基于AR-SK的北美鹅掌楸原木声信号特征参数提取及质量分等

发布时间：2022-02-13 12:09

　　阔叶材原木的质量评估可以为行业提供最优的阔叶材资源利用价值,然而因缺陷声信号的非平稳性和缺陷类型特征的重叠性,有效的质量评估声参数非常有限。基于此,提出一种基于自回归模型（AR）和谱峭度（SK）相结合的特征声参数提取与分等方法。利用AR线性滤波器滤除声信号中周期平稳成分,并对包含缺陷信息的残差信号进行短时傅里叶变换,计算其谱峭度值并定位最大谱峭度所在的频带,以其频带的中心频率和带宽设计滤波器对残差信号进行滤波以获取原木主要缺陷信号分量,计算该信号分量的峭度值,将其作为表征声信号的特征参数对北美鹅掌楸原木进行质量分等。样本原木的实际锯切结果显示,基于AR-SK的预测分等中,高质量原木组中的高等级板材率为77.2%,而低质量组中的高等级板材率为21.8%。与传统的声速分等相比,高质量组中的高等级板材率提高了33%以上,而低质量组中的高等级板材率降低了约26%。研究结果表明,所提方法能有效分离缺陷信号成分并对该原木质量进行较精确分等。 

【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(24)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

AR-SK过程

为获取原木基本物理参数,首先沿原木长度方向对其进行高分辨率三维激光扫描。扫描步进为1.59 mm,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。原木扫描试验现场如图2所示。然后用量程2 000 kg,精度为0.5 kg的吊秤(LHS4000a, ADAM Equipment,Inc.,Oxford,CT)对每根原木的质量进行测量。最后由原木总质量和三维激光扫描得到的精确体积计算原木密度。上述参数均列于表1。表1 北美鹅掌楸原木尺寸和物理参数Tab.1 Dimensional and physical measures of the yellow-poplar logs 原木编号 长度/m 直径/cm 质量/kg 密度/(kg·m-3) 体积/m3 原木编号 长度/m 直径/cm 质量/kg 密度/(kg·m-3) 体积/m3 大端 小端 均值 大端 小端 均值 1123 3.47 46.7 43.1 47.3 419.0 685.4 0.611 1141 4.08 35.8 35.8 35.8 311.4 759.8 0.410 1126 3.99 51.2 51.2 49.5 537.1 672.5 0.798 1147 3.81 36.2 34.5 35.7 286.9 735.4 0.390 1128 3.99 59.2 52.0 53.9 827.6 885.7 0.934 1153 3.60 53.4 51.6 54.0 675.1 785.9 0.858 1129 4.63 50.9 50.9 52.8 821.7 783.5 1.048 1154 2.90 52.9 52.9 52.1 643.8 1000.5 0.643 1131 5.00 38.1 35.1 36.4 388.2 729.5 0.532 1155 3.47 51.1 46.1 48.2 522.6 800.3 0.652 1133 4.48 48.4 47.1 47.6 498.0 610.9 0.814 1161 5.03 43.4 38.4 40.5 548.4 827.0 0.662 1134 5.12 42.7 39.1 40.7 420.4 614.5 0.684 1166 5.18 59.9 58.5 57.9 1202.6 831.0 1.446 1136 4.27 32.4 32.4 32.6 167.1 497.1 0.336 1167 3.47 46.4 42.7 44.8 459.4 827.4 0.555 1137 4.11 48.4 43.1 45.2 548.9 828.8 0.662 1169 4.91 44.1 37.5 39.2 474.9 780.3 0.608 1138 3.38 42.6 41.1 41.7 363.7 767.6 0.473 1170 4.42 37.1 37.1 36.8 360.0 740.5 0.486 1140 3.38 37.9 37.9 37.9 291.0 760.1 0.383

声学试验完成后,根据视觉评估结果和原木基本测试参量,从52根样本原木中挑选出能代表此批次原木总体质量的21根原木进行锯切(仅选择21根原木,主要受时间与经费所限),以验证本文所提方法的可行性和有效性。将样本原木按照最大得材率和产值方案锯切成29 mm厚度的板材,并依据美国阔叶材板材协会(National Hardwood Lumber Association,NHLA)分等规则(NHLA 2015)[28]依次对这些板材进行分等。板材等级依次为高等级、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均列于表2。表2 北美鹅掌楸原木锯切结果Tab.2 Sawing results of yellow-poplar logs 原木编号 板材体积/m3 板材等级率/% 总体积 高等级 普一级 普二级 普三级 等外级 高等级 普一级 普二级 普三级 等外级 1123 0.250 0.040 0.068 0.099 0.042 0 16.0 27.4 39.6 17.0 0 1126 0.373 0.326 0.019 0.017 0 0.012 87.3 5.1 4.4 0 3.2 1128 0.517 0.441 0.045 0 0.012 0.019 85.4 8.7 0 2.3 3.7 1129 0.467 0.139 0.286 0.014 0.014 0.014 29.8 61.1 3.0 3.0 3.0 1131 0.156 0.071 0.038 0.047 0 0 45.5 24.2 30.3 0 0 1133 0.371 0.076 0.132 0.097 0.066 0 20.4 35.7 26.1 17.8 0 1134 0.274 0.054 0.165 0.054 0 0 19.8 60.3 19.8 0 0 1136 0.085 0 0.017 0.028 0.040 0 0 19.4 33.3 47.2 0 1137 0.323 0.304 0.019 0 0 0 94.2 5.8 0 0 0 1138 0.205 0.144 0.061 0 0 0 70.1 29.9 0 0 0 1140 0.085 0 0.028 0.028 0.028 0 0 33.3 33.3 33.3 0 1141 0.090 0 0.024 0.066 0 0 0 26.3 73.7 0 0 1147 0.142 0.090 0.014 0.009 0 0.028 63.3 10.0 6.7 0 20.0 1153 0.378 0.208 0.135 0.012 0.024 0 55.0 35.6 3.1 6.3 0 1154 0.297 0.179 0.076 0.042 0 0 60.3 25.4 14.3 0 0 1155 0.264 0.054 0.085 0.109 0.017 0 20.5 32.1 41.1 6.3 0 1161 0.234 0.012 0.111 0.111 0 0 5.1 47.5 47.5 0 0 1166 0.685 0.453 0.137 0.094 0 0 66.2 20.0 13.8 0 0 1167 0.236 0.045 0.047 0.076 0.068 0 19.0 20.0 32.0 29.0 0 1169 0.231 0.128 0.035 0.068 0 0 55.1 15.3 29.6 0 0 1170 0.201 0.076 0.092 0.021 0 0.012 37.6 45.9 10.6 0 5.9

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于AR模型的齿轮故障诊断[J]. 曹展,王细洋.  失效分析与预防. 2016(05)
[2]基于EMD的谱峭度方法在滚动轴承故障检测中的应用[J]. 戴豪民,许爱强,李文峰,孙伟超.  计算机测量与控制. 2015(03)
[3]含水率和密度对木材应力波传播速度的影响[J]. 刘昊,高建民.  北京林业大学学报. 2014(06)
[4]一种基于谱峭度的异步电机故障诊断方法[J]. 赵妍,李志民,李天云.  电工技术学报. 2014(05)
[5]空洞对木材中应力波传播路径的影响[J]. 徐华东,王立海.  东北林业大学学报. 2014(04)
[6]基于谱峭度的滚动轴承故障包络阶比跟踪分析[J]. 刘亭伟,郭瑜,李斌,高艳.  振动与冲击. 2012(17)
[7]基于谱峭度和AR模型的滚动轴承故障诊断[J]. 从飞云,陈进,董广明.  振动.测试与诊断. 2012(04)
[8]基于EMD与谱峭度的滚动轴承故障检测改进包络谱分析[J]. 蔡艳平,李艾华,石林锁,白向峰,沈金伟.  振动与冲击. 2011(02)
[9]应力波技术在古建筑木构件腐朽探测中的应用[J]. 段新芳,王平,周冠武,高超英.  木材工业. 2007(02)
[10]基于EMD和AR模型的滚动轴承故障诊断方法[J]. 于德介,程军圣,杨宇.  振动工程学报. 2004(03)



本文编号：3623169