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。     

木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响

【目的】研究木材密度和含水率对其轴向超声波传播速度的影响及其规律,为木材超声波无损检测技术的应用提供理论依据。【方法】采用超声波探伤仪Epoch XT对6个树种木材(3种针叶材:杉木、红松和樟子松,3种阔叶材:核桃楸、白桦和蒙古栎)在不同相对湿度环境(20℃,50%RH,65%RH,85%RH和95%RH)达平衡含水率的木材试样轴向声速进行测定,分析木材密度和含水率对其轴向声速的影响,探讨含水率的增加在不同树种木材间引起轴向声速降低量的差异及其原因。【结果】6个树种木材在同一相对湿度下的平衡含水率存在差异,随着相对湿度增加,不同树种木材之间平衡含水率的差异增大。3种阔叶材的绝干密度均高于3种针叶材,但阔叶材与针叶材之间轴向声速的比较没有发现规律性;对于单一树种木材而言,其绝干密度与轴向声速之间的相关性不显著,决定系数R~2均低于0.24;对6个树种木材的绝干密度与轴向声速之间的关系进行统一分析,结果发现木材轴向声速随绝干密度的增加总体上呈降低的变化趋势,但二者之间无显著相关性,决定系数R~2仅为0.42。6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势,线性回归的决定系数R~2均大于0.91;与3种阔叶材相比,3种针叶材之间"单位含水率的轴向声速降低量"的差异程度较小:针叶材中红松与樟子松单位含水率的轴向声速降低量几乎相等,分别为42.6 m·m~(-1)%~(-1)和42.4 m·m~(-1)%~(-1),杉木单位含水率的轴向声速降低量最小,为38.1 m·m~(-1)%~(-1);阔叶材中蒙古栎单位含水率的轴向声速降低量最大,为55.4 m·m~(-1)%~(-1),约为白桦(23.1 m·m~(-1)%~(-1))的2.4倍。【结论】无论是对单一树种木材还是6个树种木材的综合分析,结果均表明,木材绝干密度与其轴向声速之间无显著相关性。超声波沿木材轴向的传播速度不能仅用密度单一因子来预测,其在很大程度上还取决于木材的组织构造特点,如管胞、导管和木纤维的长度以及木射线比率等。在纤维饱和点以下,6个树种木材的轴向声速均随含水率的增加呈线性减小的变化趋势。吸着水增多使得木材细胞壁实质的声阻增加是引起木材轴向声速与含水率呈负相关的原因。此外,木材组织构造与细胞类型的差异、抽提物含量的高低、侵填体的有无以及木射线比率等均可能是引起不同树种木材之间"单位含水率的轴向声速降低量"存在差异的原因。     

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A...     

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。     

杉木生材含水率分布及其对气干的影响

以人工林杉木为研究对象,研究生材状态下不同厚度锯材含水率的差异,比较含髓心、钝棱与其他类型等3类锯材的含水率差异,建立生长轮宽度与锯材含水率的关系,分析生材状态含水率对锯材气干周期的影响。研究结果显示,25mm和40 mm的锯材含水率差异极显著;含髓心锯材含水率最低,其次是其他类的,最大是含钝棱锯材;随着生长轮宽度减少,锯材含水率增大;生长轮宽度为4 mm时,是生材含水率分界线,即当生长轮平均宽度小于和不小于4.0 mm时,锯材含水率差异极显著;25 mm和40 mm厚不同含水率锯材各2组气干至含水率25%,低含水率锯材较高含水率的气干周期分别缩短57%和66%。     

高频真空干燥的落叶松实木产品尺寸变化量的确定

笔者测试了从生材高频真空干燥至11%含水率的落叶松试件的干缩率和在25℃干球温度、90%至60%相对湿度下的尺寸变动率,提出了确定高频真空干燥的落叶松试件尺寸变化的精确方法。     

微坑型微织构硬质合金表面对木材摩擦特性的影响

【目的】探讨木材含水率、木材切面和纤维方向以及运动速度等因素对木材表面摩擦系数的影响规律,为设计更加合理的木材切削刀具表面织构形式提供参考和指导。【方法】以水曲柳和樟子松为研究对象,在具有不同微坑直径硬质合金表面条件下,研究木材含水率、木材切面和纤维方向以及运动速度等因素对木材表面摩擦系数的影响。【结果】与无微坑表面相比,当微坑直径为60μm、含水率为67%±3%时,在水曲柳表面产生的摩擦系数由0. 151降低到0. 091,降幅为39. 7%,在樟子松表面产生的摩擦系数由0. 241降低到0. 164,降幅为32. 0%。木材径切面上纤维方向差异对表面摩擦系数的影响不大,但在横切面上,微坑直径越小,其表现出的摩擦系数越高。摩擦过程中运动速度对表面摩擦系数的影响与木材中的水分有较大关系,当含水率处于生材状态时,表面摩擦系数随运动速度增大而降低,且微坑型结构表面产生的摩擦系数降幅明显高于无微坑表面,无微坑表面产生的摩擦系数由0. 160降低到0. 134,降幅为16. 3%,微坑直径为60μm时的摩擦系数由0. 124降低到0. 071,降幅为42. 7%。【结论】木材含水率状态对微坑型表面微织构与木材之间的摩擦系数影响较大,木材中自由水的存在有利于降低硬质合金与木材表面之间的摩擦系数。微织构直径越小,其接触角平均变化率越大,表面铺展速度越大,越有利于改善木材/硬质合金摩擦副的状态,使表面间的摩擦系数减小。     

米老排林下黄藤的生长表现和光合特征

米老排林下种植6年的黄藤主茎长为0．28±0．04m,产生萌茎的植株占48％,平均拥有萌茎1．3±0．2条,远远低于相邻间伐50％的马尾松林下的黄藤;黄藤植株晴天全天得到的有效光合辐射和相应的净光合速率最高为0．6μmol·m^-1·s^-1和0．05μmolCO2·in^-1·s^-1,远远低于空旷地上的1539μmol·m^-1·s^-1和3．11μmolCO2·m^-2·s^-1,表明米老排林下黄藤生长缓慢,可能与其得到的有效光合辐射较低有关,若在米老林下间种黄藤需进行间伐以增加透光。     

霍普金森试验下沙柳顺纹动态力学特性分析

为研究沙柳顺纹方向的动态力学特性,利用分离式霍普金森压杆试验技术对沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材的动态力学性能进行研究,分析应变率效应对试件动态力学性能的影响。将不同类型的沙柳顺纹试件在平均应变率为300,500和800 s-1条件下的动态屈服应力进行了比较并分析了原因,阐述了沙柳顺纹试件在动态压缩试验中的阶段特性,得到了3组试件分别在不同平均应变率条件下的破坏形态并分析了其形成原因。对试验结果分析后发现,沙柳顺纹方向具有较明显的应变率效应。在同一平均应变率条件下,沙柳顺纹材的动态屈服应力依次为浸泡材生材气干材。沙柳顺纹方向的动态应力-应变响应特性可分为弹性变形、塑性坍塌和失稳压溃3个阶段。3组沙柳顺纹试件在较高平均应变率的冲击载荷作用下均被压溃形成细小的片状碎屑,但是由于浸泡材和生材中的水分与纤维之间的摩擦力作用,使这两组试件中的细小片状碎屑仍黏在一起,未出现散落现象。     

基于熵和波形特征的木材损伤断裂过程声发射信号处理

为了通过声发射信号(AE)对木材内部损伤状态进行评估,本研究选择能够表征信号复杂程度(熵值)以及波形变化(脉冲因子、裕度因子、峰值因子、波形因子)的特征,并通过对木材试样三点加压弯曲实验采集原始声发射信号。另外,为了抑制干扰,提高信号特征对损伤状态的敏感性,提出了一种采用EMD分解方法,基于信号能量、瞬时频率、峭度值的信号预处理方法和信号重构机制。最后,获取重构AE信号的熵值(信息熵、指数熵)和波形特征参数(脉冲因子、裕度因子、峰值因子、波形因子),探索了它们与木材内部损伤与断裂过程的关系,并从中提取6段时序信号进行特征值前后对比分析。结果表明：通过这些特征,可以将木材受力激发出的声发射信号分为4个类别,分别是屈曲AE信号、形变AE信号、微裂AE信号和断裂AE信号,并与木材损坏过程中微观结构变化的4种形式(胞壁屈曲与塌溃、胞壁界面损伤与层裂、微裂隙损伤区的形成与扩展、胞壁断裂)相对应。相比较波形特征,声发射信号的熵值能够更加敏感地反映出木材内部损伤状态的变化。波形特征能够较好地反映出木材断裂后载荷逐渐减小的趋势。本研究提出的信号预处理方法和重构机制,能够提高上述特征对不同损伤状态的区分...     

Acoustic emission signal source localization on plywood surface with cross-correlation method

The high-speed data acquisition equipment which is based on NI and LabVIEW software was used to establish the acoustic emission (AE) signal collection platform, and adopted wavelet analysis method to extract the weak of AE signal waveform from noise, aiming at the localization of AE source on plywood surface. The signal cross-correlation analysis method is used to determine the time difference between the AE signals and the different sensors,so that further calculates the average propagation speed of AE signal on the plywood surface. A kind of AE signal source localization method which is based on the cross-correlation method was proposed according to the principle of geometric positioning, and verified by means of the testing experiment which selected the lead break to simulate AE source. This paper has shown that wavelet analysis can effectively extract AE signal waveform, and the localization method based on cross-correlation principle can precisely calibrate the position of AE signal source.     

南方8种森林地表死可燃物在平地无风时的燃烧蔓延速率与预测模型

【目的】研究Rothermel林火蔓延速率预测模型及另外2种以Rothermel模型为核心的蔓延速率预测模型对南方8种典型森林地表死可燃物的适用性,为林火蔓延速率预测提供理论支撑和指导。【方法】以南方地区8种典型速率地表死可燃物为对象,根据研究对象的野外实际条件,在东北林业大学帽儿山实验林场风洞实验室内,构建不同可燃物床层含水率、载量及高度的可燃物床层,每种可燃物在平地无风条件下进行36次点烧试验,共288次点烧,记录每种可燃物类型不同配比条件下的蔓延速率。通过直接使用Rothermel模型、重新估计Rothermel模型参数、对Rothermel模型形式改进后自建模型的对比,得到最合适的预测模型。【结果】 1)平地无风条件下,南方8种典型森林地表死可燃物床层最大蔓延速率为0.55 m ·min -1 ,平均蔓延速率由大到小依次为:华山松、云南松、毛竹、柳杉、杉木、马尾松、麻栎及青冈栎。2)直接使用Rothermel模型预测的林火蔓延速率误差较大,平均绝对误差为0.18 m ·min -1 ,平均相对误差为70.0%。3)重新估计参数后的Rothermel模型及自建模型,预测的可燃物蔓延速率精度显著提高,平均绝对误差分别为0.04、0.037 m ·min -1 ,平均相对误差分别<18%、16.45%。4)重新估计参数的Rothermel模型与自建模型的预测误差的差异不显著,其中自建模型的预测值与实测值的 R 2 变化在0.71~0.90,平均为0.80。【结论】对南方8种典型森林的地表死可燃物类型,在平地无风条件下,重新估计参数的Rothermel模型及自建模型的预测精度相近,但自建模型可能更简单易用,可预测平地无风条件下可燃物地表火蔓延速率。     

不同强度采伐5年后杉阔混交人工林土壤呼吸速率差异

【目的】比较不同采伐强度下闽北杉阔混交人工林土壤及其各组分的呼吸速率差异,揭示土壤总呼吸速率季节变化的主要影响因子,以期为区域森林采伐对土壤呼吸速率的影响研究提供科学依据。【方法】以闽北杉阔混交人工林为研究对象,2011年8月实施了不同蓄积量采伐强度(中度择伐34.6%、强度择伐48.6%、极强度择伐67.6%、皆伐)作业试验,并与未采伐对照;2016年7月—2017年7月运用Li-8100 A土壤碳通量自动测量系统,对土壤及其各组分的呼吸速率、土壤5 cm深处的温度和湿度开展了为期1年的定位观测。【结果】未采伐和各种强度择伐5年后,土壤总呼吸速率最大值都出现在7月份,最小值出现在1—3月份;皆伐5年后,土壤总呼吸速率最大值出现在6月份,最小值出现在11月份;各种强度采伐林地的矿质土壤呼吸速率与未采伐林地无显著差异( P >0.05);各种强度择伐林地的凋落物和根系呼吸速率都与未采伐林地无显著差异( P >0.05),而皆伐林地的凋落物和根系呼吸速率都显著低于未采伐林地( P <0.05),分别比未采伐林地(1.45和1.11 μmol ·m^-2 s^-1 )减少了0.93和0.53 μmol ·m^-2 s^-1;各种强度择伐林地的土壤总呼吸速率与未采伐林地无显著差异( P >0.05),而皆伐林地的土壤总呼吸速率显著低于未采伐林地( P <0.05),比未采伐林地(4.39 μmol ·m^-2 s^-1 )减少了1.64 μmol ·m^-2 s^-1;中度、强度和极强度择伐林地5 cm深处的土壤温度与未采伐林地没有显著差异( P >0.05),而皆伐使林地土壤温度显著升高( P <0.05),比未采伐林地(18.52 ℃)增加了4.7 ℃;中度、强度择伐林地的5 cm深处土壤湿度与未采伐没有显著差异( P >0.05),而极强度择伐和皆伐使林地土壤湿度显著降低( P <0.05),分别比未采伐林地(30.67%)减少了2.17%和3.98%;土壤总呼吸速率的土壤温度指数模型拟合效果最优,能解释未采伐和各种强度择伐林地土壤总呼吸变化的77.8%~83.3%以及皆伐林地土壤呼吸变化的35.5%;未采伐、中度、强度和极强度择伐林地土壤总呼吸的温度敏感性参数Q 10 为1.77~2.72,皆伐林地的 Q 10 为1.49。【结论】不同强度采伐5年后,各种强度择伐林地土壤及其各组分的呼吸速率与未采伐林地没有显著差异;皆伐使凋落物呼吸速率、根系呼吸速率和土壤总呼吸速率都显著降低;各种强度择伐没有改变土壤总呼吸速率的季节变化规律,但皆伐使土壤总呼吸速率最大和最小出现时间有所提前;研究区土壤温度是土壤总呼吸速率季节变化的主要影响因子。     

施肥对云南蓝果树幼苗抗旱生理指标的影响

[目的]为了解不同氮磷钾配比施肥条件下云南蓝果树的抗旱性生理特征,建立云南蓝果树幼苗最佳施肥技术方案,为其种苗繁育提供理论依据,进而促进其保护措施的有效实施.[方法]以云南蓝果树1年生幼苗为研究对象,根据"3414"肥料效应试验设计,研究不同氮磷钾配比施肥对云南蓝果树幼苗可溶性蛋白(SP)、超氧化物歧化酶(SOD)、过...     

滇中高原森林凋落物不同分解阶段C、N、P的化学计量特征及种间差异

【目的】为了解滇中高原磨盘山典型森林凋落物在不同分解阶段的化学计量特征,揭示滇中高原森林不同分解阶段凋落物的质量特征,为更好地促进滇中高原森林生态系统的凋落物分解进程和养分循环提供理论依据。【方法】以滇中高原的华山松Pinus armandii林、云南松Pinus yunnanensis林、高山栎Quercus semecarpifolia林、滇油杉Keteleeria evelyniana林、常绿阔叶林5种林地为试验区,人为地将自然状态下的森林凋落物分为未分解层、半分解层、已分解层,用以模拟凋落物的不同分解阶段,对不同分解层凋落物的碳氮磷(C、N、P)含量、化学计量比及元素释放率进行分析。【结果】1)随着凋落物分解程度的加剧,5种森林凋落物的C含量不断减少,P、N含量大体呈增加趋势,其中云南松林及华山松林的N含量呈先增加后减少的趋势,常绿阔叶林P含量为先减少后增加,且C、N、P含量在同一分解层中不同森林之间差异显著;2)5种森林凋落物的C∶N、C∶P随着凋落物分解程度的不断降低,云南松林的二者比值最高,N∶P在云南松林、华山松林和常绿阔叶林中先升高后降低,在高山栎林中先降低后升高,在滇油杉林中逐渐降低,且滇中高原森林凋落物C∶P和N∶P均显著小于全球平均水平;3)森林凋落物中C、N、P的总释放率均为滇油杉林>华山松林>高山栎林>云南松林>常绿阔叶林,常绿阔叶林前期元素释放效率快,后期减弱,华山松林和云南松林则相反,滇中磨盘山5种森林凋落物的化学元素易富集难释放。【结论】根据碳、氮、磷的化学计量特征表明,森林种间差异及不同的分解阶段会显著影响凋落物分解过程中的碳氮磷含量、化学计量比及其释放效率。     

林火蔓延过程中辐射换热和点燃特性分析

【目的】基于辐射换热原理和火行为模型,从理论角度研究林火蔓延过程中火源辐射换热规律以及辐射点燃的特点。【方法】林火蔓延过程中的燃烧区为辐射源,其向火蔓延前方的热辐射等效为矩形辐射面。矩形热辐射面的长度为火焰长度,宽度对应火线宽度;环境风速的变化导致热辐射面出现不同程度的倾斜。选取枯立木和枯倒木这2类林火环境中典型可燃物作为辐射接受体,并分别设定接受体微元距地面1.5 m高和贴于地面。将林火蔓延以及至林缘后熄灭过程中对目标物的辐射换热分2个阶段计算,由此推导出接受体的瞬态辐射换热通量和累积的辐射换热量的计算式,并相应构筑辐射点燃的判据。与此同时,结合以往对林火行为规律的认识建立起林火蔓延以及至林缘衰弱熄灭过程中火行为参数间的关系式以辅助模型计算。基于火灾安全计算的有效性原则,设定火灾场景为最糟糕情形,即火焰温度赋值为1 200 K、发射率为1.0,并且一般情形下热辐射在大气中透过率为1.0。计算过程中,取火焰火宽度50 m,火焰长度变化范围为5 m～40 m,而风速变化范围则为0 m·s^-1～10 m·s^-1。【结果】针对特定野外试验工况试算结果确认,辐射换热通量计算结果与野外测量数据高度一致,由此验证了辐射换热模型的可靠性。针对若干火灾场景开展系列计算表明,无论是接受到的辐射换热通量还是累积辐射换热量,枯立木相对于枯倒木都占有优势,但这种优势随环境风速增大有所削弱。火焰蔓延至林缘后对接受体的辐射换热为其能量积累做出主要贡献,是造成辐射点燃的主要能量来源。【结论】随着接受体与林缘间距离的增大,目标物的能量积累水平迅速降低;火焰长度和环境风速则通过改变热辐射辐射换热效率和持续时间以影响辐射点燃的条件。以林缘附近枯立木作为接受体开展热辐射点燃条件的计算证实,当树冠火焰长度增至40 m,30 m以上间隔都能有效避免辐射点燃现象。如果替换成生物防火林带,该间隔则可以大大缩短。本项工作凸显生物防火林带在阻隔林火中的重要性,同时为林火阻隔系统的设计以及林区设施的保护提供特定理论指导。     

青花椒良种“鲁青1号”的选育及栽培技术

【目的】选育丰产、稳产、质优、适应性和抗逆性强的青花椒品种,为昭通市青花椒产业发展提供优良种源和技术支撑。【方法】在鲁甸县青花椒人工种植林中选出优良青花椒单株进行区域试验、扩繁和生产试验,选育出“鲁青1号”优良品种;通过与本地青花椒比较,评价“鲁青1号”的产量性状和品质。【结果】“鲁青1号”具有果大、质优、丰产及稳产等特性,其果实呈绿色,成熟后呈紫红色;果穗塔型,紧凑,平均单株产量鲜果12 kg,10年以上20 kg;平均穗粒80粒,鲜果千粒重90 g。果皮挥发油含量0.0969 mL·g^-1,水分含量11.9%。【结论】“鲁青1号”具有生长旺盛、适应性和抗逆性强、果大、色泽鲜亮、丰产等特点,适宜在昭通市干热河谷地区推广种植。     

基于ICESat-GLAS数据和回波仿真原理识别森林类型

[目的]利用星载激光雷达波形数据对森林类型识别时,受地形、噪声和林层结构等因素影响,针叶林、阔叶林和混交林森林类型识别精度较低,为提高森林类型识别精度,需提取与森林类型相关的波形特征参数.[方法]结合回波仿真原理与林分冠层特征对GLAS回波波形进行理论分析,提出了与森林类型相关的波形特征参数147R-cafit-、K1...