空洞對木材中應(yīng)力波傳播路徑的影響1)

徐華東 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

空洞對木材中應(yīng)力波傳播路徑的影響1)

徐華東 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

利用應(yīng)力波設(shè)備，分別對完好和含有不同大小空洞缺陷的大青楊徑切板材樣本進行了測試，分析了空洞對應(yīng)力波傳播時間的影響，探討了含空洞木材中應(yīng)力波的傳播路徑。結(jié)果表明：空洞對木材中應(yīng)力波傳播有顯著影響；當(dāng)應(yīng)力波在木材中傳播遇到空洞缺陷時，其傳播路徑會發(fā)生改變，會繞著空洞缺陷，沿空洞周圍的木材進行傳播。這導(dǎo)致應(yīng)力波傳播距離延長，傳播時間增加。

木材；應(yīng)力波；無損檢測；空洞；傳播路徑

Wood; Stress wave; Nondestructive testing; Cavity; Propagation path

應(yīng)力波是當(dāng)前木材無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，它既可用于估測木材的物理力學(xué)性能[1-3]，也能用于判斷活立木、原木、木結(jié)構(gòu)等對象的內(nèi)部腐朽等缺陷[4-7]。在對木材內(nèi)部缺陷進行估測時，主要依據(jù)應(yīng)力波在健康材與有缺陷材中的傳播時間或者傳播速度的差異來進行判斷。木材內(nèi)部腐朽、空洞、裂紋等缺陷會導(dǎo)致單位長度的應(yīng)力波傳播時間延長或者傳播速度降低[4，8]，這已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的一個共識。然而，對于空洞等缺陷如何影響應(yīng)力波傳播，應(yīng)力波在木材中遇到缺陷時，其傳播路徑如何變化尚不明確。當(dāng)前，相關(guān)研究主要集中于應(yīng)力波在木材檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，如應(yīng)力波成像算法[7]、成像與缺陷的關(guān)系[8-10]、木材物理力學(xué)特性與應(yīng)力波傳播參數(shù)的關(guān)系[3，11]等，涉及應(yīng)力波在木材內(nèi)傳播路徑的研究相對較少。張厚江等對應(yīng)力波在美國紅松原木中的傳播時間等值線進行了試驗研究[12]，徐華東等通過試驗對應(yīng)力波在木材徑切面上的傳播路徑進行了追蹤[13]。但是，他們的研究對象主要針對健康木材，未分析木材缺陷對應(yīng)力波傳播路徑的影響。

筆者將對應(yīng)力波在健康和含空洞原木徑切面的傳播時間進行測試，分析空洞大小對應(yīng)力波傳播的影響，探討含空洞木材中應(yīng)力波傳播路徑，期望能夠探明應(yīng)力波在木材中的傳播規(guī)律，為準(zhǔn)確判定木材內(nèi)部缺陷提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣本

試驗樣本為大青楊板材，取自黑龍江省方正林業(yè)局。結(jié)合林區(qū)采伐作業(yè)，選取待采伐大青楊立木樣本，在立木樣本被采伐后，立即制成原木。然后，在木材加工廠沿徑切面對原木進行鋸切，加工成徑切板。徑切板縱向長76 cm，厚7 cm，大頭和小頭直徑分別為35、34 cm。板材樣本徑切面心材含水率為83.3%，邊材含水率為99.5%。在測試間隙，將試驗樣本用塑料袋密封包裝，并低溫保存，防止水分流失。

1.2 含空洞板材樣本制取及測點布置

為研究缺陷對應(yīng)力波傳播的影響，在板材樣本上依次鑿取不同大小的空洞，再對含有空洞的樣本進行測試?？斩葱螤顬榫匦?見圖1)。板材樣本徑切面內(nèi)不同大小矩形空洞的長度、寬度、位置和大小等信息見表1。本研究僅對相同長度、不同寬度的矩形空洞缺陷進行了測試與分析，未分析缺陷長度對應(yīng)力波傳播的影響。

在徑切板材樣本的兩個端面，不包括樹皮的范圍內(nèi)，沿徑向以4 cm為間隔各布置9個測點，標(biāo)號依次為激勵點1—9和接收點91—99(見圖1)。

圖1 板材樣本徑切面空洞缺陷

1.3 測試儀器及方法

采用德國RINNTECH公司生產(chǎn)的Arbotom多通道儀器對應(yīng)力波在板材徑切面內(nèi)的傳播時間進行測試。測試每一點時，用吊錘以同樣的力度敲擊激勵

傳感器5～10次，直至測量誤差小于3 μs，記錄其平均值。

當(dāng)板材樣本不含空洞和含有不同大小空洞時，采用Arbotom應(yīng)力波儀分別測量1-91、2-92、3-93、4-94、5-95、6-96、7-97、8-98、9-99測點的應(yīng)力波傳播時間(見圖2)，用以分析空洞大小對木材徑切面內(nèi)縱向應(yīng)力波傳播的影響。測試時，先測完好樣本，然后依次測試含不同大小空洞樣本。

表1 板材徑切面不同大小空洞的位置與面積

a.完好樣本 b.含空洞樣本

圖2 板材徑切面樣本及測試圖

2 結(jié)果與分析

2.1 空洞大小對縱向應(yīng)力波傳播時間的影響

測量得到的應(yīng)力波在不含空洞和含有不同大小空洞樣本中的傳播時間見表2?？梢钥闯?，盡管心材與邊材由于木材結(jié)構(gòu)、含水率等因素的不同使各個測點間的縱向應(yīng)力波傳播時間存在差異[14]，但當(dāng)樣本不含空洞缺陷時，這個數(shù)值相差較小，9個傳播時間點的平均值為323 μs，標(biāo)準(zhǔn)差為6.2 μs，變異系數(shù)值僅1.93%，各測點數(shù)據(jù)連在一起近乎一條直線。而當(dāng)板材樣本含有空洞時，各測點間的縱向應(yīng)力波傳播時間均有所增加，隨著空洞面積的增大，各測點間的縱向應(yīng)力波傳播時間在逐漸增加。

表2 應(yīng)力波在含空洞板材徑切面內(nèi)縱向傳播時間

隨著空洞面積的增大，各個測點間應(yīng)力波傳播時間相比無空洞樣本的變化幅度具體值見表3。應(yīng)力波傳播時間變化幅度采用式(1)計算

A=(|T-T0|/T0)×100%。

(1)

式中：A為應(yīng)力波傳播時間變化幅度(%)；T為應(yīng)力波在含空洞缺陷的板材樣本中縱向傳播時間(μs)；T0為應(yīng)力波在不含空洞缺陷的板材樣本中縱向傳播時間(μs)。

表3 含空洞板材徑切面內(nèi)各測點應(yīng)力波縱向傳播時間變化幅度

空洞A/%1-912-923-934-945-956-967-978-989-9910．922．8114．2930．6362．1650．0030．091．560．6320．923．4419．3734．5366．9749．388．156．251．5630．926．5621．5938．4468．4748．1518．503．440．9440．315．9426．3542．6478．9857．7226．969．380

可知，含空洞板材樣本中測點5-95的應(yīng)力波傳播時間變化幅度非常大，即使最小的空洞(空洞1，面積僅占板材面積3.95%)，變化幅度也高達62.16%，空洞4的變化幅度達到78.98%；而測點2-92和8-98的變化幅度最高不超過10%，平均約為5%。因此，空洞對板材樣本中縱向應(yīng)力波的傳播時間具有顯著影響。

2.2 木材中應(yīng)力波遇到缺陷時的傳播路徑

從表2和表3可知，當(dāng)板材樣本含有空洞時，各個測點間變化幅度并不相同。其中，測點5-95的應(yīng)力波傳播時間變化幅度最大，而測點2-92和8-98的應(yīng)力波傳播時間變化幅度較小；測點1-91和9-99的應(yīng)力波由于未經(jīng)過空洞，傳播時間基本未變。測點5-95與測點2-92間應(yīng)力波均經(jīng)過相同長度的空洞進行傳播，但變化幅度卻相差很大，可能與應(yīng)力波遇到空洞缺陷時的傳播路徑有關(guān)。

空洞中主要介質(zhì)為空氣，空氣是與木材完全不同的一種介質(zhì)。常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中應(yīng)力波傳播速度約為340 m/s(參考聲波在空氣中傳播速度)。依據(jù)樣本長度(76 cm)和完好樣本時測得的傳播時間數(shù)據(jù)(均值323 μs，見表2)，可以計算出樣本木材中縱向應(yīng)力波傳播速度為2 351 m/s。應(yīng)力波在2種介質(zhì)中傳播差異非常明顯。當(dāng)應(yīng)力波傳播到空洞缺陷邊緣時，應(yīng)力波會有2兩種傳播路徑可選：①通過在不同介質(zhì)之間進行反射和透射，穿過空氣介質(zhì)，進而繼續(xù)在木材介質(zhì)中傳播；②繞過孔洞缺陷，一直在木材中傳播，這時應(yīng)力波的傳播距離就被延長了。

假設(shè)應(yīng)力波按照第一種方式進行傳播，即應(yīng)力波在木材中傳播時遇到空洞缺陷，首先在木材和空氣2種介質(zhì)界面進行反射和透射，進入空氣介質(zhì)傳播；當(dāng)傳播到空氣與木材介質(zhì)界面時，則再次進行反射和透射，進入木材介質(zhì)進行傳播。在這種情況下，不同測點的應(yīng)力波遇到同樣大小的空洞缺陷時，應(yīng)力波的傳播時間應(yīng)該是不變的，也就是說測點5-95與測點2-92間應(yīng)力波傳播時間應(yīng)該是相同的，但實驗據(jù)并非如此(見表2)。因此，判定應(yīng)力波在木材中遇到空洞缺陷時，傳播路徑不是按第一種方式進行的。

假設(shè)應(yīng)力波按照第二種方式進行傳播，即應(yīng)力波在木材中遇到空洞缺陷，會繞著空洞缺陷，一直在木材中傳播。按照這一假設(shè)，測點2-92、3-93、4-94、5-95至8-98間應(yīng)力波雖然均經(jīng)過同樣大小的空洞，但傳播距離卻相差很大，其中測點5-95間的傳播距離是最大的，傳播時間也最大。這一推斷與試驗數(shù)據(jù)相符(見表2)。

依據(jù)第二種方式構(gòu)建的應(yīng)力波在含空洞板材徑切面?zhèn)鞑D(圖4)，較好地解釋了測點5-95與測點4-94、3-93和2-92間應(yīng)力波經(jīng)過空洞傳播時間相差較大的原因。Wang Xiping等[4]對木材中應(yīng)力波傳播規(guī)律進行研究時，也推斷應(yīng)力波在木材中遇到腐朽缺陷時是繞著缺陷進行傳播(見圖5)，但是他們并沒有對這一假設(shè)進行試驗驗證。

另外，依據(jù)費馬原理[15](波沿著所花時間為最小的路徑傳播)，也可推斷應(yīng)力波在遇到孔洞缺陷時，繞著空洞進行傳播。由于空氣介質(zhì)與木材介質(zhì)迥然不同，應(yīng)力波在2種介質(zhì)中的傳播速度相差很大，空氣中的傳播速度要遠低于木材。因此應(yīng)力波在遇到內(nèi)部為空氣介質(zhì)的空洞缺陷時，則會選擇在傳播速度相對高的木材介質(zhì)中傳播，即繞著空洞缺陷傳播。

圖3 應(yīng)力波在含空洞板材徑切面?zhèn)鞑ヂ窂侥M

圖4 應(yīng)力波計時儀檢測立木內(nèi)部腐朽的示意圖

2.3 空洞導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時間增加的原因

空洞缺陷導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時間增加，主要是由于傳播路徑改變，傳播距離延長。另外，也需要考慮木材結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)力波傳播的影響，尤其是紋理角對應(yīng)力波的影響。研究表明[13，16]，應(yīng)力波在木材縱向(紋理角為0°)傳播最快，沿木材徑向(紋理角為90°)傳播最慢，隨著紋理角的逐漸增大，應(yīng)力波傳播速度逐漸下降。針對本研究測試的樣本，在不含空洞時，應(yīng)力波沿木材縱向傳播，傳播速度較快；當(dāng)含空洞時，應(yīng)力波傳播路徑改變，在傳播距離增加的同時，應(yīng)力波傳播路徑上的木材紋理角也發(fā)生了變化。因此，傳播距離延長和紋理角變化都是空洞缺陷導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時間增加的原因。

3 結(jié)論

空洞對木材中應(yīng)力波傳播有顯著影響，導(dǎo)致其傳播時間增加。當(dāng)應(yīng)力波在木材中傳播遇到空洞缺陷時，其傳播路徑會發(fā)生改變，會繞著空洞缺陷，沿空洞周圍的木材進行傳播。這導(dǎo)致應(yīng)力波傳播距離延長，傳播時間增加。

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1) 中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金(DL12BB18)、國家自然科學(xué)基金(31300474)、林業(yè)公益性行業(yè)科研專項重大項目(201104007 )。

徐華東，男，1982年5月生，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，講師。

王立海，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年7月5日。

S781

Effects of Cavity on Propagation Path of Stress Wave in Wood/Xu Huadong, Wang Lihai(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-82～84，88

責(zé)任編輯：戴芳天。

Stress wave device was employed to testPopulusussuriensisquarter-sawn board samples, intact and defective samples with different size cavities, respectively. We analyzed the effect of cavity on stress wave propagation time, and discussed the stress wave propagation path in wood with defects. The cavity has a significant effect on the propagation of stress wave in wood. When the stress wave arrives at the edge of cavity, its path will be changed and it seems to travel through the wood along the cavity, which leads to the extension of propagation distance and the increase of the propagation time.