CN109738524A - 一种阔叶材原木内部质量评估系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阔叶材原木内部质量评估系统，其主要通过对原木进行声冲击测试获得响应信号，然后对响应信号进行分析以评估原木内部的健康状况。具体为以声冲击测试作为一种无损评估手段测试原木内部腐烂、空洞等缺陷情况，通过对原木进行声冲击测试获得响应信号，然后对响应信号进行分析以评估原木内部的健康状况，满足实际使用要求。

Description

一种阔叶材原木内部质量评估系统及应用

技术领域

本发明涉及一种阔叶材原木内部质量评估系统及应用，属于评估系统技术领域。

背景技术

第八次全国森林资源清查结果表明，我国森林资源呈现出数量持续增加、质量稳步提升、效能不断增强的良好态势。我国的森林覆盖率为21.63％，总蓄积量为151.37亿立方米，占世界森林总蓄积量的2.5％。尽管如此，我国在世界上仍然是一个森林资源十分匮乏且生态脆弱的国家，森林覆盖率远低于全球31％的平均水平，人均森林面积仅为世界人均水平的1/4，人均公顷蓄积量只有世界人均的1/7，是世界人均森林蓄积量最低的国家之一。

目前，我国森林资源面临着总量不足、质量不高和分布不均等问题。随着经济发展、城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，木材的需求量逐年上升。研究表明，从2006年起，我国木材产量就长期处于增长态势。直到近年来国家为保护生态环境，多地降低了砍伐指标，木材产量才出现下滑趋势。2014年10月，在中南林业科技大学举办的第七届中国木材保护工业大会暨人工林优化新技术发展高峰论坛上，中国工程院院士李坚、中国木材与木制品流通协会会长刘能文等木材工业领域的权威专家呼吁，我国应通过政策和科技创新等手段提高木材综合利用能力，以缓解当前的木材供需矛盾。据统计，我国的木材综合利用率仅为65％，而发达国家已达到80％以上，如能提高一个百分点，我国每年将节约木材75万立方米。

森林资源的匮乏以及木材需求量的逐年上升凸显了提高木材利用率的重要性。随着技术的进步，利用先进的技术手段和方法实现木材的高利用率已逐渐成为可能。如今随着越来越多的国家开始限制原木的出口以及我国为保护生态环境而对天然林实施全面保护，我国的木材供需矛盾日益突出。因此，如何充分利用好森林资源，提高木材利用率，是我国林业科技人员迫切解决的重要课题之一。

木材质量检测是提高木材利用率的一个非常重要的手段。研究木材和木质材料的在线无损检测技术可提高木材的产材率和人造板的质量，防止木材和人造板的人为浪费。在线无损检测也可对原木进行分等或分级处理，以提高锯材使用效率，从而降低成本。以美国为例，每年美国木材企业都要花费数以百万计的美元清除原木的内部缺陷。据估计，内部缺陷(主要为腐朽)使美国阔叶材原木的得材率每年减少30％左右。研究表明如果在锯制过程中能够有效地利用如位置，大小和形状等内部的缺陷信息，阔叶材原木价值将提高10％-21％。因此，对阔叶材原木的内部缺陷进行早期探测和优化能够给企业带来重大的经济效益。由于我国之前对森林资源的重要性认识不够深刻，这方面技术的研究也起步较晚，因此与发达国家相比还存在很大的差距。

目前应用于木材缺陷的检测方法主要包括声学法(应力波法、声发射法，超声，声-超声等)、辐射法(X射线，gamma射线，CT，微波)、MRI法和电学法(低频和直流电导率)等多种方法。由于应力波法操作简单、实时性强等优点，其一直被广泛应用于原木的质量检测中。研究发现应力波的传播特征对影响木材硬度的几何缺陷较为敏感，且应力波在原木中的渡越时间、传播速度也已被证明与木质、纤维的硬度、密度、微纤丝角等基本性质有关，同时也是木质腐朽等性能退化的有效预测参量。因此，可以用应力波法评估原木潜在的品质属性并对原木进行分级、分等。

1988年，Ross等研究得出木材的弹性模量与应力波波速以及木材密度有关，并确定了三者之间的关系。研究认为可通过测量应力波传播速度确定木质材料的弹性模量。1994年，Ross等利用应力波技术对厚度为30mm、长度为150～230mm的板材进行检测，结果表明应力波在有缺陷的板材中的传播时间比在正常板材中要长，因此通过传播时间的差异可以判断木材是否有缺陷，其判断的准确率取决于树种和缺陷的严重程度，如对具有严重缺陷的红栎，其检测准确率可达93％，而对具有一般缺陷的白栎，其检测准确率低于45％。1998年，Koichi Yamamoto等用应力波计时器对立木进行检测实验，实验结果表明健康木的应力波传播速度比含有空洞的木材的应力波速度大得多。Wagner等用应力波技术研究了美国花旗松的弹性模量和应力波传播速度的关系，并用回归分析方法分别得出应力波沿纵向和横向的传播速度与动态弹性模量的相关系数。X.Wang等研究发现声波传输特性对原木的尺寸和几何缺陷较为敏感，并结合应力波速度、原木的直径和密度预测了针叶材原木的弹性模量。Dackermann等总结了用应力波技术评估结构材的建议与推荐方案，论证应力波参数与结构材健康状态之间关系。

1995年，王志同等用应力波无损检测技术检测了中密度纤维板的弹性模量，研究表明用应力波法测定的中密度纤维板弯曲弹性模量足够精确，为实现中密度纤维板在线自动检测提供了实验支撑。2005年林文树等使用超声波和应力波分别对红松试件进行了检测，并分析了木材密度、孔洞大小及数量对两种检测方式所得动态弹性模量的影响，发现两种检测方法对不同缺陷程度的木材，其准确率存在差距。2007年杨学春等利用应力波法对原木内部腐朽进行了检测研究，结果表明应力波测试仪能准确判断不同树种原木内部的严重腐朽，并且能够得到原木内部腐朽基本形状的二维图像。朱磊等应用应力波和微钻阻力仪对古建筑木构件和红松类材料的力学性能进行检测，研究表明采用应力波与微钻阻力检测相结合的方法(即利用应力波-阻力模量)推算被测材料的主要力学性能准确度更高。大量研究表明应力波波速作为一种无损检测参量与基本木质和纤维的硬度、密度、微纤丝角等性质有关。同时作为一种预测由木质腐朽引起的木质性能退化的参数也为研究者所认可。但对于早期的木材衰变和定位结构材的脱胶现象预测效果有限。

由于原木中缺陷类型的多样性和检测信号的非平稳性，有效的质量评估声参数非常有限，且大部分评估参数包括声速、渡越时间和衰减等都来自独立的频域或时域分析，这些方法仅提供了有限的内部质量信息。基于此，本发明提出一种新的质量评估方法，利用矩分析和小波变换从时频两域同时提取时间中心和阻尼比两种声评估参数，并结合多元统计方法对原木的内部缺陷进行检测或分等。

发明内容

本发明以声冲击测试作为一种无损评估手段测试原木内部腐烂、空洞等缺陷情况，通过对原木进行声冲击测试获得响应信号，然后对响应信号进行分析以评估原木内部的健康状况，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种阔叶材原木内部质量评估系统，其主要通过对原木进行声冲击测试获得响应信号，然后对响应信号进行分析以评估原木内部的健康状况，具体步骤包括：

步骤(1)：使用手持式共振声学工具直接测量每个原木的声速；

步骤(2)：使用实验室冲击试验系统获得并记录每个原木的响应信号；其中为采集每个原木的响应信号，需要两个传感器探针且分别插入到原木中心的相对两端，冲击信号由一端的HM200锤击产生，响应信号由连接在笔记本电脑上的数据采集卡记录，采样频率为20kHz和采样长度为2000点；

步骤(3)：应力波传播时间测量(径向)：冲击试验后，从距大端30厘米的横截面开始，增量为30厘米，对每个原木在径向方向进行了一系列应力波传输时间测试，该测试可对每个原木的物理状况进行详细的无损评估，从而确定每个原木锯切位置以及确定原木主要的内部缺陷；

步骤(4)：原木锯切：在无损检测完成后，根据每个原木中的应力波传播时间(SWT)图对每个原木进行锯切，并对每个切开的截面进行视觉检查与测量，确定缺陷的位置和尺寸，随后获取每个横截面的高分辨率数字图像，以记录原木具体的内部状况；

步骤(5)：依据测量结果，建立每个原木的真实缺陷图，并估计缺陷区域的总体积；然后将缺陷区域体积除以总的原木体积得到每个原木的缺陷比；

步骤(6)为了确定原木的含水率，从每根原木上切下一到两个5厘米厚的圆盘，根据ASTM标准D4442-92(ASTM 2003)，用烘箱干燥法测定每个圆盘的含水率(MC)。

作为上述技术方案的改进，所述阔叶材原木内部质量评估系统的应用具体包括：

(1)缺陷率与声速的关系；

(2)缺陷率与时间中心(Tc)的关系；

(3)缺陷率与一阶阻尼比的关系；

(4)缺陷率与二阶阻尼比的关系；

(5)声学预测模型；

(6)基于时间中心的原木质量分等；

(7)基于阻尼比的原木质量分等；

(8)基于时间-速度-阻尼比联合的原木质量分等。

作为上述技术方案的改进，所述阔叶材原木内部质量评估系统的应用其是通过计算响应信号的声速、时间中心、一阶阻尼比和二阶阻尼比来实现对原木质量评估或分等的功能；

响应信号的声速(V)的计算公式如下所示

式中，f_n为声波的第n次谐振频率，L为原木长度；

时间中心(T_C)，又被称为“平均时间”，表示大多数信号被接收到的时间；在数学上，时间中心是由信号的一阶矩除以信号的零阶矩得到的，时间中心的表达式为：

其中N为时间样本个数，A_i为第i个时间步长振幅，t_i为第i个时间步长时刻；一般来说，当一个信号在无缺陷的介质中被激发和传输时，它的大部分能量通常位于信号波形的开始，信号的反射和模态变化往往来自于边界和材料缺陷，使得信号在时域产生偏斜，时间中心作为一阶矩分析的一种形式，被广泛用于表征材料的损伤或退化；

基于连续小波变换(CWT)的阻尼比

有限能量信号x(t)∈L²(R)的CWT可以被定义为：

其中是基本小波函数复数共轭，a和b是膨胀系数和平移系数；

分析瞬态自由振动信号最常用的是Morlet小波，采用改进的小波变换估计声信号的阻尼比，下式为一个修正的复Morlet小波：

其中f_b为小波带宽参数，f_c为中心频率，小波变换的傅里叶变换是

假设信号x(t)是单色波并且是渐进的，可以用一个瞬时振幅A(t)>0和相位为φ(t)的函数表示：

x(t)＝A(t)cos(φ(t)) (6)

信号x(t)的CWT可以通过泰勒公式在t＝b时近似得到，公式如下：

根据小波脊理论，CWT的最大模量为时频平面的一条曲线，该曲线被称为小波脊ar(b)，与该曲线上的点相对应的模被称为小波骨架，小波脊及骨架的定义如下所示：

对于n自由度的线性系统，当系统受到单位冲击力时，响应信号x(t)可以表示为：

其中A_i仅是与测试点和模阶数i相关的常数，ζi是第i阶模态振型的阻尼比，f_i是i阶无阻尼频率，是i阶阻尼频率；

当复Morlet小波变换应用于x(t)时，由式(5)、(7)、(9)可得：

当膨胀系数a为固定值a＝ai＝fc/fi，根据小波脊和骨架的定义(见公式8)，每个模式i的CWT可以表示为：

用t代替b，上述方程可以重写为：

瞬时振幅B_i(t)和相位φ_i(t)的定义如下：

对方程(13)求导可得：

系统的瞬时频率f_i和阻尼比ζ_i可以通过求解方程(14)得到。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

(1)在对原木进行声冲击试验时发现，冲击端和对应端的响应信号的主频率分量基本相同，由于冲击端的高能量输入会使附近接收到的信号产生非线性失真，本发明采用对从原木冲击端的相对端得到的响应信号进行分析，以评估原木内部质量。

(2)本发明以阔叶材原木为试验样本验证原木内部质量评估系统的分析结果，证明该方法的有效性和可靠性；本系统可以较为准确地根据多个独立参数及其组合预测原木内部的缺陷及程度，实现原木缺陷的早期检测，从而极大地提高木材利用率，缓解目前木材市场的供需矛盾，对保护生态环境和推动经济发展具有重大意义。

附图说明

图1为本发明原木声冲击试验(纵向)示意图；

图2为本发明原木径向应力波传输时间测量示意图；

图3为本发明阔叶材原木径向应力波传播时间(μs/m)分布图；

图4为本发明基于缺陷比的阔叶材原木分类图；

图5为本发明阔叶材原木的缺陷比与声速的关系图；

图6为本发明阔叶材原木的缺陷比与时间中心的关系图；

图7为本发明声信号阻尼比估算程序的说明(1号原木为例)；(a)声信号时域图；(b)小波模量和脊线(红线)的时频分布；(c)小波模和骨架(黑线)的时频分布；(d)声信号的基频分量及骨架(红色虚线)；(e)信号的瞬时频率、阻尼比和拟合阻尼比曲线；(f)声信号的二阶谐波分量及骨架；(g)信号的瞬时频率、阻尼比和拟合阻尼比曲线；

图8为本发明阔叶材原木的缺陷比与一阶阻尼比的关系图；

图9为本发明原木的横截面解剖图：(a)11号原木、(b)6号原木；

图10为本发明阔叶材原木的缺陷比与二阶阻尼比的关系图；

图11为本发明各板材等级率随时间中心分布关系图；

图12为本发明各板级等级率随阻尼比分布关系图；

图13为本发明各板级等级率随时间-速度-阻尼比联合分布关系图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

实施例1：美国威斯康星州麦迪逊市某木材厂15根混合树种阔叶材原木

本发明所述种原木内部质量评估系统，主要针对的是阔叶材原木。

阔叶材原木质量在不同树种、不同采集地点甚至同一棵树不同位置间差别很大。原木腐烂、孔洞、节子、外伤和其他生长缺陷不仅降低木材产品的强度而且影响其外观质量，从而降低木材及其产品的价值；这些缺陷的位置、类型和大小决定了板材的潜在等级和价值。研究表明：如果在锯切过程中能有效利用这些内部缺陷的具体信息，可以使其价值提高10％-21％。因此，阔叶材原木内部缺陷的早期检测可以为木材行业在资源的最佳利用方面带来重大利益。

为测试本发明系统的有效性，从威斯康辛州麦迪逊当地的一家木材公司获得了15根不同种类的阔叶材原木，包括两颗黑樱桃、五棵白橡树、六棵红橡树和两棵杨木。这些原木通过视觉检查，存在较大质量差别，低质量原木中有一系列不同程度的缺陷(空洞、裂缝、环裂和内部腐烂等)。在进入实验室后，每个原木被分配一个原木号，并测量其基本尺寸。表1显示了原木的种类和维度参数。

表1.硬木原木的物理特性.

为获得原木的响应信号，需要对原木进行声冲击试验(纵向)，其声冲击试验采用两种不同的方式进行：(1)使用手持式共振声学工具直接测量每个原木的声速；(2)使用实验室冲击试验系统获得并记录每个原木的响应信号。

为采集每个原木的响应信号，两个传感器探针分别插入到原木中心的相对两端，冲击信号由一端的HM200锤击产生，响应信号由连接在笔记本电脑上的数据采集卡(NI5132)记录，采样频率为20kHz，其采样长度为2000点。图1所示为声冲击试验系统示意图。

应力波传播时间测量(径向)：冲击试验后，从距大端30厘米的横截面开始，增量为30厘米，对每个原木在径向方向进行了一系列应力波传输时间测试(参见图2)。该测试可对每个原木的物理状况进行详细的无损评估，从而确定每个原木锯切位置以及确定原木主要的内部缺陷。

原木锯切：在无损检测完成后，根据每个原木中的应力波传播时间(SWT)图对每个原木进行锯切。图3所示为所有原木的应力波传播时间数据，从中可以确定原木内部状况存在相对较大差异；对每个切开的截面进行视觉检查与测量，确定缺陷的位置和尺寸；随后获取每个横截面的高分辨率数字图像，以记录原木具体的内部状况，如图4所示。

依据测量结果，建立每个原木的真实缺陷图，估计缺陷区域的总体积；然后，将缺陷区域体积除以总的原木体积得到每个原木的缺陷比。

为了确定原木的含水率，从每根原木上切下一到两个5厘米厚的圆盘。根据ASTM标准D4442-92(ASTM 2003)，用烘箱干燥法测定每个圆盘的含水率(MC)。

缺陷率与声速的关系：

表2为响应信号的各种声学测量值。不同种类的原木的声波速度在2047～3317 m/s范围内变化，变异系数为14.3％；根据缺陷率将原木分为5类，则每类原木的平均速度如下所示：

虽然各类原木的样本量较小，组间比较意义不大，但是声速随缺陷比的增大而减小的趋势很明显；图5a为被测试的15根硬木原木的缺陷率与声速的关系，该关系可以用多项式回归模型描述：

k(％)＝177.51-0.10V+1.52E-⁰⁵V²(R²＝0.72) (15)

不考虑树种和含水率的影响，一般而言，当原木声速下降到3000m/s以下时，随着声速持续下降，内部衰变的严重程度将以更高的速度增加。

红橡木的样本量在4类原木中最大，当单独对红橡木进行分析时，发现随着缺陷比的增加，其声速也有相似的下降趋势(图5b)；该关系也可用数学模型表示(R²＝0.76)。分析表明缺陷率与声速的关系受树种影响。

表2：从硬木材原木中获得的响应信号的声学参数

f_c是复Morlet小波的中心频率，f_s是采样频率，s_i和f_i分别是小波变换的尺度及其对应的频率。

缺陷率与时间中心(T_c)的关系：

15根原木的时间中心在0.0165s～0.0266s之间，变异系数(COV)为14.3％。健康原木及缺陷率低的原木的T_c值低于缺陷率高的原木。图6显示了15根硬木原木的缺陷率与时间中心的关系。经线性回归分析，决定系数(R²)为0.87，两者间存在良好的正相关关系，即T_c值越高，原木缺陷比越高。

阻尼比估计：

图7说明了另一个重要的声学评估参数即原木阻尼比的估算过程。以1号原木为例，图7a为原木的响应信号。因噪声会使骨架的导数产生非常大的畸变，畸变导数将直接影响瞬时频率和阻尼比的估计。因此本发明的所有响应信号均经中值滤波-奇异值分解方法滤波处理。

连续小波变换得到小波模(见公式(4))，图7b为小波模的二维等高线图，图7c为其三维网格图。然后利用式(8)计算出小波脊和骨架，如图7b中红线或图7c中黑线所示。图7e和图7g是通过解方程(14)获得的原木响应信号的瞬时频率和阻尼比。本研究瞬时频率指瞬时固有频率和二阶谐波频率。

如图7e所示，在没有缺陷的高质量原木中，瞬时频率在响应信号的有限持续时间内变化不大，这意味着不存在与内部缺陷相关的声波的反射和折射。因此，从瞬时频率推导出的阻尼比变化不大，没有出现频率转换现象。但是，对于低质量的原木，阻尼比变化明显。为了便于使用，对阻尼比数据进行了高阶多项式拟合，拟合曲线(红色标记)如图7e所示。

所有硬木原木的阻尼比见表2。

缺陷率与一阶阻尼比的关系：

图8为原木缺陷率和一阶阻尼比的关系，回归结果显示为线性关系(R²＝0.65)，但存在两个异常原木(6号和11号)。检查这两个原木的切开截面，发现原木内部的空洞导致了大的缺陷率；这些空洞集中在心材，而边材相对完整(参见图9)；虽然由于中心腐朽导致这两个原木的声速显著减少，但是由于中心空洞的能量耗散远远低于同等缺陷率导致的预期值，声能仍可通过边材被有效传播。因此，相应的阻尼比小于预期值。

另一个影响阻尼比的因素是原木含水率，在图8中，6号原木的阻尼比与线性回归模型偏差最大，这可能是6号原木含水率(31.3％)最低导致的。

根据观察到的缺陷率与一阶阻尼比之间的关系以及上述分析，可知一阶阻尼比不仅受缺陷的大小影响，还与木材含水率，以及缺陷在原木中的分布有关。

缺陷率与二阶阻尼比的关系

与一阶阻尼比分析类似，二阶阻尼比与原木缺陷率也可用线性回归进行分析。结果表明：二阶阻尼比与原木缺陷率呈极好的线性关系(R²＝0.92，见图10)。与一阶阻尼比相比，二阶阻尼比似乎不受缺陷类型和缺陷在原木中的分布方式影响，只与损伤程度有关。因此，响应信号的二阶阻尼比比一阶阻尼比能更准确地表征原木的缺陷状态。此外，与声速相比，二阶阻尼比能更准确地预测原木的缺陷程度，而不受树种的影响。

声学预测模型

将声速、时间中心、一阶阻尼比和二阶阻尼比任意组合，发现拟合优度更高。可用下列函数形式导出回归方程

x₁，x₂，x₃和x₄是预测变量(V，T_c，ζ₁和ζ₂)，b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅和b₆是回归系数。

根据表3，由于决定系数的增大以及均方根误差(RMSE)的减小，组合参数的回归缺陷比比单一参数的缺陷比更准确。然而，不同组合间的回归效果的差异也比较明显。根据表3的结果，可以发现ζ₂和T_c可能是表征硬木原木内部缺陷的最重要的两个因素。此外，最优预测或评估硬木的内部缺陷模型可能来源于T_c、ζ₁和ζ₂或V、T_c和ζ₁等多个参数的组合。但是，如果考虑预测的准确性和分析的简单性，ζ₂可能是最好的预测或指示硬木原木内部缺陷的参数。

表3.多参数(V，T_c，ζ₁，ζ₂)回归预测原木内部缺陷率

实施例2：美国西弗吉尼亚州阿巴拉契亚中部山区MeadWestVaco森林的黄杨树木(Liriodendron tulipifera)，21根。

随机选取15棵黄杨树伐倒。每棵树被锯截成3-5根商用长度的原木，共52根。观察发现这些原木的质量等级差异较大，一些原木锯截后存在较明显腐烂痕迹，一些原木则有较深的外部损伤，另外也有部分高质量原木。测试实验为砍伐后一个月，时间为三月初期。原木样品的含水量为45-60％，均在纤维饱和点(30％)以上。

为了获取原木的基本物理参数，首先对原木进行高分辨率三维激光扫描。扫描沿原木长度方向进行，采样步进为1.59mm，依据原木周长差异，每周像素点数为250-450点，平均分辨率为3pixel/cm。随后用量程为2000kg，精度为0.5kg的吊秤(LHS4000a,ADAMEquipment,Inc.,Oxford,CT)对每根原木质量进行测定。最后根据原木的总质量和三维激光扫描数据中获得的精确体积计算原木密度。所有上述参数均列于表4。

表4黄杨原木尺寸和物理参数

声学试验完毕，基于视觉检查和声学测试结果，从52根原木中挑选出能代表此批次质量的21根原木进行锯切，对比验证本文所提方法的可行性和有效性(之所以仅选择21根原木，主要为经费与时间所限)。按最大得材率和产值方案将这些原木锯切成厚度为29毫米的板材，并依据美国阔叶材板材协会(the National Hardwood Lumber Association,NHLA)分等规则(NHLA 2015)对这些板材进行分等。板材等级依次分为高等级，普一级，普二级，普三级和等外级。板材总体积、各等级板材体积和等级率列于表5。

表5黄杨原木锯切结果

本研究中，用于原木分等的声参数列于表6。

表6黄杨原木声参数计算值

基于上述获得的三个声参数(V，T_c和ζ)，我们分别按其大小对其进行排序，并将其对应的原木分成三个等级(高质量、中等和低质量)。其因样本数量较小，分等阈值的设置原则主要基于每个参数区间的三等分，再结合样本数目进行适当微调，确保每个等级的原木数量在5-9棵之间，对每个质量等级的原木，根据其切开的板材总体积和各等级板材体积，计算各板材等级率(各等级板材体积/板材总体积100％)。理想上，高质量原木其高等级板材率应最高，而低质量原木高等级板材率应最低，中等质量原木应介于两者之间。

基于时间中心的原木质量分等：

将列于表6中的时间中心由小到大进行排序，并依次将对应的原木分为高、中和低质量3组，即：

G1:(1.20≤T_c<1.50)×10^-2s(高质量等级)；

G2:(1.50≤T_c<1.80)×10^-2s(中等质量等级)；

G3:(1.80≤T_c<2.10)×10^-2s(低质量等级)。

时间中心值越小，说明信号能量传输得越快，意味着其对应的原木质量越高。

图11为各等级板材等级率随时间中心的分布，显然三个质量等级组中板材等级率与时间中心存在较显著的相关性。随着时间中心从G1增加到G3，对应组所含高等级板材的等级率显著下降(从G1组的74.2％下降到G2组的50.3％再到G3组的21.8％)，而普一、二、三等级板材的等级率明显上升。等级率随时间中心相反的变化趋势表明，缺陷少、质量好的板材和有缺陷(如节子、节群和腐朽等)质量一般的板材对信号传输的影响有明显的差异；另外，三组原木中所有等外级(below grade)板材之和约占4％，这意味着此批次原木质量相对较好，含有较大缺陷的原木较少。

基于阻尼比的原木质量分等：

阻尼比按大小排序，并分为3组，每一组对应的原木分别预测为高、中和低质量等级，具体分组如下：

G1:(3.00≤ζ<3.50)×10^-2(高质量等级)；

G2:(3.50≤ζ<4.10)×10^-2(中等质量等级)；

G3:(4.10≤ζ<4.60)×10^-2(低质量等级)。

图12为按阻尼比分组的板材等级率分布图：对应低阻尼比的G1组原木(预测为高质量原木)，其高等级板材率约为74.1％，较低等级(含普二级、三级和等外级)板材率仅为12.6％左右；与之相比，高阻尼比的G3组原木(预测为低质量原木)，其高等级板材仅占28.5％，而较低等级(含普二级、三级和等外级)的板材率则达到了29.3％；与时间中心相似，原木组的高、低等级板材率随阻尼比的变化呈两种相反变化趋势反映了原木(板材)内部质量的显著差异；至于中等质量的原木组，无论其高等级的板材，还是普一、二、三级的板材，其等级率都介于高质量原木组和低质量原木组之间。

基于时间-速度-阻尼比联合的原木质量分等：

图13为时间-速度-阻尼比联合分组的板材等级率分布图：无论是与时间中心还是阻尼比相比，其G1组原木的高等级板材率都显著得到提高，约为80％；而低等级的G3组高等级板材率仅为20％。反观其他等级的板材率，随着G1组向G3组变动，普通板材的等级占比大大提高了；显然联合分布进行板材等级分等优于单个参数的分等预测。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种阔叶材原木内部质量评估系统，其特征在于：其主要通过对原木进行声冲击测试获得响应信号，然后对响应信号进行分析以评估原木内部的健康状况，具体步骤包括：

步骤(1)：使用手持式共振声学工具直接测量每个原木的声速；

步骤(2)：使用实验室冲击试验系统获得并记录每个原木的响应信号；其中为采集每个原木的响应信号，需要两个传感器探针且分别插入到原木中心的相对两端，冲击信号由一端的HM200锤击产生，响应信号由连接在笔记本电脑上的数据采集卡记录，采样频率为20kHz和采样长度为2000点；

步骤(3)：应力波传播时间测量(径向)：冲击试验后，从距大端30厘米的横截面开始，增量为30厘米，对每个原木在径向方向进行了一系列应力波传输时间测试，该测试可对每个原木的物理状况进行详细的无损评估，从而确定每个原木锯切位置以及确定原木主要的内部缺陷；

步骤(4)：原木锯切：在无损检测完成后，根据每个原木中的应力波传播时间(SWT)图对每个原木进行锯切，并对每个切开的截面进行视觉检查与测量，确定缺陷的位置和尺寸，随后获取每个横截面的高分辨率数字图像，以记录原木具体的内部状况；

步骤(5)：依据测量结果，建立每个原木的真实缺陷图，并估计缺陷区域的总体积；然后将缺陷区域体积除以总的原木体积得到每个原木的缺陷比；

步骤(6)为了确定原木的含水率，从每根原木上切下一到两个5厘米厚的圆盘，根据ASTM标准D4442-92(ASTM2003)，用烘箱干燥法测定每个圆盘的含水率(MC)。

2.根据权利要求1所述阔叶材原木内部质量评估系统的应用，其特征在于：所述应用具体包括：

(1)缺陷率与声速的关系；

(2)缺陷率与时间中心(T_c)的关系；

(3)缺陷率与一阶阻尼比的关系；

(4)缺陷率与二阶阻尼比的关系；

(5)声学预测模型；

(6)基于时间中心的原木质量分等；

(7)基于阻尼比的原木质量分等；

(8)基于时间-速度-阻尼比联合的原木质量分等。

3.根据权利要求2所述阔叶材原木内部质量评估系统的应用，其特征在于：其通过计算响应信号的声速、时间中心、一阶阻尼比和二阶阻尼比来实现对原木质量评估或分等的功能；

响应信号的声速(V)的计算公式如下所示

式中，f_n为声波的第n次谐振频率，L为原木长度；

时间中心(T_C)，又被称为“平均时间”，表示大多数信号被接收到的时间；在数学上，时间中心是由信号的一阶矩除以信号的零阶矩得到的，时间中心的表达式为：

其中N为时间样本个数，A_i为第i个时间步长振幅，t_i为第i个时间步长时刻；一般来说，当一个信号在无缺陷的介质中被激发和传输时，它的大部分能量通常位于信号波形的开始，信号的反射和模态变化往往来自于边界和材料缺陷，使得信号在时域产生偏斜，时间中心作为一阶矩分析的一种形式，被广泛用于表征材料的损伤或退化；

基于连续小波变换(CWT)的阻尼比

有限能量信号x(t)∈L²(R)的CWT可以被定义为：

其中是基本小波函数复数共轭，a和b是膨胀系数和平移系数；

分析瞬态自由振动信号最常用的是Morlet小波，采用改进的小波变换估计声信号的阻尼比，下式为一个修正的复Morlet小波：

其中f_b为小波带宽参数，f_c为中心频率，小波变换的傅里叶变换是

假设信号x(t)是单色波并且是渐进的，可以用一个瞬时振幅A(t)>0和相位为φ(t)的函数表示：

x(t)＝A(t)cos(φ(t)) (6)

信号x(t)的CWT可以通过泰勒公式在t＝b时近似得到，公式如下：

根据小波脊理论，CWT的最大模量为时频平面的一条曲线，该曲线被称为小波脊ar(b)，与该曲线上的点相对应的模被称为小波骨架，小波脊及骨架的定义如下所示：

对于n自由度的线性系统，当系统受到单位冲击力时，响应信号x(t)可以表示为：

其中A_i仅是与测试点和模阶数i相关的常数，ζ_i是第i阶模态振型的阻尼比，f_i是i阶无阻尼频率，是i阶阻尼频率；

当复Morlet小波变换应用于x(t)时，由式(5)、(7)、(9)可得：

当膨胀系数a为固定值a＝ai＝fc/fi，根据小波脊和骨架的定义(见公式8)，每个模式i的CWT可以表示为：

用t代替b，上述方程可以重写为：

瞬时振幅B_i(t)和相位φ_i(t)的定义如下：

对方程(13)求导可得：

系统的瞬时频率f_i和阻尼比ζ_i可以通过求解方程(14)得到。