木材是森林的主产品，是一种天然的可再生资源，独具形、色、香、质、纹、理等特点，近年来逐渐成为结构建筑主要用材。然而，由于木材内部结构复杂且易受外部环境影响，在加工处理过程中，常因受内力和外力作用而产生形变和开裂，从而降低木材的力学性能(范文俊等，2015；林兰英等，2015)。针对木材表面产生的形变，可以利用应变测定仪等进行检测，但诸如此类的常规手段无法实时监测木材内部的形变和开裂，因此，发展一种有效且对材料无损的检测方法具有十分重要的意义。

声发射(acoustic emission，AE)，也称应力波反射，是指物体中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，通过分析被测物体内部因能量变化所引发的弹性波特征，可判断物体内部损伤程度并确定损伤位置(Dunegan et al., 1968)。声发射技术是通过对AE信号的处理、分析来评价缺陷的发生、发展规律并确定缺陷位置的，其为木材加工处理过程中的应力监测提供了一种主动无损检测方法。Ritschel等(2013；2014)对胶合板层积材(plywood)和实木(wooden planks)进行50%应力水平下的拉伸试验，结果发现胶合板层积材AE事件数较少，实木AE事件累计呈线性增长；Lamy等(2015)采用不同方法监测花旗松(Pseudotsuga menziesii)试件的破坏过程，通过比较发现，AE信号的特征参数是反映木材开裂发生和发展的有效信息，AE信号源定位方法可以标定木材损伤过程中的断裂过程区；Baensch等(2015)分析云杉(Picea asperata)拉伸过程中AE信号的频率范围，并采用无监督模式识别方法对AE信号进行了分类。邵卓平等(2009)研究木材三点弯曲破坏过程的AE特性发现，试件加载初期会产生一些较低振幅的AE信号，大量高振幅的AE信号出现在峰值载荷附近和韧性断裂阶段；丁小康等(2012)对木材干燥过程中的AE信号特征进行研究，指出自由水蒸发阶段会产生高频低幅的AE信号，而木材出现开裂形变时会发出大量高幅值、高能量的连续AE信号；申珂楠等(2015a；2015b；2015c)采用AE传感器、多通道高速数据采集设备构建木材AE信号采集系统，基于LabVIEW软件设计AE信号波形的小波析取和分析平台，利用时差法计算AE信号在木材表面的传播速度，进一步提出了木材表面AE信号源的三角形定位方法，运用AE技术分析三点弯曲试验中木材的损伤断裂过程，给出了不同阶段的AE信号波形及相应的频域特征参数。需要指出的是，现有对木材AE检测的研究大多采用单一含水率试件，而含水率是影响木材AE信号传播速率的主要因素；同时，由于木结构建筑长期暴露在空气中，极易受水分子影响而降低木材的物理性能，且不同含水率下木材AE信号波形的传播规律如何目前尚不清楚。

鉴于此，本研究以云南松(Pinus yunnanensis)为试验材料，采用NI高速采集设备和LabVIEW软件构建AE信号采集平台，利用铅芯折断模拟声发射源，对绝干、气干、生材和饱水4种含水率状态下的试件表面进行AE信号采集，通过时差法计算信号在4种含水率状态下的平均传播速率，并运用小波分析对AE信号波形进行分解和重构，探讨含水率对AE信号波形的响应，以期为云南松声发射源定位提供依据，为木材内部缺陷无损检测提供基础数据。

为了能较明显地探究不同含水率下木材AE信号特征，以含水率139.1%(饱水状态)、81.3%(生材状态)、13.5%(气干状态)以及绝干状态的云南松作为研究对象，制作试件尺寸为350 mm(L)× 50 mm(T)×40 mm(R)。利用铅芯折断模拟声发射源(铅芯型号为0.5 mm，断铅角度保持正向60°)，并在距声源100和200 mm处各放置一个传感器(图 1)，各通道的采集电压幅值设置为(-5 V，5 V)，采样频率为500 kHz。

图 1 传感器连接实物 Fig. 1 Physical diagram of sensor connection

首先对原始状态含水率为13.5%(气干状态)的试件浸泡指定时间，并选用真空干燥箱结合称重法计算各自含水率。根据文献(Wolkerstorfer et al., 2012；孙丽萍等，2013；廖立等，2013)，大多数木材AE信号的频率范围为50~200 kHz，为此本研究选用SR150 N声华单端谐振声发射传感器，其采集频率在20~200 kHz之间，传感器配置增益40 dB的PAI前置放大器，放大器内置降噪装置，能有效放大信号，同时减少噪声信号。此外，为了满足香农采样定理(也称奈奎斯特定理)的基本要求，采用USB-6366 NI高速采集卡搭建基于LabVIEW软件的AE信号采集平台，设备采样频率最高可达2 MHz，在试件与传感器接触表面涂上一层专用耦合剂，以保证AE信号能够较好地到达传感器，并实现对试件AE信号的采集(图 2)。

图 2 声发射采集系统 Fig. 2 Acoustic emission collection system

为进一步探究试件内部的应力集中情况，考虑小波分析在时、频域均能表征信号的局部特征(许中林等，2014；黄金波等，2013)，本研究结合Matlab程序对AE信号进行小波分解，将信号分成不同频段的信号，并剔除含有噪声的信号频段，对含有AE信号频段的信号进行重构，从而将“淹没”在噪声中的AE信号析取出来；同时，依据AE信号到达2个传感器的时间差，估算其在不同含水率试件表面的轴向传播速度。

本研究对4种不同含水率试件各进行5组断铅试验，相应的平均传播速率见表 1。由表 1可知，随着含水率增加，AE信号在云南松表面的平均传播速率逐渐减小，减小幅度在20.8%~39.2%之间；各含水率状态之间平均声速差范围为876.98~1 003.06 m·s^-1，且在绝干状态下试件的平均声速达到最大值4 208.77 m·s^-1，在饱水状态下达到最小值1 414.07 m·s^-1，满足木材的基本特性(刘昊等，2014；彭辉等，2016)。

表 1 各组试验试件的声速计算结果 Tab.1 The calculation results of sound velocity in each group

表 1 各组试验试件的声速计算结果 Tab.1 The calculation results of sound velocity in each group 试件含水率(状态) Moisture content of specimen(state) 时间差 Time difference /μs 距离差 Distance difference/mm 计算声速 Calculated velocity of sound/(m·s-1) 平均声速 Average acoustic velocity/(m·s-1) 139.1% (饱水Water-saturated) 70.06 100 1 427.35 1 414.07 71.13 100 1 405.88 70.85 100 1 411.43 71.07 100 1 407.06 70.49 100 1 418.64 81.3% (生材Green timber) 42.81 100 2 335.64 2 328.73 43.08 100 2 321.26 42.98 100 2 326.66 42.36 100 2 360.72 43.49 100 2 299.38 13.5% (气干Air-dried) 29.72 100 3 365.28 3 331.79 30.56 100 3 272.25 29.03 100 3 444.71 29.88 100 3 346.72 30.96 100 3 229.97 绝干Absolute dry 23.44 100 4 265.36 4 208.77 24.32 100 4 111.84 23.18 100 4 314.06 24.03 100 4 161.46 23.86 100 4 191.11

图 3所示为各含水率(饱水、生材、气干以及绝干状态)试件经过断铅试验产生的AE信号。可以发现，随着含水率增加，水分子将分散铅芯折断产生的作用力，降低材料在外力作用下释放的应变能，从而使试件AE信号的时域波形幅值呈明显递减趋势，且在饱水状态时幅值区间仅在(-0.6 V，+0.4 V)，而在绝干状态幅值最高可达±5.2 V。由此可见，水分子对云南松试件表面AE信号传播具有一定阻碍，导致含水率较高的试件时域波形幅值减弱明显(由于均在试件表面接收AE信号，试验中传感器均以接收表面波信号为主)。

图 3 4种含水率状态下的AE信号时域波形和频谱 Fig. 3 Time domain waveform and frequency spectrum of AE signal under four water-bearing states

受试件含水状态和外部环境影响，AE信号衰减严重而“淹没”在噪声中。为了更大程度减少误差，在分析信号特征之前需要对其进行预处理，去掉混杂的噪音，从而将AE信号从噪声中析取出来(范博楠等，2015)。考虑小波分析提取信号的绝对优势，本研究选用Daubechies小波中常用的db5小波作为小波基对采集的信号进行7级小波分解，同时采用软阈值对各高频层系数进行量化，去除非主能量分解信号，并基于阈值量化处理后的高频层系数对信号进行小波重构(图 4)。

图 4 4种AE信号小波分解重构频域波形 Fig. 4 Wavelet decomposition and reconstruction waveform of four kinds of AE signals a.饱水Water-saturated；b.生材Green timber；c.气干Air-dried；d.绝干Absolute dry.

由于本研究采用的传感器采集频率在20~ 220 kHz之间，因此在对信号进行小波分解前需将频率小于20 kHz的信号滤掉。对比图 3、4发现，小波变换可将试件的AE信号从噪声中析取出来，且保持原始信号特征；同时在4种不同含水率状态下，AE信号的频率范围均在40 ~150 kHz之间，其中气干状态频率峰值达110 kHz左右，其他3种状态频率峰值均在50 kHz左右。由于水分子会降低材料内部产生的应变能，因此随着含水率增加，试件的AE信号频域幅值呈衰减趋势。

不同含水率条件下，煤与瓦斯突出(许江等，2015)、煤岩(陈春谏等，2018)以及泥质粉砂岩(张安斌等，2017)和红砂岩(文圣勇等，2013)破裂过程的AE特性研究表明，在外加载荷相同条件下，弯曲过程中AE事件的最大幅值、高幅值试件的计数率等均随含水率增加而降低，且AE事件计数的集中区域有从大幅值向小幅值转移的趋势。目前国内外对不同含水率木材的声发射特性研究甚少，这种情况在木材弯曲过程中是否存在还需要进一步研究。

同时，在砂岩单轴压缩过程中，由于其脆性较大，随着含水率增加，试样的单轴抗压强度下降；此外，水分子对砂岩力学特性和AE特征有较大影响，含水砂岩对AE振铃数比干燥试件少且滞后，但不同含水率试样所得声发射累计振铃数曲线在形状上相似。木材和砂岩均属脆性材料，因此在木材单轴压缩过程中，含水率对其AE信号特性的影响是否也与砂岩材料类似仍需要进一步研究。

本研究主要探讨含水率对云南松试件AE信号传播规律的影响，就实际应用而言，仍有许多问题亟待解决，如损伤过程中不同含水率对木材AE事件产生的作用以及对不同含水率试件的AE源定位结果的影响等。另外，实际木结构建筑或地下工程中木质梁柱通常接近或位于地下水以下，地下水对声发射探测的影响目前还不清楚。

随着含水率增加，AE信号的时域波形幅值呈衰减趋势；AE信号在试件表面传播的平均速率与含水率呈反比，在绝干状态下平均声速达到最大值4 208.77 m·s^-1，而在饱水状态平均声速仅为1 414.07 m·s^-1；从重构后的信号频域分布可以发现，4种含水率状态下试件的频域波形均主要集中在40~150 kHz之间，且气干状态下波形峰值出现在110 kHz左右，其他3种含水率状态均在50 kHz左右达到峰值。

针对AE信号中混有噪声的问题，本研究选用小波分析法能够很好地将信号从噪声中析出，并保持原始的信号特征，然而由于小波基种类繁多且不同小波基的分析结果不同，因此未来可考虑采用小波包分析法对AE信号进行去噪。同时，可在本研究基础上，对不同含水率云南松受压变形破坏全过程的声发射特征进行探讨，以为其声发射源定位提供一定的数据支持。