[发明专利]一种阔叶材原木内部质量评估系统及应用

权利要求书

1.一种阔叶材原木内部质量评估系统的应用，阔叶材原木内部质量评估系统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)：应力波径向传播时间测量：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一系列应力波传输时间测试，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)；

其特征在于：

该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(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。

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：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；当一个信号在无缺陷的介质中被激发和传输时，它的能量位于信号波形的开始，信号的反射和模态变化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，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表示为：

用t代替b，上述方程(11)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。