仝緣圓， 高玉瑩， 張 凝， 白 戈， 郭豐騰， 徐華東

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086)

在自然環(huán)境中，木材容易受內(nèi)外界因素的影響致使材質(zhì)發(fā)生改變或損壞，從而產(chǎn)生不同程度的缺陷。其缺陷按成因可分為天然缺陷、生物危害缺陷、干燥及機(jī)械加工缺陷三類[1]。上述缺陷可使木材材質(zhì)受到不同程度的影響，會(huì)降低木材等級(jí)甚至使木材失去使用價(jià)值。在木材生產(chǎn)中，需要對(duì)木材進(jìn)行等級(jí)劃分[2]，以保證物盡其用，而缺陷特征是劃分等級(jí)的重要指標(biāo)之一，因此，在制材前利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)各種缺陷及其他性能指標(biāo)，進(jìn)而判斷木材等級(jí)，對(duì)科學(xué)用材及合理選材有十分重要的意義。

近幾年，各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已應(yīng)用于木材內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，并取得了非常好的效果，如X射線、激光、超聲波、紅外線、電磁波、應(yīng)力波等，其中聲波檢測(cè)具備傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備輕巧便于攜帶等優(yōu)勢(shì)，在木材工業(yè)領(lǐng)域獲得了較多研究成果及廣泛應(yīng)用[3]。基于聲波檢測(cè)的應(yīng)力波技術(shù)是木材無(wú)損檢測(cè)的重要手段之一，其原理是通過(guò)敲擊木材，獲取聲波信號(hào)，當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在孔洞、裂紋等界面不連續(xù)處發(fā)生反射、折射和散射，聲波頻率將會(huì)出現(xiàn)不同的峰值[4]。對(duì)于木材的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，國(guó)外有相對(duì)較成熟的軟件，匈牙利FAKOPP木材檢測(cè)設(shè)備廠家研發(fā)便攜式木材評(píng)等儀(Portable Lumber Grader)應(yīng)用范圍較廣[5]，精確性較高，是采用傅里葉分析軟件(FAKOPP FFT analyzer)輔助，對(duì)聲音信號(hào)分析收集到的聲音試樣，輸出敲擊時(shí)的共振頻率，給出時(shí)域和頻域波形并進(jìn)行數(shù)據(jù)存盤。

本文利用縱向振動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種原木質(zhì)量檢測(cè)儀，在不破壞木材的前提下對(duì)帶缺陷的木材進(jìn)行檢測(cè)，然后利用時(shí)域分析、頻域信號(hào)分析和木材密度計(jì)算木材的彈性模量，判斷木材質(zhì)量進(jìn)而劃分等級(jí)，并在計(jì)算機(jī)終端顯示屏上實(shí)時(shí)顯示出木材等級(jí)[6]，此裝置安全性高、可靠性好、具有便攜性，且應(yīng)用前景廣泛[7]。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的原木質(zhì)量檢測(cè)儀由外部激勵(lì)聲波傳輸裝置和木材聲波信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)兩部分組成。輕輕按壓試樣中部以保持試樣穩(wěn)定，采用縱向共振法，用聲波激勵(lì)裝置敲擊試樣一端使木材產(chǎn)生縱向振動(dòng)，并在木材另一端放置聲波接收裝置以采集木材振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波信號(hào)，處理后的信號(hào)將以時(shí)域圖與頻域圖的形式顯示在軟件中。將木材樣本的質(zhì)量、長(zhǎng)寬高、頻率等基本參數(shù)輸入系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)頻譜圖顯示的木材試樣最高共振頻率確定木材的彈性模量，與數(shù)據(jù)庫(kù)木材樣本進(jìn)行對(duì)比，輸出所測(cè)試樣木材等級(jí)，總體運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 總體運(yùn)行流程

根據(jù)GB/T 144-2013《原木檢驗(yàn)》[8]及GB/T 155-2017《原木缺陷》[9]，各種缺陷的原木均有其對(duì)應(yīng)允許限度，因此可按照原木標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。實(shí)際工程中，評(píng)定原木等級(jí)時(shí)，有兩種及兩種以上缺陷的，應(yīng)以等級(jí)最低的一種缺陷為準(zhǔn)。等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 硬件設(shè)計(jì)

該木材質(zhì)量檢測(cè)儀硬件包括聲波激勵(lì)裝置、聲波接收裝置、聲音阻斷器與連接裝置。其中，聲波激勵(lì)裝置是具有優(yōu)質(zhì)高碳鋼材質(zhì)的羊角錘，可提供足夠激勵(lì)使木材產(chǎn)生聲波，具有重量輕、體積小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)；聲波接收裝置選用自動(dòng)降噪心型指向藍(lán)牙麥克風(fēng)，其頻響范圍為60～20 kHz，包括木材頻響范圍。藍(lán)牙可進(jìn)行無(wú)線傳輸，具有便攜、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該裝置的作用是將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)軟件中，纖維式聲音阻斷器采用多層纖維結(jié)構(gòu)隔音棉，可減少聲波激勵(lì)裝置作用時(shí)基座共振對(duì)木材聲波產(chǎn)生的影響；連接裝置主要為膠帶，導(dǎo)線等，如圖2所示。

圖2 硬件組成

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原理

當(dāng)力作用于木材上時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，若產(chǎn)生振動(dòng)的力一定，則木材的振幅取決于它的頻率，在某一頻率下此木材具有最大振幅，這個(gè)頻率稱為木材的共振頻率和固有頻率。通過(guò)測(cè)得試樣的自由振動(dòng)頻率與自由振動(dòng)的減幅程度，根據(jù)木材試件的振動(dòng)特性與彈性模量之間的相關(guān)關(guān)系，得出試樣的彈性模量[10]。

根據(jù)傅里葉變換FFT公式(1)計(jì)算試材的彈性模量。

(1)

式中：E為木材彈性模量，Pa；L為木材試樣長(zhǎng)度，m；f為木材試樣固有頻率，Hz；ρ為木材密度，kg/m3；n為振動(dòng)的諧波次數(shù)。

3.2 軟件開發(fā)

該原木質(zhì)量檢測(cè)儀的軟件部分包括聲音信號(hào)采集模塊、基本參數(shù)輸入、按鍵模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)等級(jí)評(píng)定、液晶顯示屏，如圖3所示。聲音信號(hào)采集模塊包括錄音按鈕，時(shí)域分析圖模塊、頻域分析圖模塊；基本參數(shù)輸入包括長(zhǎng)度、寬度、高度、重量；數(shù)據(jù)庫(kù)包含不同樹種每個(gè)等級(jí)木材的彈性模量數(shù)值范圍，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值范圍進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。

圖3 軟件系統(tǒng)組成

原木質(zhì)量檢測(cè)儀是基于MATLAB的appdesigner模塊，利用函數(shù)庫(kù)中的analoginput()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集。整個(gè)信號(hào)采集過(guò)程采用While循環(huán)，能夠循環(huán)采集聲音信號(hào)，運(yùn)用Tab標(biāo)簽組件，Axis坐標(biāo)軸組件，Number數(shù)字組件構(gòu)造用戶界面，在對(duì)應(yīng)的功能組件添加回調(diào)函數(shù)編寫代碼。木材聲波信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)采用傅里葉變換分析應(yīng)用軟件[11]，拾取受敲擊后木材試件的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)頻譜分析，用于計(jì)算被測(cè)木材彈性模量[12]。軟件程序算法過(guò)程如圖4所示。

圖4 軟件程序算法

3.3 軟件測(cè)試

對(duì)軟件進(jìn)行功能測(cè)試，將木材樣本的質(zhì)量、長(zhǎng)度等基本參數(shù)輸入系統(tǒng)，將結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)木材樣本進(jìn)行對(duì)比，輸出測(cè)定原木等級(jí)。軟件正常運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果合理，軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 軟件數(shù)值準(zhǔn)確性驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的木材質(zhì)量檢測(cè)儀可將收集到的聲波信號(hào)利用FFT傅里葉模塊進(jìn)行分析，輸出敲擊木材試樣時(shí)產(chǎn)生的共振頻率。在實(shí)驗(yàn)室中隨機(jī)選取一組種類、大小、質(zhì)量不同的木材試件，將所獲得的共振頻率數(shù)值與FAKOPP研發(fā)便攜式木材評(píng)等儀(Portable Lumber Grader)所得的共振頻率數(shù)值進(jìn)行比較，數(shù)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2，誤差僅為0.68%，證明了原木質(zhì)量檢測(cè)儀對(duì)聲波信號(hào)處理能力的準(zhǔn)確性。

表2 數(shù)值對(duì)比

4.2 木材質(zhì)量等級(jí)劃分試驗(yàn)

木材質(zhì)量檢測(cè)儀可以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、分辨、評(píng)估原木及板材的定級(jí)，同時(shí)還可以計(jì)算與測(cè)量木材的彈性模量。聲波的傳播距離遠(yuǎn)、傳播的能量大，抗干擾能力強(qiáng)，不需要任何耦合劑和任何其他特殊條件。

由于相同木材等級(jí)的彈性模量數(shù)值在一定的數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng)，首先對(duì)四個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)木材進(jìn)行測(cè)試，將每個(gè)等級(jí)木材的彈性模量數(shù)值輸入軟件中可建立楊木的彈性模量數(shù)值范圍數(shù)據(jù)庫(kù)。同理還可擴(kuò)大數(shù)據(jù)庫(kù)中的樹種量，即可將杉木、松木、沙木、白橡木等不同種類的樹木進(jìn)行等級(jí)范圍的劃分。

4.2.1 等級(jí)彈性模量數(shù)值范圍劃分

試樣為不同等級(jí)的楊木標(biāo)準(zhǔn)件，均為順紋理方向，含水率為8%，如圖6所示。

圖6 部分試驗(yàn)樣木

利用木材質(zhì)量檢測(cè)儀對(duì)不同等級(jí)楊木標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行彈性模量數(shù)值范圍確定試驗(yàn)。首先按要求連接儀器，測(cè)量并記錄木材的長(zhǎng)度、寬度、高度和質(zhì)量，將測(cè)得的長(zhǎng)度、寬度、高度、質(zhì)量和頻率峰值輸入基本參數(shù)輸入模塊；然后用相同的力度對(duì)遠(yuǎn)離麥克風(fēng)端的木材端面進(jìn)行敲擊，為減少誤差，對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行8～10次敲擊，記錄敲擊時(shí)刻LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示的時(shí)域分析圖、頻域分析圖及圖像的頻率峰值，對(duì)共振頻率取平均值；最后將輸出的彈性模量數(shù)值記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。得到的楊木彈性模量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 楊木的質(zhì)量等級(jí)彈性模量數(shù)值范圍

4.2.2 木材質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室中，隨機(jī)選取長(zhǎng)度、質(zhì)量不同的楊木10個(gè)，用阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編號(hào)。使用木材質(zhì)量檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，利用已輸入到系統(tǒng)中的楊木數(shù)據(jù)庫(kù)，可直接輸出所測(cè)木材的等級(jí)。同時(shí)參照上文所述的質(zhì)量等級(jí)特點(diǎn)，對(duì)所測(cè)木材試樣進(jìn)行人工檢測(cè)，結(jié)合各試樣的節(jié)子、裂紋、孔洞等缺陷進(jìn)行分析，所得試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 隨機(jī)選取木材等級(jí)輸出結(jié)果

將軟件等級(jí)輸出結(jié)果與人工分析等級(jí)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算可得軟件等級(jí)輸出結(jié)果的正確率為90%，較為精確。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于試樣樹種而言，所用木材樣本節(jié)子、裂紋、孔洞等缺陷越多，計(jì)算出的彈性模量數(shù)值就越低。聲波軸向傳遞所獲取到的動(dòng)彈性模量值與機(jī)械法的靜彈性模量值有一定的正相關(guān)關(guān)系，因此數(shù)據(jù)庫(kù)所選擇數(shù)據(jù)范圍合理，木材質(zhì)量等級(jí)與數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置的彈性模量范圍相匹配，對(duì)于楊樹樹種而言實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理。處理激勵(lì)聲波輸出的木材共振頻率與便攜式木材評(píng)等儀(FAKOPP)對(duì)比所得到的誤差僅為0.68‰，同時(shí)軟件輸出等級(jí)與人工檢測(cè)質(zhì)量等級(jí)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比計(jì)算得到的等級(jí)輸出正確率為90%，進(jìn)一步證明原木質(zhì)量檢測(cè)儀的等級(jí)輸出結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的便攜式木材質(zhì)量檢測(cè)儀，將木材振動(dòng)產(chǎn)生的聲波數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶灾髟O(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件中，通過(guò)一系列傅里葉變換將聲波輸出為可視化頻譜圖，并根據(jù)國(guó)家木材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將木材相應(yīng)等級(jí)輸出，具有檢測(cè)成本低、所需人力資源少、精確度高、便于攜帶等特點(diǎn)。通過(guò)以上設(shè)計(jì)過(guò)程，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)利用傅里葉變換及頻譜分析法克服了時(shí)域分析的不足，實(shí)現(xiàn)在能量等價(jià)條件下把信號(hào)變換到頻域，確定在各頻率上木材振動(dòng)的能量與頻率構(gòu)成的分布。

(2)利用MATLAB軟件采集聲音信號(hào)可根據(jù)試驗(yàn)條件對(duì)屬性參數(shù)進(jìn)行修改，具有靈活性，測(cè)試不同的試驗(yàn)條件來(lái)獲得最佳的試驗(yàn)效果，從中分析得到有效的特征量。

(3)結(jié)合匈牙利FAKOPP研發(fā)的便攜式木材評(píng)等儀(Portable Lumber Grader)進(jìn)行擬合對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的誤差在0.68‰以內(nèi)，與人工檢測(cè)質(zhì)量等級(jí)結(jié)果對(duì)比等級(jí)輸出正確率為90%，誤差較小，符合實(shí)際使用情況，滿足設(shè)計(jì)要求，可極大節(jié)省林場(chǎng)與木材加工廠對(duì)木材的等級(jí)分辨時(shí)間。