基于小波变换和矩分析的阔叶材原木质量评估开题报告

 2021-08-08 12:08

全文总字数:1995字

1. 研究目的与意义

随着我国经济发展和人民生活水平的提高,木材需求量逐年上升。多年来由于森林被严重采伐,我国森林资源可采蓄积量锐减,木材的供应量远不能满足实际的需求。如何充分利用好森林资源,以及评估、检测现有木质结构,延长其服役周期,减少资源浪费和灾难事故发生,提高木材利用率,是我国林业科技人员面临的两大课题。

阔叶材原木通常被认为是一种质量较好的单板原木,其内部存在的缺陷直接关系到木材潜在的等级和价值,通常一块优质单板原木的价格是工厂一级锯木价格的1.5~6倍。在高端单板市场中,外观是决定单板价格的关键因素。原木购买商和估价者根据木材的颜色、纹理图案和缺陷情况对木材进行分等。缺陷对外观的影响取决于缺陷的类型、尺寸、位置,以及单板截锯的方法等。一些缺陷只有在原木锯切成单板之后才会显露,大的缺陷可能会降低原木的等级,从而给木材制造商或企业造成巨大的经济损失。另外,研究表明,及时检测阔叶材内部缺陷,以便做出准确的质量评估,可以为木材工业带来显著的经济效益。因此,对阔叶材原木的质量进行分等尤为重要。

2. 国内外研究现状分析

目前应用于原木质量检测的主要手段包括X射线、计算机层析成像、核磁共振、激光扫描、声波法(应力波法、声发射法,超声,声-超声等)等。计算机层析成像和核磁共振虽然能够提供较清晰的断层图像,但图像获取速度较慢,缺乏实时性,且设备价格昂贵,对原木的尺寸也有要求,制约了其在原木检测领域的广泛应用。激光扫描法通过原木外表面和内部缺陷关系,根据原木外部情况预测内部缺陷。但是由于但由于原木内、外缺陷关系跟树种息息相关,目前还缺乏大量样本数据库。这种缺陷检测方法尚处于初步探索阶段。声波技术在木材检测领域的应用已有几十年历史。声速作为一种无损检测参量已被证明与木质、纤维的基本性质如刚度、密度、微纤维角等有关。目前声技术已被部分林产品企业用于针叶材原木在线质量检测和分类,但在阔叶材原木内部缺陷方面的研究还非常有限。美国林产品实验室的王喜平等应用声共振法测试了400棵黑橡木和猩红橡木,指出声速与原木板材等级相关。

时间中心作为一阶矩分析的一种形式,已广泛应用于材料、工程和经济学等诸多领域。Bayisas等提出了一种基于时频域振动响应能量密度函数的统计矩的损伤识别方法。计算了大桥钢板梁损伤前后每个格点联合密度函数的零阶矩,实现了桥梁损伤的探测和定位。一般来说,当信号被激发并传播于理想介质时,其大部分能量通常位于信号波形的起始。而信号的反射和模式转换往往是由边界和材料缺陷导致,从而造成时域信号偏移。因此,时间中心可以用来描述材料的损伤或退化。

阻尼比是结构的重要动力特性之一,也是影响结构稳定性的重要参数。在动态分析中,阻尼比描述了结构在振动过程中能量耗散能力。连续小波变换ContinuousWavelet Transform ,CWT由于具有良好的时频局部化特点和多自由度系统的自动解耦能力,在结构模态参数识别和损伤检测中得到了广泛的应用。Le等人在连续小波变换的自动解耦功能的基础上,将奇异值分解(SVD)应用于相关信号矩阵的连续小波变换,对阻尼比进行估计。Staszewski提出了一种非线性带噪多自由度系统的衰减识别,基于系统脉冲响应的时间尺度分解,利用小波变换估计阻尼。Mahirlker-Kaustell等人用连续小波变换研究压载单跨钢-混凝土组合铁路桥一阶垂直弯曲模型等效粘性模态阻尼比与自然频率的关系。研究指出,阻尼比选择对新桥的设计具有理论指导意义。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容

提出一种声冲击测试方法,并结合现代信号处理技术小波变换和矩分析等,计算声波信号的时间中心、阻尼比等参数来评估阔叶材原木的质量并进行分等。最后与传统的声速方法进行比较,论证提出方法的可行性和有效性。研究内容流程如图1所示。

研究计划

2019.3--2019.4 选择合适的小波基函数处理非平稳声信号;

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4. 研究创新点

将数字信号处理技术与传统的木材产业相结合,以达到提高木材利用率的目的。

(1)具有鲜明的应用背景。

项目的创新思想来源于团队在数字信号处理领域较长时间的研究积累和广泛的国内外文献调研,根据数字信号处理的广泛应用,针对木材稀缺和运输成本较高的特点,提出系统的理论和行之有效的解决方案。

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