應(yīng)力波斷層掃描法在立木檢測方面的研究現(xiàn)狀

路程琳，何宇航，謝雨宏，劉依萍，劉嘉儀，王 正

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

立木作為地球上重要的可再生資源，起到了提供建筑和裝飾材料、滿足能源需求等作用，與人類發(fā)展息息相關(guān)。中國在擁有如此豐富的森林資源以及天然林保護(hù)政策下，如何充分利用好森林資源，提高立木的利用價(jià)值，成為了林業(yè)科研工作者致力解決的重要課題之一。木材的無損檢測技術(shù)便是從源頭對(duì)林木內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行判斷的方法，是提高木材利用率的重要手段之一。

無損檢測技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非破壞性檢測，對(duì)木材樣本和原木的連續(xù)性、安全可靠性及其他的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。相比于傳統(tǒng)儀器及人工法對(duì)木材性質(zhì)和缺陷的檢測，木材無損檢測技術(shù)能攻克檢測時(shí)間長、條件苛刻、穩(wěn)定性差以及準(zhǔn)確度低等難題。目前，很多發(fā)達(dá)國家十分重視木材無損檢測技術(shù)，將X射線、激光、超聲波、紅外線、電磁波、應(yīng)力波等眾多技術(shù)應(yīng)用于對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及木材內(nèi)部缺陷等多方面的檢測，研究和完善了多種無損檢測技術(shù)，取得了較好的成果[1-6]。應(yīng)力波無損檢測能直觀地反應(yīng)木材內(nèi)部的材質(zhì)情況、提高木材的利用率，是木材無損檢測的重要手段。

應(yīng)力波無損檢測技術(shù)能直觀地反映木材內(nèi)部材質(zhì)情況、提高木材利用率，是木材無損檢測的重要手段之一。對(duì)比其他無損檢測技術(shù)，應(yīng)力波技術(shù)具備傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、不使用耦合劑、設(shè)備輕巧便于攜帶等優(yōu)勢，因此近年來備受青睞，并在木材工業(yè)領(lǐng)域獲得了較多研究成果及廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹了近20年國內(nèi)外對(duì)立木應(yīng)力波無損檢測方面的研究現(xiàn)狀，并對(duì)成果進(jìn)行總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上提出一些思考與建議，以期為我國立木應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 國內(nèi)外木材應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)木材應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)的相關(guān)研究人員一直致力于木材應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的相關(guān)研究，并且取得了較多成果。研究著重于古建筑木結(jié)構(gòu)的無損檢測，活立木與原木品質(zhì)檢測與評(píng)價(jià)等。此外，采用多種無損檢測方法對(duì)比分析，總結(jié)出在實(shí)際工程運(yùn)用中，應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的優(yōu)勢與不足。

2002年，段新芳[7]等利用對(duì)青海和西藏一些古建筑進(jìn)行維護(hù)和維修的機(jī)會(huì)，針對(duì)布達(dá)拉宮落葉松和羅布林卡楊樹的古建筑木構(gòu)件的腐爛和蟲蛀情況，采用了橫向應(yīng)力波技術(shù)檢測的方法進(jìn)行研究。利用了縱向應(yīng)力波技術(shù)對(duì)青海塔爾寺大金瓦殿的三層檁條等五種不同木構(gòu)件進(jìn)行了研究測定。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)木材發(fā)生了腐朽、蟲蛀等情況時(shí)，垂直于木材紋理方向的傳播速度會(huì)急速增加。2008年，李華[8]等將三維應(yīng)力波斷層掃描儀和阻抗儀相結(jié)合，對(duì)某建筑維修工程替換下來的木立柱進(jìn)行檢測，結(jié)合得到的圖像并進(jìn)行分析。結(jié)果表明了兩種木材無損檢測方法測量缺陷位置基本一致，均適用于古建筑木構(gòu)件的檢測。兩者相結(jié)合之后，既克服了應(yīng)力波斷層掃描對(duì)缺陷種類判斷不明確的缺點(diǎn)，也避免了阻抗儀圖形處理過程工作量大等不足。2013年，向見[9]等應(yīng)用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)香樟樹進(jìn)行檢測，選用了單路徑聲頻的應(yīng)力波測定方法。研究發(fā)現(xiàn)，由于不同香樟樹的木材材質(zhì)密度不同，應(yīng)力波在香樟樹內(nèi)部的傳輸速度就有很大的變化，因此以目前的成像算法可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。同年，劉艷貞[10]等采用應(yīng)力波檢測法檢測活立木的木材性質(zhì)，確定了合理的營林措施。結(jié)果表明，采用應(yīng)力波法檢測活立木的內(nèi)部缺陷，可有效地進(jìn)行森林間伐，保證了活立木的優(yōu)質(zhì)質(zhì)量。2014年，戴儉[11]等針對(duì)山西省長子縣成湯王廟的實(shí)踐工程，利用應(yīng)力波斷層掃描以及阻抗儀對(duì)其進(jìn)行綜合性的無損檢測，對(duì)比分析建筑柱體，梁等構(gòu)件的殘損類型以及程度，為之后的修繕和加固工作提供方法指導(dǎo)。同年，葛曉雯[12]等為了進(jìn)行旱柳的內(nèi)部缺陷檢測試驗(yàn)，利用應(yīng)力波檢測和阻抗儀檢測技術(shù)等兩種方法分別試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波圖像可相對(duì)直觀地展現(xiàn)出被測橫截面腐朽的分布情況，阻力曲線能準(zhǔn)確地反映出沿測試方向上材質(zhì)的密度分布，而且腐朽區(qū)域相對(duì)應(yīng)的阻力曲線也有著明顯的變化特點(diǎn)。2015年，劉豐祿[13]等對(duì)人工林活立木采用了應(yīng)力波無損檢測技術(shù)，研究指出了原木的彈性模量和原木的應(yīng)力波傳播時(shí)間均與活立木應(yīng)力波的傳播時(shí)間有明顯的線性關(guān)系。同年，劉澤旭[14]使用應(yīng)力波測試儀對(duì)紅松活立木進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明了應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳播速度與木材質(zhì)量的損失率之間有著較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R=0.698，P<0.01)，所以應(yīng)力波波速可以清晰地體現(xiàn)出活立木的木材質(zhì)量損失率，說明該方法能有效地檢測活立木的腐朽程度。趙秀[15]等使用應(yīng)力波對(duì)樟子松的物理性能進(jìn)行測試，研究指出了應(yīng)力波檢測法測定的彈性模量與國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的破壞性試驗(yàn)測定的彈性模量之間，有著很顯著的線性關(guān)系。2016年，戴儉[16]等利用應(yīng)力波和阻抗儀對(duì)古建筑木構(gòu)件常用樹種楊木和榆木在不同缺陷類型和不同缺陷面積下進(jìn)行試驗(yàn)，并基于Shapley值對(duì)構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行分析。2017年，焦治[17]等采用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)含水率不同的柳杉和含空洞的烏桕進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)出ECIA算法能產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的林木斷層圖像，適用于林木的應(yīng)力波無損檢測方法。歐華坤[18]等進(jìn)行了應(yīng)力波的木材檢測試驗(yàn)，總結(jié)出該試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵在于是否可以準(zhǔn)確地測量出應(yīng)力波的傳播時(shí)間和求取收、發(fā)傳感器之間的時(shí)間差。由于應(yīng)力波在木材中的傳播時(shí)間為微秒級(jí)的，直接測量難度較大，而虛擬儀器微秒計(jì)正好克服了這點(diǎn)，所以能夠最大限度地獲得準(zhǔn)確的時(shí)間值，從而提高了對(duì)最終速度值的計(jì)算精確度，在一定程度上達(dá)到了預(yù)期的二維重建圖像的效果。2018年，楊啟格[19]等利用應(yīng)力波對(duì)有無缺陷的兩種木材進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用小波分析對(duì)檢測到的應(yīng)力波數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。結(jié)論表明了木材在有無缺陷情況下的內(nèi)部應(yīng)力波傳播頻率的不同，可以判斷出木材的內(nèi)部是否有缺陷。相比人工的檢測方法，基于小波變換的應(yīng)力波檢測方法是可行且有效。趙秀[20]等研究發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力波技術(shù)作為指接規(guī)格材的抗彎性能檢測和預(yù)測的手段，能夠補(bǔ)充目測法和機(jī)械應(yīng)力法等兩種方法的不足之處。2019年，張艷霞[21]等采用應(yīng)力波技術(shù)和阻抗儀技術(shù)對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行檢測，可以有效地測定古建筑木構(gòu)件的腐朽和蟲蛀等殘損的情況。2020年，孫麗萍[22]等對(duì)應(yīng)力波檢測技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析，指出了各影響因素對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響規(guī)律的量化并引入到了數(shù)學(xué)模型中的過程是十分艱難的，因此搭建完善的多參數(shù)應(yīng)力波傳播的速度模型還有許多工作要做。程麗婷[23]等使用應(yīng)力波對(duì)落葉松進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了結(jié)論在落葉松的木材含水率未達(dá)到臨界纖維飽和點(diǎn)的時(shí)候，木材的材性隨著含水率的增大而急劇下降；在木材含水率大于臨界纖維飽和點(diǎn)時(shí)，木材的材性隨著含水率的增大下降幅度較小。

1.2 國外木材應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

國外的應(yīng)力波無損檢測技術(shù)研究初始較早，但近些年的相關(guān)研究較少，主要用來檢測活立木內(nèi)部缺陷，強(qiáng)度，彈性常數(shù)等隨著外部因素變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上建立理論模型，以預(yù)測立木未來的變化。

2010年，Adil[24]等通過對(duì)道格拉斯冷杉橫截面應(yīng)力波傳播的試驗(yàn)，指出了應(yīng)力波波速的傳播具有很明顯的差異性，并且與材料在橫截面上的旋轉(zhuǎn)角度有一定的關(guān)聯(lián)。速度隨著取向角的增大而減小，這可以用木材的各向異性來解釋。研究表明，在桿狀和片狀木材上測量的速度之間存在顯著差異。片狀木材中的速度比桿狀木材中的速度快，這說明波沿曲線路徑進(jìn)行傳播，而且含水率對(duì)傳播速度也有顯著影響，但是密度梯度對(duì)傳播速度似乎并沒有影響。2014年，Guanghui Li[25]等采用應(yīng)力波對(duì)黑櫻桃樹的波速模式和內(nèi)部衰變進(jìn)行檢測分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了健康樹中應(yīng)力波速度的理論模型，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了12棵黑櫻桃樹的橫截面的波速模式。理論分析數(shù)據(jù)表明，切線速度與徑向速度的比例近似于對(duì)稱軸的拋物線曲線，經(jīng)由本試驗(yàn)結(jié)論中的理論速度模型可用作檢測活立木內(nèi)部衰變的診斷工具。2017年，Ruy A.Sá Ribeiro[26]等利用應(yīng)力波計(jì)時(shí)器(SWT)的軸向聲波振動(dòng)對(duì)竹子結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了無損檢測，確定了竹子的含水量、密度(按體積分)和彎曲強(qiáng)度等特性。根據(jù)試驗(yàn)的多項(xiàng)數(shù)據(jù)，MOE 值可用于確定高可信度的全尺寸竹子 CULM MOR(r2=0.83)。竹子密度可用于確定其 MOR、MOE 和 Ed具有合理的可信度(r2分別為0.66、0.62和0.77)。此外，全尺寸竹子CULM Ed可用于以合理的可信度預(yù)測其 MOR 和 MOE(r2分別為0.70和0.62)。為了更好的使用MOE值來預(yù)測全尺寸竹種的可行性，應(yīng)該通過對(duì)大、中、小直徑不同竹種的進(jìn)一步檢測驗(yàn)證。同年，María等應(yīng)用應(yīng)力波對(duì)木材彎曲彈性模量的橫截面的變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明不同深度的聲波探針插入一塊木材進(jìn)行測試，能更好地預(yù)測靜態(tài)彈性模量。將該方法與間接超聲波測試方法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較表明，運(yùn)用新程序能大大提高對(duì)彈性靜態(tài)模態(tài)的預(yù)測能力(r為20.94 和 0.91 之間)，這取決于測試件的類型[27]。2018年，Chiew Loon Goh[28]等為了檢測活立木中的木材腐爛程度，采用了多種方法包含電阻、核磁共振、微波、聲學(xué)等進(jìn)行檢測。結(jié)論表明，ER 和聲學(xué)斷層掃描技術(shù)的檢測需要根據(jù)樹的直徑和圖像分辨率進(jìn)行多次測量，且需要在樹上打孔，因此對(duì)活立木的危害更大。微波和 NMR的非接觸傳感器配置更適用于樹木衰變檢測，其設(shè)備的傳感信號(hào)都很容易穿過樹皮，不會(huì)受到空氣縫隙的阻礙。然而，微波或NMR對(duì)活立木的腐爛的檢測技術(shù)仍然處于起步階段，還有很多的問題亟待解決。

2 結(jié)論

立木作為一種對(duì)人類不可或缺的資源，廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)建筑，包裝運(yùn)輸，室內(nèi)裝飾裝修等領(lǐng)域。應(yīng)力波無損檢測技術(shù)以其檢測時(shí)間短、運(yùn)行條件低、穩(wěn)定性好以及準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用在立木的檢測方面。目前國內(nèi)研究者針對(duì)立木的內(nèi)部缺陷的定位與分析做了大量的研究，從試驗(yàn)的角度證明了該技術(shù)的可行性和未來進(jìn)一步發(fā)展的潛力。而國外學(xué)者則在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的理論模型，以預(yù)測立木內(nèi)部缺陷，材料常數(shù)的變化等。為了進(jìn)一步提高我國應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的發(fā)展，為應(yīng)力波檢測提供技術(shù)支撐，國內(nèi)科研工作者應(yīng)該進(jìn)一步注重理論模型的建立，探討新的成像算法與信號(hào)采樣方法，以解決重建圖像中對(duì)缺陷邊緣、凹型缺陷等方面還原度不高，成像精度不穩(wěn)定等問題。此外，將應(yīng)力波技術(shù)和其他無損檢測技術(shù)相結(jié)合，對(duì)比分析以對(duì)立木內(nèi)部缺陷進(jìn)一步探索。