徐華東 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

空洞對(duì)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(duì)完好和含有不同大小空洞缺陷的大青楊徑切板材樣本進(jìn)行了測(cè)試，分析了空洞對(duì)應(yīng)力波傳播時(shí)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(duì)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(shí)，其傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，會(huì)繞著空洞缺陷，沿空洞周?chē)哪静倪M(jìn)行傳播。這導(dǎo)致應(yīng)力波傳播距離延長(zhǎng)，傳播時(shí)間增加。

木材；應(yīng)力波；無(wú)損檢測(cè)；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(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，它既可用于估測(cè)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(duì)象的內(nèi)部腐朽等缺陷[4-7]。在對(duì)木材內(nèi)部缺陷進(jìn)行估測(cè)時(shí)，主要依據(jù)應(yīng)力波在健康材與有缺陷材中的傳播時(shí)間或者傳播速度的差異來(lái)進(jìn)行判斷。木材內(nèi)部腐朽、空洞、裂紋等缺陷會(huì)導(dǎo)致單位長(zhǎng)度的應(yīng)力波傳播時(shí)間延長(zhǎng)或者傳播速度降低[4，8]，這已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)共識(shí)。然而，對(duì)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(shí)，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(cè)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(duì)較少。張厚江等對(duì)應(yīng)力波在美國(guó)紅松原木中的傳播時(shí)間等值線進(jìn)行了試驗(yàn)研究[12]，徐華東等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)力波在木材徑切面上的傳播路徑進(jìn)行了追蹤[13]。但是，他們的研究對(duì)象主要針對(duì)健康木材，未分析木材缺陷對(duì)應(yīng)力波傳播路徑的影響。

筆者將對(duì)應(yīng)力波在健康和含空洞原木徑切面的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，分析空洞大小對(duì)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(yàn)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(duì)原木進(jìn)行鋸切，加工成徑切板。徑切板縱向長(zhǎng)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(cè)試間隙，將試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)布置

為研究缺陷對(duì)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(duì)含有空洞的樣本進(jìn)行測(cè)試?？斩葱螤顬榫匦?見(jiàn)圖1)。板材樣本徑切面內(nèi)不同大小矩形空洞的長(zhǎng)度、寬度、位置和大小等信息見(jiàn)表1。本研究?jī)H對(duì)相同長(zhǎng)度、不同寬度的矩形空洞缺陷進(jìn)行了測(cè)試與分析，未分析缺陷長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。

在徑切板材樣本的兩個(gè)端面，不包括樹(shù)皮的范圍內(nèi)，沿徑向以4 cm為間隔各布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)號(hào)依次為激勵(lì)點(diǎn)1—9和接收點(diǎn)91—99(見(jiàn)圖1)。

圖1 板材樣本徑切面空洞缺陷

1.3 測(cè)試儀器及方法

采用德國(guó)RINNTECH公司生產(chǎn)的Arbotom多通道儀器對(duì)應(yīng)力波在板材徑切面內(nèi)的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試每一點(diǎn)時(shí)，用吊錘以同樣的力度敲擊激勵(lì)

傳感器5～10次，直至測(cè)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(shí)，采用Arbotom應(yīng)力波儀分別測(cè)量1-91、2-92、3-93、4-94、5-95、6-96、7-97、8-98、9-99測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波傳播時(shí)間(見(jiàn)圖2)，用以分析空洞大小對(duì)木材徑切面內(nèi)縱向應(yīng)力波傳播的影響。測(cè)試時(shí)，先測(cè)完好樣本，然后依次測(cè)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(cè)試圖

2 結(jié)果與分析

2.1 空洞大小對(duì)縱向應(yīng)力波傳播時(shí)間的影響

測(cè)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(shí)間見(jiàn)表2?？梢钥闯觯M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(gè)測(cè)點(diǎn)間的縱向應(yīng)力波傳播時(shí)間存在差異[14]，但當(dāng)樣本不含空洞缺陷時(shí)，這個(gè)數(shù)值相差較小，9個(gè)傳播時(shí)間點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(shí)，各測(cè)點(diǎn)間的縱向應(yīng)力波傳播時(shí)間均有所增加，隨著空洞面積的增大，各測(cè)點(diǎn)間的縱向應(yīng)力波傳播時(shí)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(shí)間

隨著空洞面積的增大，各個(gè)測(cè)點(diǎn)間應(yīng)力波傳播時(shí)間相比無(wú)空洞樣本的變化幅度具體值見(jiàn)表3。應(yīng)力波傳播時(shí)間變化幅度采用式(1)計(jì)算

A=(|T-T0|/T0)×100%。

(1)

式中：A為應(yīng)力波傳播時(shí)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(shí)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(shí)間(μs)。

表3 含空洞板材徑切面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力波縱向傳播時(shí)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(cè)點(diǎn)5-95的應(yīng)力波傳播時(shí)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(dá)62.16%，空洞4的變化幅度達(dá)到78.98%；而測(cè)點(diǎn)2-92和8-98的變化幅度最高不超過(guò)10%，平均約為5%。因此，空洞對(duì)板材樣本中縱向應(yīng)力波的傳播時(shí)間具有顯著影響。

2.2 木材中應(yīng)力波遇到缺陷時(shí)的傳播路徑

從表2和表3可知，當(dāng)板材樣本含有空洞時(shí)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)間變化幅度并不相同。其中，測(cè)點(diǎn)5-95的應(yīng)力波傳播時(shí)間變化幅度最大，而測(cè)點(diǎn)2-92和8-98的應(yīng)力波傳播時(shí)間變化幅度較小；測(cè)點(diǎn)1-91和9-99的應(yīng)力波由于未經(jīng)過(guò)空洞，傳播時(shí)間基本未變。測(cè)點(diǎn)5-95與測(cè)點(diǎn)2-92間應(yīng)力波均經(jīng)過(guò)相同長(zhǎng)度的空洞進(jìn)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(shí)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(zhǎng)度(76 cm)和完好樣本時(shí)測(cè)得的傳播時(shí)間數(shù)據(jù)(均值323 μs，見(jiàn)表2)，可以計(jì)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(shí)，應(yīng)力波會(huì)有2兩種傳播路徑可選：①通過(guò)在不同介質(zhì)之間進(jìn)行反射和透射，穿過(guò)空氣介質(zhì)，進(jìn)而繼續(xù)在木材介質(zhì)中傳播；②繞過(guò)孔洞缺陷，一直在木材中傳播，這時(shí)應(yīng)力波的傳播距離就被延長(zhǎng)了。

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

假設(shè)應(yīng)力波按照第二種方式進(jìn)行傳播，即應(yīng)力波在木材中遇到空洞缺陷，會(huì)繞著空洞缺陷，一直在木材中傳播。按照這一假設(shè)，測(cè)點(diǎn)2-92、3-93、4-94、5-95至8-98間應(yīng)力波雖然均經(jīng)過(guò)同樣大小的空洞，但傳播距離卻相差很大，其中測(cè)點(diǎn)5-95間的傳播距離是最大的，傳播時(shí)間也最大。這一推斷與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符(見(jiàn)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(cè)點(diǎn)5-95與測(cè)點(diǎn)4-94、3-93和2-92間應(yīng)力波經(jīng)過(guò)空洞傳播時(shí)間相差較大的原因。Wang Xiping等[4]對(duì)木材中應(yīng)力波傳播規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)，也推斷應(yīng)力波在木材中遇到腐朽缺陷時(shí)是繞著缺陷進(jìn)行傳播(見(jiàn)圖5)，但是他們并沒(méi)有對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

另外，依據(jù)費(fèi)馬原理[15](波沿著所花時(shí)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(shí)，繞著空洞進(jìn)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(yuǎn)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(shí)，則會(huì)選擇在傳播速度相對(duì)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(jì)時(shí)儀檢測(cè)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(shí)間增加的原因

空洞缺陷導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時(shí)間增加，主要是由于傳播路徑改變，傳播距離延長(zhǎng)。另外，也需要考慮木材結(jié)構(gòu)變化對(duì)應(yīng)力波傳播的影響，尤其是紋理角對(duì)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(duì)本研究測(cè)試的樣本，在不含空洞時(shí)，應(yīng)力波沿木材縱向傳播，傳播速度較快；當(dāng)含空洞時(shí)，應(yīng)力波傳播路徑改變，在傳播距離增加的同時(shí)，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(zhǎng)和紋理角變化都是空洞缺陷導(dǎo)致應(yīng)力波傳播時(shí)間增加的原因。

3 結(jié)論

空洞對(duì)木材中應(yīng)力波傳播有顯著影響，導(dǎo)致其傳播時(shí)間增加。當(dāng)應(yīng)力波在木材中傳播遇到空洞缺陷時(shí)，其傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，會(huì)繞著空洞缺陷，沿空洞周?chē)哪静倪M(jìn)行傳播。這導(dǎo)致應(yīng)力波傳播距離延長(zhǎng)，傳播時(shí)間增加。

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1) 中央高?；究蒲袑?zhuān)項(xiàng)資金(DL12BB18)、國(guó)家自然科學(xué)基金(31300474)、林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)重大項(xiàng)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.