全 文 ：第 wu卷 第 ts期
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林 业 科 学
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小波分析在中密度纤维板无损检测中的应用
王逢瑚 朱晓冬 孙建平
k东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 以中密度纤维板为试件 o通过纵向共振和弯曲振动试验讨论小波分析方法用于无损检测的可行性 ∀结
果表明 }小波分析得到的中密度纤维板试件动弹性模量与常规弯曲静弹性模量在 s1st水平下相关性非常显著 o可
以用小波分析方法测得的动弹性模量来表征常规弯曲静弹性模量 ~可以用小波分析的方法判断出试件是否有缺
陷 o小波分析在试件缺陷无损检测方面具有优越性 ∀
关键词 } 无损检测 ~小波分析 ~中密度纤维板 ~弹性模量
中图分类号 }ׅxu 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylts p ss|t p sw
收稿日期 }ussx p tu p uz ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目资助kvsxztwxzl ∀
Αππλιχατιονσ οφ Ωαϖελετ Αναλψσισιν τηε Νονδεστρυχτιϖε Τεστ οφ Μεδιυµ ∆ενσιτψ Φιβερβοαρδ
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k ΚεψΛαβορατορψοφ Βιο2Βασεδ ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Τεχηνολογψοφ Μινιστρψοφ Εδυχατιον o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
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Κεψ ωορδσ} ±²±§¨¶·µ∏¦·¬√¨ ·¨¶·~º¤√¨ ¯¨·¤±¤¯¼¶¬¶~ °¨ §¬∏° §¨±¶¬·¼©¬¥¨µ¥²¤µ§~°²§∏¯∏¶²©¨¯¤¶·¬¦¬·¼
小波分析是近年来国际上的一个前沿课题 o它被认为是傅里叶分析方法的突破性进展 ∀傅里叶变换仅
能确定信号在整个时间域的频谱特性 o而小波变换在时 !频域均有着良好的局部化性质 o能将信号按不同频
段进行分解 o在高频段取得较好的时间分辨率 o在低频段取得较好的频率分辨率 o从而能有效地从信号中提
取信息 o有着/数学显微镜0的美誉k胡昌华 ot|||l ∀日本学者小玉泰义等kusss ~usstl用连续小波变换分析
处理敲击木材所获得的声信号 o对气干木材的节子缺陷进行检测 o研究发现 }当木材含有节子缺陷时 o声信号
的共振频率降低 !声信号共振的持续时间缩短 ~利用小波变换研究声信号的共振频率与弹性模量和木材节子
尺寸之间的定量关系 o取得了良好的效果 ∀
本文以中密度纤维板为研究对象 o尝试利用小波分析方法测得试件的动态弹性模量 o并与国家标准的常
规弯曲静弹性模量进行比较 ∀用小波分析对试件的振动信号进行分解 o对试件有无缺陷进行判断 ∀本研究
成果应用于人造板生产实践可实现其性能快速 !准确地检测 o节约原材料 o提高劳动生产率 o使质量控制达到
一个新的水平 o最终实现生产 !检测过程的全自动化 ∀
t 材料与方法
111 试验材料
材料为市售的脲醛树脂中密度纤维板 ∀将中密度纤维板用圆锯截成试件 o长度分别为 wss !xss !yss °° o
厚度分别为 ts !tu !tx !us °° o宽度为 xs °°∀在恒温恒湿室kus ε oyx h • ‹l中平衡处理 ∀质量恒定后取出试
件 o试件分为 tu组 o每组 x个 o把试件编号后准备进行振动试验 ∀试件的平均密度为 zxy ®ª#°pv ∀
112 试验方法
t1u1t 纵波共振试验 如图 t所示 o用手拿着试件的中部 o用力锤敲击试件的一端 o在试件的另一端用传声

图 t 纵波共振法
试验原理图
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器把产生的纵波振动信号传到计算机中进行小波分析处理 o用式ktl可计
算出试件的纵波共振弹性模量k胡英成等 ousstl
ŏ € wΛu φu° ΘΠµu ktl
式中 }ŏ为试件纵波共振弹性模量kŠ°¤l ~Λ为试件的长度k°l ~φ° 为试
件纵波共振频率k‹½l ~Θ为试件的密度k®ª#°pvl ~µ 为高次谐频对基频的
倍数 ∀
t1u1u 弯曲振动试验 如图 u所示 o用泡沫在弯曲振动的节点处ks1uuw
Λl支撑试件 o用力锤敲击试件的一端 o在试件的另一端的下方用传声器
把产生的弯曲振动信号传到计算机中进行小波分析处理 o用式kul可计算
出试件的弯曲振动弹性模量
Εƒ € w{ Πu ΘΛw φu°Πk µw Τul kul
式中 }Εƒ 为试件弯曲振动弹性模量kŠ°¤l ~Λ为试件的长度k°l ~φ° 为试
件纵波共振频率k‹½l ~Τ为试件厚度k°l ~µ 为振动阶数所决定的系数 ~Θ
为试件的密度k®ª#°pvl ∀
图 u 弯曲振动法试验原理图
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t1u1v 常规弯曲静弹性模量测量试验 按照 Š…Π×
tzyxz p t|||在日本产的岛津万能力学试验机上进行三
点弯曲的方式破坏性检测 o获得试件的常规弯曲静弹性
模量 ∀
u 结果与分析
试件的纵波共振弹性模量 !弯曲振动弹性模量和常
规弯曲静弹性模量的测量平均值如表 t所示 ∀
211 小波分析弹性模量和常规弯曲静弹性模量的关系
从表 t中可以看到小波分析得到的弯曲振动弹性模量和纵波共振弹性模量都大于国家标准的常规弯曲
静弹性模量 o这与前人的研究结果相似k赵学增等 ot|{{l ∀
表 1 试件的纵波共振 !弯曲振动 !常规弯曲静弹性模量
Ταβ . 1 Τηελονγιτυδιναλ ρεσονανχε !βενδ ρεσονανχε ανδ χονϖεντιοναλιτψστατιχ ελαστιχιτψ µ οδυλυσ οφ σαµ πλε
试样
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纵波共振弹性模量
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弯曲振动弹性模量
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常规弯曲静弹性模量
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v v1xtx s1vzt ts1y w1wvy s1yts tv1{ v1uy{ s1utt y1w
w t1xw{ s1uv{ tx1w t1{uz s1svx t1| t1yvv s1syw v1|
x v1u|| s1t|| y1s x1wx| s1swx s1{ v1ttu s1sxt t1y
y u1uxs s1txu y1{ v1w{z s1sty s1w u1wxy s1s|x w1t
z v1zxt s1svz t1s x1ywt s1sxx t1s v1xxv s1szx u1t
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对弯曲振动弹性模量 !纵波共振弹性模量和常规弯曲静弹性模量通过方差分析可知显著性水平 Π都小
于 s1sst o说明试件的小波分析弹性模量与常规弯曲静弹性模量差异非常显著 o其概率值 Φ分别为 ut1sy和
vz1vsu ∀对其进行相关分析 o得到线形回归方程 ψ€ t1|wξ p t wxs1yw和 ψ€ s1{s ξ n xsy1ux ∀彼尔逊相关系
数分别为 s1|xz和 s1|y| o都大于 s1{v o表明小波分析弹性模量与常规弯曲静弹性模量在 s1st水平下相关性
u| 林 业 科 学 wu卷
非常显著 o可以用小波分析方法测得的弯曲振动弹性模量和纵波共振弹性模量来表征常规弯曲静弹性模量 ∀
212 缺陷的判断
中密度纤维板的缺陷主要有鼓泡和贫胶等 o本试验选择一个无鼓泡缺陷试件的纵波共振信号k图 vl和
一个有鼓泡缺陷试件的纵波共振信号k图 wl进行傅里叶变换比较分析 ∀试件的尺寸为 wss °° ≅ xs °° ≅ us
°° o鼓泡缺陷位于试件的中部 ∀当试件有鼓泡缺陷时 o结构刚度减小 o其固有频率必然降低 ∀但从图 v !w中
的傅里叶变换比较可以看到 o有鼓泡缺陷试件纵波共振信号的傅里叶变换和无鼓泡缺陷试件的几乎相同 o说
明试件的固有频率降低非常小 o不能从图中得出试件是否有鼓泡缺陷 o即用傅里叶变换对试件有无鼓泡缺陷
无法进行判断 ∀
图 v 有鼓泡缺陷试件纵波共振信号及其傅里叶变换
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图 w 无鼓泡缺陷试件纵波弹性模量振动信号及其傅里叶变换
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小波分析具有多分辨分析的特点 o而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力 o很适合于探测正常
信号中夹带得瞬态反常现象 ∀用小波分析方法分别对上述试件的振动信号进行 x尺度小波分解 o结果如图
x !y所示 ∀从图 x可以看出无鼓泡缺陷试件振动信号的小波分解系数在 §t和 §u高频部分是为零的 o而从图
y看出有鼓泡缺陷试件纵波共振信号在 §t和 §u的高频部分是不为零的 o也就是说有鼓泡缺陷试件的振动
信号中含有高频冲击部分 ∀从理论上可知当试件出现缺陷 o其轴向振动在缺陷处间断 o振动信号应为稳态分
量和瞬态分量的叠加 o即这部分瞬态分量预示着结构有损伤产生 o由于傅里叶变换变换没有局部化分析信号
的功能 o所以这部分高频分量不能在频域中表示出来 o无法判断出试件是否含有缺陷 ∀相反 o通过小波分析
可以把高频冲击量提取出来 o即用小波分析的方法可以判断出试件是否存在缺陷k王逢瑚等 ousswl ∀
v 结论
小波分析法测得的动态弹性模量与国家标准测得的弯曲静弹性模量之间具有密切的相关性 o通过相关
方程可由小波分析动态弹性模量表征常规静态弹性模量 ~可以用小波分析的方法对试件有无缺陷进行判断 o
对试件的振动信号进行小波分解 o当其振动信号在高频部分含有高频冲击时 o可以判断出试件含有缺陷 o这
为人造板无损检测的研究开辟了一个新途径 ∀
木质材料的强度受含水率的影响 o而且每个试件的含水率可能存在差异 ∀因此 o在今后的研究中 o应考
虑到含水率的影响 ∀此外 o准确地判断人造板缺陷的大小 !类型和具体位置还需要进一步研究 ∀
v| 第 ts期 王逢瑚等 }小波分析在中密度纤维板无损检测中的应用
图 x 无鼓泡缺陷试件纵波共振信号的小波分析
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图 y 有鼓泡缺陷试件纵波共振信号的小波分析
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参 考 文 献
胡昌华 qt|||1 基于  „׏„…的系统分析与设计 q西安 }西安电子科技大学出版社 ot p x
胡英成 o王逢瑚 o刘一星 o等 qusst1刨花板动态抗弯弹性模量的无损检测 q东北林业大学学报 ou|ktl }| p tt
王逢瑚 o孙建平 qussw1 木质复合材料无损检测中振动信号的处理方法 q东北林业大学学报 ovuktl }yt p yv
赵学增 o刘一星 o李 坚 o等 qt|{{1用 ƒƒ×方法分析木材的打击音响快速测定木材弹性常数的研究 q东北林业大学学报 otyk增l }vt p vz
小玉泰义 o章 忠 qusss q小波分析在木材的性能评价中的应用 }第一报 q木材学会志 owykvl }t|z p usu
小玉泰义 o章 忠 qusst q小波分析在木材的性能评价中的应用 }第二报 q木材学会志 owzkyl }wzv p wzz
¤¯ ¤¯·≥ qt|{|1„ ·«¨²µ¼ ²© °∏¯·¬µ¨¶²¯∏·¬²±¶¬ª±¤¯ §¨¦²°³²¶¬·¬²±}·«¨ º¤√¨¯ ·¨µ¨³µ¨¶¨±·¤·¬²±qŒ∞∞∞ ×µ¤±¶²± °¤·¨µ± „±¤¯¼¶¬¶¤±§ ¤¦«¬±¨ Œ±·¨¯ ¬¯ª¨ ±¦¨ ottkyl }yzw
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k责任编辑 石红青l
w| 林 业 科 学 wu卷