Nejnavštěvovanější odborný web
pro stavebnictví a technická zařízení budov

Akustická detekce aktivity larev dřevokazného hmyzu zařízením Acoustic Pack

22.6.2015

Ing. Andrea Nasswettrová, Ph.D., Ing. Pavel Šmíra, Ph.D., Ing. et Ing. Soňa Křivánková, Metodické pracoviště Sanace dřeva, Vědeckotechnický park profesora Lista Brno

Recenzovaný

Příspěvek prezentuje zařízení Acoustic Pack, které dokáže zaznamenávat zvuk, který larvy vydávají při požeru dřevní hmoty, a to až osmi senzory najednou v několikahodinových záznamech, pomocí kvalitního systému snímání zvukového signálu. Při detekci je zároveň možné si okamžitě poslechnout aktivitu na daném prvku v konstrukci. Je tak možné získat kompletní přehled o stavu prvků s grafickým výstupem aktivity i zvukovými nahrávkami. Akustický systém se díky těmto přednostem stal významným pomocníkem v detekci poškození a určení stavu napadených prvků v konstrukci.

1. Úvod

Vzhledem ke skutečnosti, že převážná většina památek obsahuje konstrukce ze dřeva, musejí tyto objekty odolávat působení vybraných biotických degradačních činitelů. Před rozhodnutím o postupu a použití sanační metody, v případě napadení dřevokazným hmyzem, je nutné diagnostikovat rozsah poškození, identifikovat porušené části konstrukčních prvků a určit zda je dřevokazný hmyz ještě v aktivním stádiu svého vývoje. Diagnostika se může provádět pomocí destruktivních, semidestruktivních nebo nedestruktivních metod. Nedestruktivní nebo případně semidestruktivní přístroje poskytují přesnou informaci o stavu posuzované konstrukce. Nejsou však schopny určit, zda jsou larvy dřevokazného hmyzu v aktivním nebo latentním stavu. Znalost aktivity dřevokazného hmyzu v poškozených prvcích konstrukce je důležitý parametr, nutný pro rozhodování vlastníků objektů a orgánů památkové péče o správnosti zvolené sanační metody. Zařízení Acoustic Pack zaznamenává akustické emise, při kterých jsou generovány přechodné a pomíjivé elastické vlny při plastické deformaci, šíření trhliny, rázech atd. [1]. Zvukové projevy (akustické emise) larev, vytvářené při porušování buněčných stěn elementů dřeva požerem, mají nepravidelnou strukturu s krátkými pauzami o různé délce (nespojitý signál) [2]. Charakter zvuku je dán strukturou dřeva, vlhkostí dřevní hmoty, stářím larvy (tedy její velikostí) a hloubkou jejího umístění ve struktuře. Výsledný zvuk larev je kombinací vibrace dřevní hmoty a zvuku šířícího se vzduchem v chodbičce. Pro získání hledaného signálu i v případě okolního rušení nebo při menší velikosti larvy či jejím umístění ve větší hloubce, je nutné získané spektrum neznámého signálu porovnávat na základě korelační analýzy s vytvořenou databází signálů (vzorů) z prostředí in situ (např. krovů) i laboratorních podmínek. Tím je možné potlačit vliv nežádoucí akustické emise (parazitní šum) okolí a vypočíst korelační faktor shody a numericky určit míru napadení konstrukce [3].

2. Zařízení Acoustic pack

Akustické zařízení (obr. 1) je složeno ze tří částí, a to senzorů, akustického nahrávacího systému a softwarů pro zpracování získaných zvukových stop [4].

Obr. 1 – Blokové zapojení nahrávacího systému Acoustic Pack

Senzory jsou založeny na piezoelektrickém jevu a nahrávací systém obsahuje těchto senzorů celkem osm (S1–S8), obr. 2. Vyvinutý senzor snímá chvění šířící se v degradovaném materiálu a tuto deformaci převádí na elektrické napětí. Pro zesílení získaného signálu a dodržení požadované kvality z piezo elementu je použit předzesilovač s precizním operačním zesilovačem a napájecím zdrojem, obr. 3. Tím je zaručena kvalita získaného signálu (lepší poměr signál/šum) a omezení vnějšího rušení, při dostatečné eliminaci okolního hluku. Pro připojení senzorů k nahrávacímu systému jsou použity XLR konektory, které jsou mechanicky dostatečně odolné a jsou speciálně vyvinuty pro použití v přenosové technice, obr. 2. Pomocí kvalitní stíněné kabeláže jsou jednotlivé moduly propojeny [4, 5].

Obr. 2 – Senzory systému Acoustic Pack a XLR konektor

Obr. 2 – Senzory systému Acoustic Pack a XLR konektor

Získané signály jsou posílány do zvukové karty, kde jsou analogová data z jednotlivých senzorů digitalizována a sloučena do jednoho datového toku, který je následně pomocí USB rozhraní přenesen do PC. Externí zvuková karta M-Audio Fast Track Ultra 8R, svými parametry plně vyhovuje pro navržený účel. V mixážním modulu jsou analogové signály zpracovávány on-line a dle výběru pomocí přepínačů posílány do sluchátek, obr. 3. Celý systém dokáže pořizovat několikahodinové záznamy a pracovat ve dvou režimech, a to nezávisle na sobě. Externí zvuková karta a napájecí zdroj jsou umístěny do 19" racku, obr. 3.

Obr. 3 – Nahrávací systém Acoustic Pack v reálných podmínkách měření [5]

Akustickou a grafickou analýzu umožňují dva programy, obr. 4 a 5. V prvním případě se jedná o komerční software Cubase Elements 6, který umožňuje díky nahrávací kartě M-Audio nahrávat data ze všech osmi senzorů on-line a tato data pak kdykoli akusticky a graficky analyzovat, obr. 4. Navíc zvukové ovladače operačního systému nabízejí velice nízkou latenci a podporují vícestopé zvukové karty. Tento software disponuje mnoha efektovými nástroji v revolučním prostředí pro snadný záznam. Se svými plnohodnotnými nástroji pro editaci a mix je Cubase Elements 6 tím nejlepším způsobem, jak zpracovávat audio data z mnoha kanálů. Ukázka dialogového okna programu je na obr. 4.

Obr. 4 – Program na zpracování získaných signálů Cubase Elements 6 [4]

V druhém případě se jedná o speciálně naprogramovaný software (obr. 5) pro automatické vyhodnocení napadených prvků, a to na základě korelace multitónového akustického signálu generovaného larvami dřevokazného hmyzu se signály v databázi (vzory) pomocí korelační analýzy, obr. 5. Porovnáním spekter neznámého signálu s načteným vzorem získáváme korelační faktor, který nabývá hodnot 0–100. Hodnoty od 50 a výše se dají považovat za spektrum velmi podobné tesaříku krovovému (Hylotrupes bajulus L). Tím je možné potlačit vliv nežádoucí akustické emise okolí a vypočíst korelační faktor shody a numericky určit míru napadení konstrukce.

Obr. 5 – Program pracující s korelačním faktorem podobnosti dvou signálů [6]

Aplikace akustického sytému v praxi doplňuje posudkovou činnost určující druh biotického napadení, rozsah a stupeň napadení a stanovení pravděpodobných příčin napadení. Po vizuálním průzkumu všech nosných i nenosných prvků krovové konstrukce jsou napadené prvky označeny, obr. 6. Na tato lokalizovaná a degradovaná místa jsou umístěny senzory. Celkově je možné v konstrukci vytvářet libovolně velkou síť sektorů (měřených bodů) s detekovaným biotickým napadením a to vždy po osmi senzorech, obr. 6 (barevné schéma). Vše je prostřednictvím kabeláže napojeno na akustický nahrávací systém a po spuštění softwaru je možné zaznamenávat aktivitu larev dřevokazného hmyzu. Tímto způsobem je možné monitorovat aktivitu hmyzu v jeho přirozených životních podmínkách. Po skončení nahrávání jsou zvukové stopy analyzovány a je možné graficky i zvukově záznamy přehrávat a zpracovávat. Výsledkem měření je pro investora posudková zpráva obsahující statistické zhodnocení výsledných korelačních faktorů každého měřeného místa. Výsledné zhodnocení akustických signálů je doplněno o odborné vyjádření, které zahrnuje i další faktory mající vliv na napadení. Tímto způsobem je konstrukce komplexně posouzena.

Obr. 6 – Akustická detekce na krovu kostela sv. Jakuba Většího v Ruprechticích, celkem 64 monitorovaných míst [6]

Obr. 6 – Akustická detekce na krovu kostela sv. Jakuba Většího v Ruprechticích, celkem 64 monitorovaných míst [6]

3. Závěr

Článek se zabývá mobilním nedestruktivním zařízením (Acoustic Pack) určeným pro diagnostiku stavu biotické degradace dřevěných prvků konstrukcí. Zařízení pracuje v akustické oblasti a zaznamenává akustické emise larev dřevokazného hmyzu během jejich aktivity, tedy požeru dřevní hmoty. Akustický monitoring výskytu a lokalizace larev dřevokazného hmyzu výrazně zpřesňuje diagnostické metody a tím komplexní posouzení degradace dřevěných prvků staveb a návrh vhodné sanace. Zařízení Acoustic Pack pomocí speciálně vyvinutých senzorů snímá zvuk, tedy vibrace, které převádí na elektrický signál. Ve zvukové kartě jsou pak data digitalizována a pomocí programu Cubase Elements 6 analyzována a zpracována. Pro porovnání signálů, které jsou pro lidské ucho neslyšitelné, zejména kvůli okolnímu šumu, má zařízení k dispozici speciálně navržený program, který disponuje analýzou spektra zaznamenaných signálů s předem uloženými soubory (vzory) v databázi. Záznamy mohou být pořizovány nepřetržitě až několik hodin, a to ze všech osmi senzorů.

Poděkování

Výsledky v příspěvku vznikly ze spolupráce společnosti Thermo Sanace s.r.o. a UTEE FEKT VUT Brna a za finanční podpory FEKT-S-14-2545/2014, SIX CZ.1.07/2.3.00/30.0005 a společnosti Thermo Sanace s.r.o.

Literatura

[1] ČSN EN 1330-9 (015005), 2010: Nedestruktivní zkoušení – Terminologie – Část 9: Termíny používané při zkoušení akustickou emisí. Normalizační institut 2010, 24 s.
[2] Kočáre, P. 2009. Sound production and chorusing behaviour in larvae of Icosium tomentosum. Central European Journal of Biology, pp. 422–426.
[3] Fiala, P.; Friedl, M.; Cap, P.; Konas, P.; Smira, P.; Naswettrova, A. 2014. Non Destructive Method for Detection Wood-destroying Insects. In Progress in Electromagnetics Research Symposium 2014, Guangzhou. Progress In Electromagnetics. s. 1642–1646. ISBN: 978-1-934142-28- 8. ISSN: 1559-9450
[4] Fiala, P., Friedl, M., Segiňák, J., Trubák, J., 2014: Akustický systém pro detekci a záznam škůdců ve dřevěných konstrukcích. Popis zařízení, Brno, 2014, 30 s.
[5] Nasswettrová, A.; Šmíra, P.; Fiala, P.; Koňas, P.; Friedl, M.; Štěpánek, J.; Paříkal, J., 2013. Rentgenová a akustická diagnostika dřevokazného hmyzu v nehomogenním materiálu. In Advances in Fire & Safety Engineering Conference proceedings. neuv. Žilina: FŠI, Žilinská Univerzita v Žiline, 2013. s. 85–90. ISBN: 978-80-88829-80- 5.
[6] Nasswettrová, A., Křivánková, S., Čáp, M., Firedl, M. 2014: Akustická detekce dřevokazného hmyzu. Kostel sv. Jakuba Většího, Ruprechtice okr. Liberec, 54 s.

English Synopsis

Acoustic detection of wood-destroying insect larvae activity

The paper presents the Acoustic Pack device which can record sound emitted by wood-destroying insect larvae while eating wood mass. It records the sound with up to eight sensors at once in several-hour records using high quality acoustic signal recording system. While detecting, it is also possible to hear an activity on a certain element in the structure. This makes it possible to obtain a complete view of the condition of elements with a graphic output of the activity and sound records. Thanks to these advantages, the acoustic system has become a great helper in the detection of damage and in the status analysis of attacked elements in the structure.