豆春峰 李明 罗廷芳 邓婷婷 朱代根

(西南林业大学，昆明，650224)

木材作为可再生天然自然资源，一直受到广泛的关注和应用。林木蛀干害虫是林业上的一类重要害虫，由于其危害的隐蔽性和林木受害反应的滞后性，故很难对其进行早期检测和防治，往往造成巨大的经济损失，声发射技术作为一项主动的无损检测技术，使用声音检测技术通过声音信号的采集进行研究是相对客观的研究技术。

国内外一些研究人员已经对蛀木害虫的声音信号特征进行了研究。姚青[1]等建立了一套多功能害虫鸣声信号采集与分析系统。Mankin et al.[2]研究了光肩星天牛幼虫产生的声音信号特征与寄主树种、寄主组织和幼虫龄期之间的关系。后来研究人员利用AED-2000对木材蛀干害虫进行了声音特性的研究。赵元吉[3]等发现双条杉天牛幼虫分布位置和被测木段长度对幼虫声音探测效果的影响显著，而木段直径对检测效果并无显著影响。韦雪青[4]等分析了蛀木害虫声音探测技术的可行性。Chesmore et al.[5]利用声学方法来检测害虫的爬行和摄食活动。许小芳[6]等在消音装置中对木材钻蛀性害虫活动声进行采集，建立了声音信号模板库。潘杰[7]等利用声音探测技术研究了双钩异翅长蠹幼虫的取食与爬行信号。Sandie[8]将声发射技术用于检测木质文化遗产乐器中的木虱昆虫。Nasswettrova et al.[9]为防治蛀木害虫的幼虫，对木制构件的热空气保存效果进行了实验验证。Alexander et al.[10]分析了树干中带有光肩星天牛幼虫的声学信号和振动信号。Bobinski et al.[11]验证了能够通过人工智能算法的声学分析来评估蛀木害虫的检测效果。豆春峰[12]等研究了杨树木段中麻点豹天牛幼虫声发射信号特征，为蛀木害虫的声音检测提出了一种新的方法。卜宇飞[13]等利用自主研建的声音侦听技术系统采集并分析了7种林木蛀干害虫的声音。祁骁杰[14]等利用声音检测技术在室内对杨树木段中不同数量的光肩星天牛幼虫产生的声音信号进行监测，指出了不同数量的光肩星天牛幼虫产生的声音信号主频率无明显差异。黄山春[15]等对带有不同数量红棕象甲幼虫树段以及树段的不同测位点进行声音检测，结果表明幼虫数量越多，测位点与幼虫越近，检测效果越明显。

目前，使用声发射技术研究木材蛀干害虫的声音信号特征还不多见，本研究以杨树木段中麻点豹天牛幼虫的行为活动为AE源，通过采样频率为500 kHz的木材蠕变声发射信号采集系统获取原始AE信号，对采集到的原始信号滤波并进行小波分解，通过对各层高频信号的分析获取AE信号的频域特征并对其进行重构，对重构后的信号波形进行分析，并进一步研究传感器距幼虫的距离变化及幼虫数量的变化对AE信号特征的影响。

1 材料与方法

本研究以杨树木段中麻点豹天牛幼虫为研究对象，麻点豹天牛是杨树等速生丰产林木的危险性害虫。试验所用带有麻点豹天牛幼虫杨树木段取自云南省昆明市东北郊处的鸣凤山林区。根据NI高速采集卡和Lab VIEW建立木材蠕变声发射信号采集系统，其中使用的传感器型号为SR 150 N，其带宽22～220 kHz，同时配备了增益为40 dB的前置放大器，采样频率为500 kHz，信号的电压幅值设置为(-5～5 V)。

使用木材蠕变声发射信号采集系统获取杨树木段中害虫幼虫的活动信号。首先，研究不同检测位置的麻点豹天牛幼虫幼虫声发射信号特征，取带有麻点豹天牛幼虫杨树木段，杨树木段的尺寸为长500 mm，直径50 mm，将有虫木段剖开，确认幼虫的位置和幼虫活性后再用细钢丝固定住，在放置不同距离的传感器之前都先确认幼虫的位置，分别在距离幼虫50、100、150、200 mm处放置AE传感器，研究幼虫AE信号的特征并比较它们之间的变化。

研究不同数量幼虫的声发射信号特征，在幼虫与传感器的位置距离50 mm时，研究杨树木段内带有1、2、3只幼虫时的AE信号的变化。将有麻点豹天牛幼虫的杨树木段带回实验室，抛开较小木段挑选出大小相似的幼虫，截取长度300 mm，直径50 mm的健康杨树木段3段，分别编号为1、2、3，在编号1、2、3木段的一个截面分别钻1、2、3个孔(直径10 mm，深20 mm)，将挑选出的大小相似、活性相当的麻点豹天牛幼虫分别放入每一个孔中，在每个孔口插入一小块纱布，防止幼虫从孔内爬出，放在实验室中，让其充分蛀食12 h后备用。然后，连接设备建立木材蠕变声发射信号采集系统，采集声发射信号。

本试验所要研究的AE信号是杨树木段内害虫幼虫活动产生的声发射信号，由于害虫幼虫活动产生的信号很弱，容易受周围环境噪声信号影响，所以本试验先对采集的原始AE信号进行滤波降噪处理，再采用小波分析的方法从原始信号中重构有效的AE信号波形。小波分析的过程就是逐层将信号进行多尺度细化，最终细化为低频信号和高频信号，其中高频信号是细节信号[16]。根据香农采样定理，本试验选择5层小波分解对AE信号进行分析研究。小波分析是时间频率的局部化分析，由于daubechies小波(db10)具有较强的频域局部化能力，因此采用daubechies小波(db10)作为小波基函数。

2 结果与分析

2.1 麻点豹天牛幼虫AE信号特征

如图1所示为杨树木段内含有麻点豹天牛幼虫的条件下，传感器距离幼虫50 mm处时，采集到的幼虫AE信号的原始波形与频谱，由于害虫幼虫的活动声音较弱，原始信号中会含有大量的噪声信号，需要把采集的原始信号中的噪声信号去除掉，所以先对原始信号进行滤波，然后采用小波分析的方法从原始信号中重构有效的AE信号波形。本研究对此信号进行5层小波分解，分解后的时域信号如图2所示，相应的频域信号如图3所示。

图1 50mm时幼虫AE信号原始波形与频谱

图2 各层小波分解细节信号波形

图3中第1层分解信号的频率集中在143 kHz，结合图2中第1层信号波形，可以看出信号中含有环境噪声，因此可以认为该层信号为高频噪声信号。图3中第4、5层分解信号的主频率分别为20、13 kHz，均小于AE传感器的下限频率22 kHz，因此可认为这两层分解信号为低频噪声信号。因此，采用第2、3层分解信号重构有效的AE信号波形，重构后的AE信号波形与频谱如图4所示。从图4中可以看出AE信号主频率为38 kHz。

图3 各层小波分解细节信号的频谱图

图4 50 mm时幼虫AE信号重构波形与频谱

2.2 不同检测距离时幼虫AE信号的特征

在前面的研究基础上，接着进行试验，将传感器距离幼虫100 mm时，采集到的幼虫AE信号的原始波形与频谱如图5所示，采用相同的方法进行小波分析和重构，得到重构后的AE信号波形与频谱。从原始波形与频谱图中可以看出，当传感器距离幼虫100 mm时，与传感器距离幼虫50 mm时相比，AE信号的幅值变小，信号持续时间变短，从重构波形与频谱图中可以看到，幼虫信号的主频率基本不变。

图5 100 mm时幼虫AE信号原始及重构波形与频谱

为了验证试验的可靠性，又分别将传感器距离幼虫150、200 mm时，采集到幼虫AE信号的原始波形与频谱如图6和图7所示，采用相同的方法对原始AE信号进行小波分析和重构，分别得到相应的重构信号波形与频谱。当传感器距离幼虫150 mm时，与传感器距离幼虫50、100 mm时相比，幼虫AE信号的幅值又变小，并且变化较大，当传感器距离幼虫200 mm时，AE信号的幅值更小，几乎为零。然而，从重构波形与频谱图中可以看出，幼虫信号的主频率基本不变。这说明当传感器距离幼虫较近时，检测效果会明显提高，根据声波能量衰减原理，传感器距离声源越近，声波强度越大，检测效果也就越好。这个距离的研究对以后户外林木蛀干害虫监测位置的选择具有参考作用。

图6 150 mm时幼虫AE信号原始及重构波形与频谱

图7 200 mm时幼虫AE信号原始及重构波形与频谱

2.3 不同数量时幼虫AE信号的特征

根据前面的研究，当传感器距离幼虫50 mm时，幼虫AE信号比较明显。如图8所示是当传感器距离幼虫50 mm，在截取3段相同尺寸的杨树木段内分别放入1、2、3头麻点豹天牛幼虫时采集到的幼虫AE信号原始波形与频谱，每个木段均采集10组AE信号作为重复，然后进行小波分解和重构，得到相应的重构波形与频谱。通过分析30组幼虫AE信号，结果每个木段采集的10组幼虫AE信号的波形与频谱图都相同，所以对于每个木段选择1组AE信号的波形与频谱图进行分析。从原始波形图中可以看出，不同数量幼虫产生的声音信号脉冲相似，随着幼虫数量的增加，幼虫产生的AE信号脉冲个数呈现增加趋势，信号幅值也逐渐增大，信号持续时间也呈增加趋势。所以，可以根据害虫幼虫产生的AE信号脉冲个数及信号的幅值大小(信号强度)来初步判断树木被咬食的程度。

从重构频谱图中可以看出不同数量麻点豹天牛幼虫AE信号的峰值频率基本不变，如表1所示，对不同幼虫数量的3个木段采集的10组AE信号的主频率进行统计，1、2、3头幼虫产生AE信号的主频率为38 kHz的次数最多，不同数量的麻点豹天牛幼虫AE信号的主频率均为38 kHz。结果表明幼虫数量的增加没有对AE信号的频域特征产生影响，这说明幼虫AE信号的频率与虫孔数量没有关系，这与祁骁杰[14]等的研究结果一致。

3 结论与讨论

本研究基于木材蠕变声发射采集系统获取杨树木段中麻点豹天牛幼虫原始AE信号，对原始信号进行滤波降噪，再利用小波分析重构有效的AE信号，进而研究幼虫AE信号特征。当传感器距离幼虫为50 mm时，通过研究重构后AE信号的波形与频谱，发现麻点豹天牛幼虫AE信号的主频率为38 kHz，接着将传感器距离幼虫100、150、200 mm放置，研究传感器与幼虫的距离变化对AE信号特征的影响，随着检测距离的增大，幼虫AE信号明显减弱(信号幅值变小)，幼虫AE信号的主频率没有明显变化。这说明当传感器距离幼虫较近时，检测效果会明显提高，根据声波能量衰减原理，传感器距离声源越近，声波强度越大，检测效果也就越好。这个距离的研究对以后野外林木蛀干害虫监测位置的选择具有参考作用。

本文还研究了不同数量幼虫对AE信号特征的影响，结果表明不同数量幼虫产生的声音信号脉冲相似，随着幼虫数量的增加，幼虫产生的AE信号脉冲个数呈现增加趋势，信号幅值也逐渐增大，信号持续时间也呈增加趋势。这说明可以根据害虫幼虫产生的AE信号脉冲个数及信号的幅值大小(信号强度)来初步判断树木被咬食的程度。对不同幼虫数量的幼虫AE信号的主频率进行统计，结果表明不同数量的麻点豹天牛幼虫AE信号的主频率均为38 kHz，幼虫数量的增加没有对AE信号的频域特征产生影响。

本研究在实验室条件下容易进行，室内环境比较安静，不易受到外界环境噪声的干扰，但在野外对林木蛀干害虫的监测难度较大，野外环境中背景噪音较为复杂，害虫幼虫产生的声音信号又很微弱，故很难检测到幼虫的AE信号。所以，在野外监测中，如何消除背景噪音对蛀木害虫AE信号的干扰有待进一步研究。在野外监测时，位置的选择也很重要，在一定范围内，测位点距离幼虫越近，检测到幼虫信号越明显，所以要多找几个测位点进行比较，进而找到最佳检测位置。本试验在研究幼虫数量对AE信号的影响时，每个木段中麻点豹天牛的数量是由人工接入的，这在一定程度上不符合害虫幼虫在木材中的自然分布规律，因此需要野外实际检测以验证幼虫AE信号检测的准确性。

目前使用声发射技术研究木材蛀干害虫还不多见，声发射技术在蛀木害虫检测方面具有很大的前景，利用声发射技术可以根据幼虫声发射信号特征确定木材蛀干害虫的种类和数量，对蛀木害虫声发射源进行定位，确定其活动的位置，提高蛀木害虫的防治效率，尤其对于名树古木，能减少经济损失，更能降低稀有林木物种被蛀木害虫蛀食的危险。