基于声发射技术的杨木蛀干害虫幼虫活动规律研究

陈 琴，李 明，罗延芳，朱代根

(西南林业大学机械与制造工程学院，昆明 655024)

我国进口木材易携带外来生物，且外来生物无天敌，使该生物破坏力大、扩散速度快、治愈难度大、检测困难[1-3]。木材消耗量在国内每年递增，更加凸显木材质量良好的重要性。活立木中，许多树种易患虫害，如柳树、杨树和榆树。害虫的存在，一方面降低木材的生长速度，另方面降低木材的质量。虫害严重时能将木材内部全部蛀空，所以森林的虫害防治至关重要。森林虫害防治的第一步是检测害虫是否存在，除了传统目测检测技术外，还有许多其它技术，如孙开源搭建的害虫声音采集平台[4]，张涛[5]和韩萍[6]使用SVM分类器，牟洪波等利用神经网络技术[7]、Suma等通过狗的嗅觉进行检测[8]、热红外成像技术[9]等。选取检测技术时，需要考虑活立木的检测的条件，如无损、户外等因素。

声发射检测虫害在理论上具有一定的可行性。害虫日常活动会产生声波信号，一方面包括日常活动爬行、进食(咬断纤维的信号)时产生的声波；另一方面，害虫有意发出的声音信号，如成虫求偶时，幼虫原因未知的故意发声[10]。

声发射技术检测幼虫时，受到幼虫位置[11]、信号在木材中传播时因反射折射等造成的衰减[12]、天牛种类、木材形状与含水率[13]、传感器位置[14]等因素影响。目前，声发射检测技术已经可以成功检测出隐蔽的小型害虫[15]，比如蛀干害虫、植物根茎部害虫[16]、储粮害虫[12]、水果害虫[17]等。

迄今，许多学者针对小蠹进行了一系列的研究。罗茜采用MFCC(Mel频率倒谱系数)和神经网络对红脂大小蠹、华山松大小蠹、云南切梢小蠹和短毛切梢小蠹进行种类识别，识别率分别为98.15%、98.00%、93.69%、83.33%。且BP训练样本量为20、40、60、80、100时，识别率和样本量成正比[18]。许小芳等通过对含有双钩翅长蠹、黑双棘长蠹和鳞毛粉蠹的木段进行研究，双钩翅长蠹、黑双棘长蠹和鳞毛粉蠹的活动声主频分别为：5 KHz、3.5 KHz左右、6.5 KHz[19]。娄定风等利用3种型号的传声器对六种蛀虫进行声发射检测，试验材料来源于深圳口岸截获的带有木材钻蛀害虫幼虫的木段。研究表明，双钩翅长蠹、黑双棘长蠹和鳞毛粉蠹、棕异翅长蠹的取食声主频在10 KHz以下[20]。2016年，卜宇飞等对红松、侧柏、油松、垂柳、苦楝和白杨的带虫木段，使用AED-2010L探测仪进行声发射检测。试验表明，柏肤小蠹的主要频率峰值小于8 KHz[21]。上述研究大多通过分析幼虫信号的时域和频域特征，归纳得出虫子信号特征(主要是信号频率)并以其辨别虫子种类，未涉及幼虫长时段活动规律。为探明杨木幼虫活动规律，给害虫防治提供依据和参考，我们通过搭建AE信号采集平台，采用声发射技术，进行了幼虫声波信号采集和分析，结果如下。

1 材料和方法

1.1 材料和设备

试件选自云南昆明5月份有明显羽化孔的杨木侧枝木段，尺寸大致为长(L)60 cm，直径(D)4 cm,杨树侧枝害虫主要为小蠹。如图1所示，首先用锯子锯掉材料两端不平整部分，以便测量尺寸。其次将木段表皮剥开，并选取合适的间距，削出4个平滑平面并用砂纸打磨至光滑，以期使放置其上的传感器与试件接触间隔最小，分别标为1、2、3、4。处理好的试件(杨木木段)置于带小孔的箱中并对箱体封堵，防止其它种类害虫感染；用棉团堵住木段虫孔，防止虫逃脱；定期给木段两端适量浇水，保证木段适当湿度，防止幼虫因木材湿度较低而提前化蛹。

图1 准备完成的试件

传感器型号为SR150N(北京声华兴业科技有限公司)，具体性能和参数为尺寸φ19 mm×19.5 mm、频率范围为22 K～220 K Hz、灵敏度峰值>75 dB、工作温度为-20～80 ℃。前置放大器型号为PAI(北京声华兴业科技有限公司)，具体性能和参数为尺寸116mm×36 mm×30 mm、放大倍数40 dB、相应频率为10K～2.0M Hz、工作温度-20 ℃～60 ℃。数据采集卡型号为USB-6366(National Instruments公司)，有8通道AI(模拟输入)、2通道AO(模拟输出)、24通道DIO(数字输入输出)和USB接口，操作环境温度要求为0～45℃。软件为Matlab2015b和Labview2015。

1.2 试验方法

1.2.1 搭建AE信号采集平台 如图2所示，首先将传感器(2)粘在试件提前削好的平滑面上，其次传感器后接前置放大器(3)，然后接数据采集卡，最后通过NI采集卡(4)的USB接口将数据传入电脑(5)。传感器的选取至关重要，性能越好，接受到的声波与实际声波越相似。信号通过传感器转换为微弱的电信号，为减小信号传输的损耗，使用前置放大器。

图2 搭建的AE信号采集平台示意图、实体图

1.2.2 数据采集 用粘合剂将传感器和木段粘在一起，尽量使接触面气泡少。首先用一个传感器进行区域定位，确定虫子存在的区域。试件上的4个平面每个检测5次，一次持续监测30 min。对采集到的信号进行分析。得到虫子位于2号区域结论后，进行监测实验。将一个传感器置于2号位置，另一个传感器依次置于1、3、4号位置，分别检测信号。早晨8∶00-23∶00循环监测，每轮监测1 h,其中测定0.5 h，休息0.5 h,共监测13轮。

在labVIEW中设置采样频率为50 KHz，编写相关截取、保存程序。因受matlab软件程序分析限制，截取有明显脉冲的3 w个信号，并以txt文本文档保存。若采集中无明显脉冲，则从开始处往后截取3 w个数(本实验无这种情况发生)。

1.2.3 数据处理 原始波形图用截取的3 w个脉冲信号绘制；利用matlab软件，采用小波分析法对采集的信号进行分解和重构，并绘制重构波形图；采用傅里叶变换法对信号进行处理，并绘制噪声频谱图。时域图横坐标为监测时间(毫秒，ms)，纵坐标为幅值(伏特,v)，hits表示声波脉冲信号数量;频域图横坐标为频域(KHz)，纵坐标为幅值(伏特,v)。

2 结果与分析

2.1 确定信号来源

区域定位实验共采集截取信号85 w个，发现传感器置于2号位置时，5次均能采集到凸出的声波信号(图3A)，表明声源位于2号区域。为排除接受到的声波信号不是虫声而是外界噪音，将传感器分别置于1、3、4号位置进行相同操作，未能采集到凸出的信号(图3B)，说明凸出的信号为虫子发出的声波，虫子位于2号位置区域。

图3 传感器检测到的图形(A，2位置传感器；B，4位置传感器)

2.2 监测试验结果

从图4、表1可以看出，幼虫声音信号主频主要集中于64.0 K～65.5 KHz频段内；8∶00-10∶00、11∶00-13∶00、15∶00-19∶00各有1个单脉冲信号，说明此时段幼虫活动较弱；13∶00-15∶00、19∶00-20∶00、22∶00-23∶00，各有2个单脉冲信号，表明此时段幼虫活动有所增强；21∶00-22∶00，有3个单脉冲信号，说明此时段幼虫活动更频繁；20∶00-21∶00，有5个明显信号，说明此时段幼虫活动最频繁、活跃；在监控时间内，该幼虫每个小时段内都在活动，至少产生一个声波。

3 结论

(1)本研究使用传感器、前置放大器、NI数据采集卡、电脑等设备搭建了AE信号采集平台，试验证明该系统能实现杨树幼虫声音信号的采集、分析和处理。

(2)实现声源区域定位。使用一个传感器进行区域定位，试验表明声源位于试材2号位置。

表1 8∶00-23∶00每一小时段内的声波脉冲数量、信号频率统计表

图4 位于试件2号位置的传感器接收到的信号(原始波形、重构波形和降噪频谱)

(3)通过傅里叶变换对信号进行处理后，发现杨树小蠹幼虫声音信号主频主要集中于64.0 K～65.5 KHz频段内。

(4)监测试验得出，测量时间段内，20∶00-21∶00是幼虫最活跃的时间段。建议在该段时间内对幼虫进行检测，可增加成功采集幼虫信号的概率。