Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Akustická detekce aktivity larev dřevokazného hmyzu zařízením Acoustic Pack

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
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 konektorObr. 2 – Senzory systému Acoustic Pack a XLR konektorObr. 2 – Senzory systému Acoustic Pack a XLR konektorObr. 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]Obr. 3 – Nahrávací systém Acoustic Pack v reálných podmínkách měření [5]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]Obr. 4 – Program na zpracování získaných signálů Cubase Elements 6 [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]Obr. 5 – Program pracující s korelačním faktorem podobnosti dvou signálů [6]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]
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]
 

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.

 
 
Reklama