木材缺陷與超聲檢測參數(shù)相關(guān)性及影響因素1)

楊慧敏 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

責(zé)任編輯:戴芳天。

木材是天然的各項異性介質(zhì)，它的物理、力學(xué)性質(zhì)和加工利用，都和含水率有密切的關(guān)系。木材檢測過程中都要考慮含水率的影響作用，所以說含水率是影響木材性質(zhì)的重要因素之一［1-3］。中外學(xué)者對木材的含水率與彈性模量和傳播速度之間的關(guān)系進行了系列研究［4-9］，但對含水率和聲波能量衰減的關(guān)系研究甚少。Quarles 等發(fā)現(xiàn)在橫紋方向時，含水率對能量衰減的影響與順紋方向類似，即含水率在18%以下時，能量衰減是恒定的，而含水率大于18%時，衰減增大［10］。

另一個影響木材性質(zhì)的重要因素就是木材缺陷，于是缺陷對木材的影響越來越引起人們的注意［11］，學(xué)者從聲波波速和聲波能量衰減兩個角度對木材缺陷進行相關(guān)研究。徐華東等［12］的研究認(rèn)為局部孔洞缺陷對木梁動彈性模量具有顯著影響，會降低其動彈性模量。隨著孔洞缺陷直徑或數(shù)量的增加，木梁動彈性模量的降低幅度均在逐漸加大。王天龍等［13］通過波速在不同截面之間的變化狀況，說明柱子的缺陷主要存在于近地面區(qū)域。一些學(xué)者［14-16］提取其各頻帶內(nèi)信號的能量變化量，作為特征值實現(xiàn)孔洞缺陷的定量檢測和腐朽的檢測。上述研究多以單一指標(biāo)開展研究，缺乏對波速和能量衰減兩者的綜合分析。

根據(jù)GB/T 4823—1995《鋸材缺陷》［17］，木材缺陷有腐朽、節(jié)子、亂紋、夾皮、裂紋、孔洞等。筆者選擇節(jié)子和孔洞兩種典型的缺陷作為研究對象，研究木材缺陷和超聲波傳播參數(shù)的相關(guān)性，為后續(xù)缺陷定量檢測中特征參數(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。研究含水率和不同類型缺陷對超聲波傳播速度和超聲波能量衰減的影響，以及他們的相關(guān)性，確定超聲波的傳播參數(shù)。

1 材料與方法

非金屬超聲波檢測儀，型號RSM-SY5，采用超聲脈沖透射法測量試件的超聲波聲學(xué)參數(shù);高周波木材水分儀，型號為FD-100B，用于快速測定試件的原始含水率;電熱鼓風(fēng)干燥箱，型號為101-IA，用來烘干試件;電子天平，用于測定試件質(zhì)量。

本實驗所用木材來自黑龍江省方正林業(yè)局，樹種為椴木、榆木和冷杉，各樹種木材分別加工80 個試件，尺寸為400 mm×30 mm×30 mm，并對試件表面進行拋光處理。每種木材在80 個試件中挑選有節(jié)子(含有一個大小不等的健全活節(jié))和無節(jié)子(盡可能不包含或只包含較小、較少的可見缺陷)的試件各25 個，并把無節(jié)子試件加工成直徑為20 mm 的孔洞。

用超聲檢測儀檢測超聲波聲學(xué)參數(shù):打開超聲波測試儀箱后，把發(fā)射和接受傳感器分別置于試材的兩端，試件的一端接收發(fā)射傳感器發(fā)射出的超聲脈沖波，脈沖波在所檢測的木材試件中傳播，然后被試件另一端的接收傳感器接收。為了數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，對每一個試件重復(fù)測量10 次，記錄超聲波的傳播速度和能量衰減值。

含水率的測定原理與方法:測定試件的超聲波聲學(xué)參數(shù)后，把試樣放入烘干箱，105 ℃烘干1 h。取出試件，用電子天平稱質(zhì)量;然后立刻進行下一次超聲測試，再烘干;在第10 次烘干測量后，不再進行超聲測試，將試件烘干直至質(zhì)量不再發(fā)生變化，記錄其絕干質(zhì)量。依據(jù)濕木材試樣質(zhì)量和試件絕干質(zhì)量，由公式W'=(m-m0)/m×100%可得知試件的含水率。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材缺陷對超聲波傳播參數(shù)的影響

2.1.1 超聲波傳播速度隨含水率變化的規(guī)律

表1給出節(jié)子與孔洞相比較的超聲波傳播速度隨含水率變化規(guī)律?？梢钥闯?，冷杉、椴木、榆木3種樹種隨含水率變化的趨勢相同，即隨著含水率的升高，冷杉、椴木、榆木的節(jié)子孔洞試件的超聲波傳播速度逐漸降低，變化趨勢也是近似為一條直線。隨著含水率逐步升高，在同一樹種下節(jié)子試件和孔洞試件超聲波傳播速度的差值越來越小，即在含水率較低的狀態(tài)下木材節(jié)子和孔洞比較容易區(qū)分。主要原因是冷杉、椴木、榆木在0＜W≤10%時，缺陷等木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異是影響超聲波傳播的主要因素;在50%＜W≤60%時處于飽水狀態(tài)，水分成為影響超聲波傳播的主要因素，而木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異的影響則變?yōu)榇我蛩亍?/p>

2.1.2 平均能量衰減值隨含水率變化的規(guī)律

由表1可以看出，節(jié)子孔洞試件在不同含水率下超聲波波速與能量衰減變化規(guī)律大致相同，即3種樹種的節(jié)子、孔洞試件的超聲波能量衰減隨著含水率的升高逐漸降低，變化趨勢也是近似為一條直線。隨著含水率逐步升高，在同一樹種下節(jié)子試件和孔洞試件超聲波能量衰減的差值越來越小，即在含水率較低的狀態(tài)下木材節(jié)子和孔洞比較容易區(qū)分。針對超聲波波速與能量衰減不同點進行分析:在同一樹種和同一含水率條件下，節(jié)子與孔洞試件超聲波能量衰減變化量比波速變化量大，特別是含水率0～20%時，節(jié)子與孔洞試件超聲波能量衰減變化量在1/3 左右，而波速變化量在1/8 左右，相差比較懸殊。

表1 缺陷試件在不同含水率下超聲波的傳播速度

2.2 缺陷和超聲波傳播參數(shù)的相關(guān)性

以冷杉為例作不同缺陷狀態(tài)下超聲波傳播速度和超聲波能量衰減分布，如圖1和圖2。

圖1 不同缺陷狀態(tài)下傳播速度的分布

可以看出不同缺陷狀態(tài)下傳播速度的分布界限不明顯，特別是節(jié)子與完好試件有部分超聲波速度值是重疊的，可見依傳播速度為缺陷檢測的超聲參數(shù)存在著一定的不確定性。相反，圖2顯示的不同缺陷狀態(tài)下能量衰減分布區(qū)分明顯，各種缺陷狀態(tài)間能量衰減值差別較大，能夠很好地區(qū)分3 種缺陷狀態(tài)。本研究選擇超聲波能量衰減作為木材缺陷的檢測參數(shù)。

圖2 不同缺陷狀態(tài)下能量衰減的分布

3 結(jié)論

缺陷試件(節(jié)子、孔洞)在不同含水率下超聲波波速與能量衰減變化規(guī)律大致相同。隨著含水率的增加，在同一樹種下節(jié)子試件和孔洞試件超聲波能量衰減的差值越來越小，即在低含水率時節(jié)子和孔洞易區(qū)分。在同一樹種和同一含水率下，節(jié)子與孔洞試件超聲波能量衰減變化量比波速變化量大，特別是含水率0～20%時，節(jié)子與孔洞試件超聲波能量衰減變化量比波速變化量大。木材缺陷和超聲波傳播速度、能量衰減率之間的關(guān)系:不同缺陷狀態(tài)下傳播速度的分布界限不明顯，依傳播速度為缺陷檢測的超聲參數(shù)存在著一定的不確定性。相反，不同缺陷狀態(tài)下能量衰減分布區(qū)分明顯，而且差別較大，能夠很好地區(qū)分3 種缺陷狀態(tài)。通過結(jié)果分析可知，超聲波能量衰減更適合作為木材缺陷的檢測參數(shù)。

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