基于LabVIEW的木材声发射信号采集与小波析取

为了获取木材声发射信号波形,采用NI高速数据采集设备构建了一种多通道声发射信号采集系统,同时基于LabVIEW软件设计了相应的信号小波析取与处理平台,实现多通道声发射信号采集、分离、波形析取及频谱分析等基本功能。最后通过木材试件声发射试验验证了该系统的效用,并且通过对3种不同信号析取方法的比较,进一步验证小波分析的优势。作为一种通用的木材声发射信号采集与处理平台,该系统为木材声发射信号研究提供了必要的基础保障。     

不同含水率云南松声发射信号特征

【目的】研究不同含水率条件下云南松试件声发射信号的传播规律,探讨含水率对声发射信号波形的响应,为云南松声发射源定位提供依据,为木材内部缺陷无损检测提供基础数据。【方法】以云南松为试验材料,采用NI高速数据采集设备和LabVIEW软件构建云南松试件声发射信号采集平台,利用铅芯折断模拟声发射源,对绝干、气干、生材和饱水4种含水率状态下的试件表面进行声发射信号采集,通过时差法计算信号在4种含水率状态下的平均传播速率,并运用小波分析对声发射信号波形进行分解和重构,根据软阈值量化方法消除各通道系数和经阈值量化后的各高频层系数,去除非主能量信号以便从噪声中析取微弱的声发射信号。【结果】试验中传感器均以接收表面波信号为主;随着含水率增加,云南松试件表面声发射信号波形和平均声速均大幅度衰减,绝干状态下声发射信号时域波形幅值达到±5.2 V,平均声速可达4 208.77 m·s^-1 ,而饱水状态下信号时域波形幅值仅为±0.6 V,平均声速降至1 414.07 m·s^-1 ,气干和生材状态下信号时域波形幅值和平均声速分别为±4、±2 V和 3 331.79 、 2 328.73 m·s^-1 ,且各含水率状态之间平均声速差在876.98~1 003.06 m·s^-1 范围内;小波变换能有效将“淹没”在噪声中的声发射信号析取出来,4种含水率状态下试件声发射信号频域波形范围在40 ~150 kHz之间,且气干状态下波形峰值出现在110 kHz左右,其余3种均在50 kHz左右达到峰值。【结论】含水率增加可显著改变云南松声发射信号和传播特征,其信号波形和平均声速均与含水率降低呈正比;小波变换在信号降噪处理方面具有明显优势,不仅可去除信号中的大量噪音,而且不会破坏有用信号,保证信号完整性,能更大程度降低对不同含水率云南松试件声发射信号的分析误差,为云南松表面声发射源定位研究及内部无损检测给予试验数据支持;作为一种木材声发射信号采集与分析平台,研究结果可为不同含水率云南松受压变形破坏全过程的声发射特征分析提供必要的基础理论依据。     

动态载荷下基于声发射技术的杨木破坏过程检测

利用声发射检测和力学试验相结合的方法,研究山杨木材在动态载荷下的声发射演变过程;结合木材粘弹性特点,通过声发射参数分析研究在不同受力阶段木材的声发射特点.结果表明:1)声发射信号幅值不连续,是跃迁的;材料断裂前声发射信号的幅值和能量比断裂后小,在断裂点对应声发射信号幅值和能量的局部极大值.2)随时间和载荷的变化,声发射累计撞击数和累计能量增加快慢可以体现杨木在受力条件下的完全弹性、弹性为主的弹塑性共存、塑性为主的弹塑性共存3种状态.3)声发射率和幅值参数可以预测材料纤维开始断裂进入危险期的第一"临界点"和材料大量纤维断裂进入严重危险期的第二"临界点",如果继续加载材料将会破坏断裂.     

声发射技术在木材加工领域的应用

作为一种主动无损检测方式, 声发射技术通过分析被测物体内部因能量变化所引发的弹性波的特征, 判断物体内部损伤程度并确定损伤位置。声发射技术为木材加工过程应力监测提供了一种主动无损检测模式, 但受木材自身各向异性等特点的限制, 目前声发射技术在木材工业中的应用尚处于探索阶段。为此, 文中重点介绍了目前声发射技术在木材切削加工、木材及木质结构、木材力学性能、木材干燥过程等木材加工过程的应用现状, 并在此基础上根据木材声发射信号特点, 提出一种基于LabView及高速采集设备的木材干燥过程声发射监测系统设计方案。     

声发射技术在木质材料损伤监测中的应用研究进展

木质材料损伤演化特征的监测一直是木材科学的研究热点。声发射技术是一种具有实时性、连续性的监测技术,在木质材料损伤监测研究中得到广泛应用。文中围绕声发射技术在木质材料损伤监测领域研究中的应用情况,总结了声发射技术原理与分析方法,归纳了木质材料特性对声发射信号的影响因素,并分别从木质材料损伤源定位、实木和木基复合材料损伤监测以及发展前景3个方面进行分析与讨论,以期为声发射技术在木质材料领域的进一步应用发展提供参考。     

基于声发射技术模拟蛀木害虫羽化孔洞缺陷检测

【目的】针对木材蛀干害虫羽化孔洞缺陷检测问题,通过对声发射信号的时频分析,研究木材蛀干害虫羽化孔洞缺陷的AE信号特征。【方法】首先,对无孔洞和3种不同尺寸的钻孔缺陷的木材试件,参照ASTM-E976标准采用铅芯折断方式产生AE源,通过采样频率为500 kHz的2通道木材声发射信号采集系统获取原始AE信号。然后,对原始AE信号进行降噪滤波,再对滤波后的信号进行小波分解并重构AE波形,分析孔径对AE信号频率分布的影响。最后,采用信号相关性分析法和时差定位法,计算AE信号的传播速率,进而分析羽化孔径对传播速率的影响。【结果】AE信号通过无孔洞、5 mm孔洞、8 mm孔洞、15 mm孔洞缺陷,AE信号的主频率分别为38、43、51、117 kHz,AE信号传播的平均速率分别为1 380.7、1 067.3、848.6、437.1 m/s。【结论】AE信号在不同孔径缺陷的木材试件传播时,随着孔洞缺陷的增大,AE信号的幅值发生明显衰减,AE信号的主频率增大,AE信号传播的平均速率减小。为了验证试验结果和结论,找了具有天然蛀干害虫羽化孔洞缺陷的木材试件,孔洞直径约为20 mm,使用相同的方法采集和处理AE信号,AE信号通过天然蛀干害虫羽化孔洞缺陷的主频率为121 kHz,AE信号传播的平均速率为324 m/s。     

马尾松胶合木表面声发射信号各向异性传播规律

针对木材各向异性所导致的同一声发射(acoustic emission,AE)源在不同方向上传播速率各异的问题,研究了同一AE源在4个不同方向上发出的AE信号波形特征和传播速率随角度变化的规律。首先,采用0.7mm铅芯折断方式模拟声发射源,在马尾松胶合木表面沿纹理方向顺时针每隔15°,通过采样频率为500 k Hz的四通道高速采集系统收集原始AE信号。然后,基于小波分析的方法从原始信号中重构AE信号波形,根据小波变换原理和AE传感器的分辨范围,采用daubechies小波进行5层小波分解,在分析各层高频细节信号时频域特征的基础上进行AE信号波形重构。最后,利用信号相关性分析的方法确定AE信号,通过2个传感器的时差,进而采用时差定位法计算AE信号的传播速度。对于不同方向的AE传播速率,通过多项式拟合的方法,提出AE传播速度随角度变化的函数关系。     

木材干燥过程中声发射信号分析

对木材在干燥过程中产生的声发射信号进行采集和特征分析,结果表明:木材干燥过程中主要采集到两种不同类型的声发射信号:一种信号来自木材内部自由水的蒸发,与木质部导管内水分空穴化过程的声发射信号一致;另一种信号与木材干燥过快时自身形变开裂相关.作为一种木材干燥质量的控制方法,测量和分析声发射信号,可为木材干燥温度和湿度的控制提供依据,实现防止木材干裂、提高木材干燥质量的目的.     

木材干燥过程中声发射信号分析北大核心

对木材在干燥过程中产生的声发射信号进行采集和特征分析,结果表明:木材干燥过程中主要采集到两种不同类型的声发射信号:一种信号来自木材内部自由水的蒸发,与木质部导管内水分空穴化过程的声发射信号一致;另一种信号与木材干燥过快时自身形变开裂相关。作为一种木材干燥质量的控制方法,测量和分析声发射信号,可为木材干燥温度和湿度的控制提供依据,实现防止木材干裂、提高木材干燥质量的目的。     

含LT型裂纹木梁起裂载荷确定方法的试验研究

木材裂纹萌生的准确判定对木材损伤断裂的评估具有重要的意义,起裂载荷是标定裂纹萌生的关键参数。本试验以杉木为研究对象,利用声发射技术(AE)、数字图像相关法(DIC)和电测法(EM),对含LT型裂纹木梁的损伤断裂特性进行了试验研究。通过研究木梁在加载过程中声发射参数变化规律以及裂尖区域的表面应变信息的演变,分析木梁裂纹萌生规律并确定起裂载荷Pini。结果表明:声发射累计振铃计数、幅度可有效反映木梁内部损伤的产生和演化,利用声发射参数的变化规律能准确确定含LT型裂纹木梁的起裂载荷Pini;数字图像相关法、电测法可以实时监测木梁表面裂缝尖端区域的应变变化,根据应变演变特征可以有效监测木梁表面裂纹的萌生和扩展。声发射技术、数字图像相关法、电测法在确定木梁起裂载荷Pini方面有较好的适用性,所确定的起裂载荷大小为:电测法>数字图像相关法>声发射。试验结果为研究监测含LT型裂纹木材裂纹萌生的试验方法提供了依据,应用时可结合实际工况选择合适的测量方法。     

木材损伤断裂过程的声发射特性与Felicity效应

以2种针叶材、2种阔叶材为试材,研究无缺陷试件和含横纹裂纹试件在弯曲破坏过程中材料内部微结构演化的声发射特性,并利用声发射特征参数对几种损伤类型进行辨识.结果表明:1)无缺陷试件在加载初期声发射事件发展较为缓慢,且出现的主要是一些低振幅的AE信号,而大量高振幅AE信号出现在峰值载荷附近及韧性断裂阶段;2)利用声发射监测含裂纹试件在三点弯曲载荷下的损伤并断裂全过程,可以明显地识别裂纹尖端启裂和扩展的不同阶段;3)声发射信号的特征与损伤模式有关,胞壁断裂对应的AE特征为高幅值、高能量及长持续时间,而胞壁界面损伤与层裂损伤和细胞屈服与压溃损伤对应的AE特征为低幅度、低能量及短持续时间;4)木试件在低载荷水平下呈现Kaiser效应,而在高载荷水平下呈现Felicity效应,应用Felicity比能够较好地反映木结构的损伤程度.     

木质材料损伤断裂中声发射特性的研究进展及趋势

介绍声发射技术的定义、原理和特点,以及声发射技术作为一种新型的动态无损检测方法在木材工业中的应用,重点分析当前国内外学者对木材及木基复合材料损伤断裂中声发射特性的研究情况,指出由木材及木基复合材料损伤断裂中的声发射特性,可以在线监测木质材料裂纹尖端起裂时间、破坏源的位置以及材料损伤的严重性,较好的识别木质材料损伤断裂的不同阶段,对构件的安全性检测具有重要意义。在此基础上,指出今后声发射技术在木质材料科学领域的发展趋势。     

声发射及其在木材工业中的应用

介绍了声发射的定义、性质,声发射的计测工作原理、信号类型和信号处理方法,并介绍了声发射在木材工业中的应用。     

基于振动模态分析的落叶松节子定位的无损检测

木材作为结构材使用时,节子的存在影响木材的强度,降低了木材的利用价值.为了节约木材,提高木材的使用率,人们一直在研究木材缺陷无损检测的方法.Beall(2000)首次使用表面传感器研究人造板的力学性能和内部缺陷,收到良好效果.日本学者小玉泰羲(2000)用连续小波变换分析处理利用敲击木材所获得的声信号,对气干木材的节子缺陷进行检测,研究发现,当木材含有节子缺陷时,声信号的共振频率降低、声信号共振的持续时间缩短.     

基于小波与相关性分析的木材声发射源直线定位算法改进

为研究木材损伤过程中声发射(acoustic emission,AE)信号源定位问题,提出了一种基于小波和信号相关性分析的木材表面AE源直线定位方法。首先,采用NI高速采集设备和Lab VIEW构建双通道的AE信号采集系统,并设定采样率为500 k Hz。然后,通过5层小波分解的方法对原始AE信号进行降噪处理后重构AE波形,分别采用信号相关性和最大值分析方法确定AE信号在2个固定传感器之间的传播时差,并由此计算AE信号的传播速度。最后,在距原点150和200 mm处设置2个人工AE源,针对不同方法所确定的传播速度,采用基于时差的直线定位算法进行AE源定位。试验结果显示,对于原始AE信号采用信号相关性和最大值分析后,两处的定位相对误差分别为40%,32%和28%,15%。对原始AE信号进行小波降噪重构后,相应的相对误差分别为2%,26%和1%,11%。因此,对原始AE信号进行小波处理后,再基于相关性分析方法计算AE传播速度,能够明显提高AE源定位算法精度。     

基于小波分析的木材干燥过程的声发射信号的去噪研究

指出了木材结构的各向异性导致了木材声发射信号的提取的困难性。小波分析作为信号和信息的处理工具由于其优越性已经被大家所认可,特别是在去噪方面,小波的多分辨分析、相关性、低墒性使其在去噪领域有着独特的优势。声发射技术是一种动态的无损检测技术,它不仅能对缺陷进行实时的动态监测,还能对发展趋势进行预测。     

基于Daubechies小波基的木材声学振动信号分析与评价

针对音板木材振动信号分析不深入的问题,本研究基于小波包分析方法对木材振动信号进行分析,建立一种木材声学振动评价的新方法。利用多通道FFT分析仪获取泡桐木材的振动信号,基于Daubechies小波基函数对振动信号进行3层小波包分解与重构,得到了振动信号的特征值,将小波包变换后木材振动信号的特征值与传统方法测定的声学振动性能参数进行比较分析。研究结果表明:木材的振动信号能量主要集中在0～1 000 Hz,在传播的过程中能量衰减迅速;对振动信号进行时域分析时得出,木材的动态弹性模量随着峭度因子的增大而减小,随着峰值因子的增大而增大;基于Daubechies小波基的分析方法得到的振动信号特征值与声学振动参数之间具有显著的相关性,其中木材信号的特征能量率与木材声学振动参数动态弹性模量、声辐射品质常数以及声传播速度之间存在显著的正相关关系,与声阻抗以及对数衰减率的相关性及变化趋势之间有显著的负相关关系。研究表明,可以应用Daubechies小波对木材振动信号进行分析与评价,此方法为木材声学振动性能的客观评价提供了新思路。     

激励信号对山杨木材电阻测量的影响

木材电阻测量在含水率检测和立木腐朽检测等方面具有重要意义。为分析激励信号对木材电阻测量的影响,以含水山杨试件为研究对象,在实验室使用不同电流种类、电压、波形和频率的激励信号进行电阻测量试验,并对电阻测量值进行方差分析和回归处理。结果表明,电流种类对木材电阻测量有显著影响,木材的直流电阻比交流电阻高。直流信号的电压对电阻有影响,电阻随直流电压升高而减小。交流信号的电压和波形对木材电阻的影响都不显著,但频率的影响则是显著的,木材电阻随频率升高而下降。在实验室条件下,1 000 Hz左右的交流信号比较适合作为木材电阻测量的激励信号。     

基于声发射的樟子松锯材表面横波与内部纵波传播特性及能量衰减规律

为研究不同声发射(acoustic emission,AE)模态的传播特性与能量衰减模式,依据波动理论提出一种木材AE信号表面横波与内部纵波析取方法,进而建立AE信号能量衰减模型。首先,依据ASTM-E976-2015通过铅芯折断的方式在樟子松锯材表面产生AE源,并在不同位置采集表面横波与内部纵波的AE原始信号,采样频率设置为500 kHz;然后,采用小波分析方法从原始信号中重构AE波形,分析木材AE信号表面横波与内部纵波的传播特性;最后,通过指数函数拟合的方法,构建表面横波与内部纵波能量衰减模型。结果表明:表面横波与内部纵波在樟子松锯材中传播时AE能量均呈明显的指数衰减规律,但在频率分布和传播速率上均有较大差异。表面横波在传播初始阶段主要分布在以80.0 kHz和113.3 kHz为中心的两个中高频段内,随着其在木材表面的传播,高频信号迅速衰减为低频信号。而内部纵波始终处于相对低频段内,其平均传播速率约为表面横波的4.6倍。     

声发射在日本木材工业中的应用

声发射(AE,Acoustic Emission的缩写)在材料科学方面的应用引起了广泛的重视,同样在木材工业的应用也已成为热门课题,例如:利用声发射评价材料优劣、探讨木质材料和胶层的破坏机理,识别木材破坏、胶合不良及缺陷材的无损检测,预测木材人工干燥中的开裂,从而控制干燥工