对基于小波分析的应力波木材缺陷检测的原理进行了综述，检测系统的整体架构以及硬件部分的设计，最后进行木材应力波实验，利用小波分析对检测到的应力波数据进行去噪处理。研究表明了木材在有无缺陷情况下的内部应力波传播频率的不同，通过小波变换进行小波去噪，分解重构信号波形，可以判断木材的内部是否有缺陷。相比人工方式的检测方法，基于小波变换的应力波木材内部缺陷的检测方法是可行有效的。

【参考文献】

[1]刘立伟.基于小波变换的木材应力波缺陷检测研究[D].东北林业大学.2017.

[2]李家伟，陈积懋.无损检测手册[M].机械工业出版社，1993.

[3]冯海林，李光辉.应力波传播模型及其在木材检测中的应用[J].系统仿真学报，2010，（6）：90-93.

[4]江幸莲.基于小波分析的桩基低应变检测数值模拟及方法研究[D].华南理工大学，2013.

[5]王立海，杨学春.木材应力波无损检测研究[M].科学出版社，2011，10（5）：90-100.