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木材钻蛀性害虫声测技术研究

2015-8-10 6:31:41      点击:
     在近期国家质检总局科技司组织的科技项目验收会上,由深圳检验检疫局主持,深圳市检验检疫科学研究院、中国科学院声学所东海站、北京大学深圳研究生院、深圳计量质量检测科学院等单位合作完成的“木材钻蛀性害虫声测技术研究”项目,获得验收专家组的一致好评,其研究成果在木材钻蛀害虫声检测技术上实现了创新。


    6种蛀木害虫幼虫蛀食声单个脉冲时域图——A.鳞毛粉蠹,B.双钩异翅长蠹,C.棕异翅长蠹,D.黑双棘长蠹,E.刺角楝天牛,F.宽斑脊虎天牛。纵坐标为振幅分贝数,横轴位置为-∞dB;横坐标为时间。6种害虫声脉冲基本上表现为前大后小的三角形波形。


    破坏性检测损失大


    木材是我国进出口的主要货物之一。许多害虫伴随着进口木材而来,据全国口岸截获数据统计,2003年至2008年,共截获各种木材害虫达7万余种次,这些害虫对我国林业生产、园林景观、木材工业、家居生活等构成严重威胁。木材害虫中很多类群,如天牛、小蠹、长蠹、长小蠹、吉丁虫、白蚁、等等,为害方式是在木材内蛀食为害,严重时将木材内部全部蛀空。它们不仅为害木材,而且为害藤枝、竹材和木藤竹制品,以及林木和果树。


    这些木材钻蛀害虫藏匿在木材内部,用肉眼无法看到,只能通过孔眼、木屑间接地判断木材是否染虫,即使这样,对木材内是否有活虫还需要通过斧凿锯砍,挖到才能判断。遇到集装箱装载的原木,由于装卸困难,更是难以检查。木材钻蛀害虫难以发现,导致许多害虫瞒天过海进入我国,带来很大的风险,也有一部分造成了严重的损失。同样,我国出口的木材也使国外的检疫部门十分头痛,他们甚至要求中国企业在木材出口前要做破坏性检测,选择部分木材剖开检查并确认没有害虫,导致货物还没有出国门便先出现损失。


     面临三大技术难关


    首先是木材钻蛀害虫的发声十分微弱,多数情况下人耳无法听到,如何采集到害虫的发声成为第一道难关。早期采用普通的麦克风根本无法录到木材中的虫声,试验都以失败告终。经过广泛寻找、反复比较和测试,最终获得高灵敏的传感器和信号处理装置,把虫声变成人耳能听到、仪器能看到的声音信号。


    第二道难关是噪声,微弱的虫声十分容易被外界噪声所淹没。最初采集虫声的失败,很多是因为背景噪声过大造成的。项目组凭借声学所积淀的声学理论和长期的研究经验,北京大学信号分析的强项以及深圳局的昆虫知识,在反复试验后,首先在消声室中分离到纯净的虫声,并分析出虫声与噪声的差异,进而研发出有效的降噪方法和装置,大大提高了虫声信号的信噪比,有效地降低了噪声的影响。


    第三道难关是虫声识别。立项时,没有相关资料,项目组对木材钻蛀害虫的声特征一无所知,既无法识别害虫发出的声音,更谈不上对不同种类、虫态和行为发声特征的区别。经过在静音环境下对多种常见木材钻蛀害虫几十次的录音,获取大量和准确的虫声资料。通过信号分析,总结归纳出虫声特征,建立了虫声数据库,研发了虫声识别数学算法,最终研究出虫声识别方法。


    闯过三关后,新的技术问题又摆在眼前。要把研究资料和声测技术变成实用的设备,还需要大量的实验。项目组大量寻找各种材料和零部件,进行了多次试验和比较,筛选出适合制作声测仪的各种部件。为了提高信噪比,经过反复测试,发明了声采集装置,有效地降低噪声的影响,提高虫声的强度。在不断的创新中,开发出声测软件。如今,第一代配备了声测软件的木材钻蛀害虫声测仪已研发出来,它不仅可以通过声音来发现害虫,而且可以将采集的声音通过图像显示出来,根据声图中害虫的特征来判别害虫。


    仅有设备还只是解决了一部分问题,如何用声测仪进行检测是新的课题。项目组来到一线,在多地进行实地测试。不仅了解到查验现场的噪声环境和特征,而且掌握了各种货物的来龙去脉。通过多次测试,摸索出设备的使用方法和声测技巧,为新技术的推广应用积累了宝贵的资料,为进一步改进设备和技术收集了数据。如今,木材钻蛀害虫声测仪在深圳口岸现场进行了应用,成为发现木材中隐匿害虫的有力武器。


    未来应用范围广阔


    木材钻蛀害虫声测仪是一套综合运用计算机技术、信号分析技术和声学技术,进行无损检测的便携设备,其工作原理是通过害虫的活动声发现害虫。它应用范围广阔,不管是活的树木还是刚砍伐或刚死去的树木(湿材),是干燥的木材(干材)还是各种木制品,只要是有声音的木材蛀虫都能检测。木材钻蛀害虫在最初为害时,常常只有很少的蛀入孔,幼虫在木材内取食时,外面很难看到踪迹。当成虫羽化时,出现大量的羽化孔,之后成虫再次钻入时,排出大量木屑,开始二次侵染。以往的目测方法是通过大量虫孔和木屑发现蛀虫,这时往往查到的是晚期的为害,而采用声测仪则可以早期发现蛀虫,因此木材钻蛀害虫声测仪能够实现早期诊断。由于声测仪无须损坏木材就能检出害虫,是一种无损检测方法,因而能够大大减少对木材商品的破坏,降低检查成本,适用于园林、森林、果树、木材(包括竹藤等)、木制品、家居及木建筑害虫的早期防治。这种无损检测方法,能够大大降低检查成本,增加贸易收入,提高中国木材的竞争力。


    声测法还可以用作检疫处理的依据和效果检查。过去目测发现害虫后进行熏蒸,如今可以根据虫声图像作为处理依据。过去检疫处理效果检查,由于木材钻蛀害虫藏在木材深处,无法判断害虫是否被杀死,而现在可以通过声测害虫是否还在活动来判断检疫处理是否奏效。


    2012年10月25日,深圳局在送检的印度尼西亚木根上,采用声测仪检测发现有虫声信号,经过剖查和鉴定,证实害虫是鳞毛粉蠹,这是该局应用新技术后的首次截获。2012年11月1日,在盐田口岸检测一条喀麦隆古夷苏木木方,虽然人工查验未发现虫迹,但是测到了典型的虫声。2012年11月10日,在一棵小叶榕树上测出有蛀虫的声音,经过3个多月后再次观察,原来郁郁葱葱的树冠变成一条枯死的树干。声测仪不仅能够检出人工方法无法发现的害虫,而且还可以在出现为害状之前发现害虫。