張春曉, 馮海林, 李光輝, 王燕鳳, 杜曉晨
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院,浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江臨安311300)
應(yīng)力波在樹(shù)木不同角度縱截面的傳播速度模型
張春曉1,2, 馮海林1,2, 李光輝1,2, 王燕鳳1,2, 杜曉晨1,2
(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院,浙江 臨安 311300;2.浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江臨安311300)
研究應(yīng)力波在立木內(nèi)部縱截面上的傳播規(guī)律及影響因素,建立傳播速度模型。以浙江農(nóng)林大學(xué)植物園內(nèi)4個(gè)樹(shù)種共計(jì)40株樹(shù)木作為實(shí)驗(yàn)樣本,采用ArborSonic 3D應(yīng)力波成像系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)力波在不同角度縱截面上各點(diǎn)間的傳播速度。結(jié)果表明:同一截面上任意2點(diǎn)間的傳播速度隨方向角的增大而增大;不同縱截面上任意2點(diǎn)間的傳播速度與所在縱截面與徑切面的夾角相關(guān)。對(duì)健康樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果為v(θ,α)/v0≈kx2+1(0≤k≤1),k值取決于被測(cè)樹(shù)木的物理力學(xué)參數(shù);所有建立的回歸模型決定系數(shù)R2均大于0.93,表明具有較高的擬合優(yōu)度。不同樹(shù)種應(yīng)力波速度各不相同??v截面上應(yīng)力波傳播規(guī)律與方向角θ和α相關(guān),θ決定速度大小,α決定速度變化,即決定擬合方程二次項(xiàng)系數(shù) k 的大小。 健康樹(shù)木縱截面上 θ, α 和 v(θ, α)/v0滿足如下關(guān)系: f(θ,α) =1+{[vl-(-0.2α2+1)vR]/vl}·θ2。對(duì)不同樹(shù)種的檢測(cè)結(jié)果均表明了該模型的有效性,在木材無(wú)損檢測(cè)方向具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。圖5表5參17
木材科學(xué)與技術(shù);應(yīng)力波;縱截面;傳播速度;無(wú)損檢測(cè)
Abstract:To establish a propagation velocity model of stress wave in longitudinal section,standing trees of different species were selected as samples to study their stress wave velocity pattern for different angles in the longitudinal section of wood.Using a theoretical analysis,the velocity model of stress waves in the longitudinal section of wood was built.Then within the Zhejiang A&F University Botanical Gardens,a total of 40 test samples from four species of trees was selected.The experimental ArborSonic 3D stress wave imaging system was used with a comparative analysis of the results to determine the stress wave propagation velocity.Analysis of the model included fitting an equation to a healthy sample and a regression analysis.Results showed that the propagation velocity between any two points in the same section increases with increasing direction angle.And the propagation velocity between any two points in different longitudinal sections is related to the angle between the longitudinal section and the diameter section.Healthy sample test data were fitted to:v(θ,α)/v0≈ kx2+1(0 ≤ k ≤ 1) where k was dependent on the size of angle α between the longitudinal section and the radial section of the tree under test.In the established regression model the R2>0.93 indicated that the model had ahigh goodness of fit.For different species,due to different internal characteristics,stress wave velocities also differed.The propagation law of stress wave in longitudinal section is related to the direction angle θ and α. θ determines the velocity,and α determines the velocity change,which means the size of the quadratic coefficient k of the fitting equation.For the longitudinal section of healthy trees, θ and α and v(θ,α)/v0satisfied the geometric relationships:f(θ,α) =1+{[vl-(-0.2α2+1)vR] /vl}·θ2.Overall,detection results of different species showed the validity of the model which could have important practical applications for nondestructive testing of wood. [Ch,5 fig.5 tab.17 ref.]
Key words:wood science and technology;stress wave;a longitudinal section;propagation velocity;non-destructive testing
應(yīng)用于木材檢測(cè)領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)方法多達(dá)十幾種,在立木材質(zhì)和內(nèi)部缺陷辨識(shí)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的方法是應(yīng)力波檢測(cè)[1-3]。隨著森林資源的日益減少和需求量的日益增加,木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)木材的保護(hù)顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在應(yīng)力波橫向二維傳播規(guī)律領(lǐng)域[4-6],ROSS等[7]認(rèn)為木材的彈性模量E與應(yīng)力波速度v和木質(zhì)材料密度ρ有關(guān),并可通過(guò)測(cè)量應(yīng)力波傳播速度來(lái)確定木質(zhì)材料的彈性模量。在對(duì)應(yīng)力波的木材缺陷二維成像技術(shù)[8]研究中,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波可以有效檢測(cè)樣本內(nèi)部缺陷狀況[9-10]。應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳播速度易受外界因素影響,徐華東等[11-12]提出紅松Pinus koraiensis木材中應(yīng)力波傳播速度隨含水率增加或溫度升高呈逐漸下降趨勢(shì)。為提高應(yīng)力波技術(shù)在木材無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的可行性,劉光林等[13]分析了應(yīng)力波在健康樹(shù)木中的傳播規(guī)律,并建立了應(yīng)力波傳播速度數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)在健康樹(shù)木中,方向角θ與傳播方向速度vT和徑向速度vR比值之間的關(guān)系為vT/vR=-0.2θ2+1,與馮海林等[14]提出的理論模型吻合;方向角θ與應(yīng)力波傳播速度v之間的線性回歸模型擬合度較高,決定系數(shù)高于0.95,從而認(rèn)為應(yīng)力波傳播速度模型不受樹(shù)種變化影響。隨著應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和成像系統(tǒng)的不斷完善,該模型還被應(yīng)用到云杉Picea aspoerata等缺陷材的監(jiān)測(cè)上[15]。目前,應(yīng)力波在木材無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用大多集中在樹(shù)木橫截面上的傳播規(guī)律的研究上[16],在樹(shù)木縱向上的傳播規(guī)律還有待研究。本研究以應(yīng)力波在樹(shù)木不同角度縱截面上的傳播規(guī)律為切入點(diǎn),建立理論模型,通過(guò)對(duì)不同角度縱截面上應(yīng)力波傳播規(guī)律、不同樹(shù)種縱截面上傳播速度模型驗(yàn)證、應(yīng)力波傳播模型影響因素的研究、有缺陷活立木縱截面上的應(yīng)力波傳播速度模型等4個(gè)方面對(duì)應(yīng)力波在縱截面上的傳播做出相關(guān)分析,以期為高精度的三維成像技術(shù)提供新的理論依據(jù)。
木材具有中空的細(xì)胞組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu),而細(xì)胞壁的主體是厚度最大的次生壁中層,其中微細(xì)纖維緊密靠攏,與縱軸呈10°~30°的交角,這是木材各向異性的原因。大量試驗(yàn)和研究表明,木材的這種各向異性可以簡(jiǎn)化為正交各向異性,即在3個(gè)相互垂直的材料主軸,橫紋徑向、橫紋切向和順紋縱向,分別具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)。木材的這種材料性質(zhì)對(duì)其破壞特征具有顯著的影響。
在實(shí)際應(yīng)用中,木材的受力方向可能與木材天然形成的木紋方向不同,此時(shí)需要考慮木材斜紋的承受能力。1921年,HANKINSON在大量試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上總結(jié)出了木材斜紋抗壓強(qiáng)度公式,即HANKINSON公式:
式(1)中:θ為作用力方向與木紋方向的夾角;fc,θ為木材斜紋抗壓強(qiáng)度;fc,0為木材順紋抗壓強(qiáng)度;fc,90為木材橫紋抗壓強(qiáng)度。從HANKINSON公式可以推導(dǎo)出應(yīng)力波傳播速度,若傳播方向與木材紋理方向所成角度為θ,則有:
式(2)中:vl表示順木材紋理方向的應(yīng)力波速度,vr表示木材橫紋方向的應(yīng)力波速度。公式(2)可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>
令 y=v(θ)/vr, 若 θ=90°, 則有 y=vl/vr; 若 θ=0°, 則有 y=1。 在 θ=0°處用二階泰勒展開(kāi)公式(3)得到:
DIKRALLAH等通過(guò)導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)分析了濕材的聲學(xué)各向異性,研究了應(yīng)力波與縱截面夾角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,得到應(yīng)力波速度v與縱截面夾角α之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。方程如下:
式(5)中:v(α),vR,ER,ET,GRT分別代表縱截面夾角為α的傳播速度、徑向速度、徑向彈性模量、切向彈性模量、 剪切模量。 令 f(α)=v(α)/vR, 可得:
由式(7)可知:在橫截面近似為理想圓的情況下,v(α)/vR與α間的曲線近似為二次拋物線,且關(guān)于α=0對(duì)稱。而在計(jì)算應(yīng)力波在縱截面上傳播的速度時(shí)應(yīng)考慮方向角和縱截面夾角大小,將木材任意2點(diǎn)間的應(yīng)力波傳播速度定義為方向角θ和縱截面夾角α,所測(cè)樹(shù)木的縱向傳播速度vl,徑向應(yīng)力波傳播速度vr。由式(2)和式(6)可得出:令 f(θ,α)=v(θ,α)/vr, 即:
理論分析表明,在縱截面夾角α固定的情況下,沿方向角θ的應(yīng)力波速度和徑向速度比值近似為一條二次曲線,我們把式(8)作為健康樹(shù)木中應(yīng)力波在縱截面上的傳播理論模型,將方向角θ定義為x,k=[vl-vR(-0.2α2-1)] /vl, 則可將式(8)轉(zhuǎn)化為 y=1+kx2。 從中可知: 應(yīng)力波在縱截面上的傳播速度曲線圖呈二次曲線型,α的大小決定著k的大小,即決定著二次曲線開(kāi)口大小,增長(zhǎng)速率的快慢。
選取浙江農(nóng)林大學(xué)植物園樟樹(shù)Cinnamomum camphora,白楊Populus alba,鵝掌楸Liriodendron chinensis,雪松Cedrus deodara等4個(gè)樹(shù)種為測(cè)試樣本。實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)部分:一是針對(duì)正?;盍⒛緳z測(cè)應(yīng)力波在其內(nèi)部的傳播規(guī)律;二是通過(guò)比較雪松健康部位與缺陷部位之間的應(yīng)力波傳播速度差異,得出缺陷木材中應(yīng)力波傳播方式的變化。實(shí)驗(yàn)選用ArborSonic 3D木材無(wú)損檢測(cè)儀(匈牙利Fakopp公司),該儀器包含12個(gè)傳感器及主機(jī)和成像軟件,能夠測(cè)量各個(gè)傳感器間的應(yīng)力波傳播時(shí)間及速度,并生成2D斷層圖像和檢測(cè)報(bào)告。
選取健康活立木樣本和帶有缺陷的樣本共40株,皮卷尺、卡尺測(cè)得立木樣本的胸徑、直徑,將傳感器布置在立木縱截面兩側(cè)(圖1A),6個(gè)·側(cè)-1,同側(cè)傳感器間距10 cm·個(gè)-1。測(cè)試時(shí)按1~12號(hào)傳感器順序敲擊,4次·個(gè)-1。同個(gè)截面測(cè)量3次取平均值。換至不同角度的縱截面重復(fù)上述進(jìn)行測(cè)量。立木所測(cè)縱截面間的夾角為15°·個(gè)-1,共測(cè)得縱截面數(shù)量6個(gè)·樣本-1(圖1B,圖1C)。ArborSonic 3D木材無(wú)損檢測(cè)儀獲取傳播速度、時(shí)間等數(shù)據(jù)并傳送至電腦端。
圖1 待測(cè)樣本縱截面及傳感器分布示意Figure 1 Cross-section and the number of test samples
為進(jìn)一步了解縱截面應(yīng)力波傳播規(guī)律,分析不同的方向角和縱截面夾角對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響,將敲擊傳感器產(chǎn)生應(yīng)力波的敲擊方向與傳播速度方向之間的夾角稱為方向角θ(圖1A),所測(cè)縱截面與徑切面的夾角稱為截面夾角α;取所選樹(shù)種不同尺寸的樣本各3株,分析傳播速度模型在不同樹(shù)種上的變化;分析敲擊力度,測(cè)量時(shí)的起始高度,木材本身缺陷等客觀影響因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。選取人工鑿的缺陷雪松,缺陷大小為長(zhǎng)度10 cm的正方形缺口,檢測(cè)應(yīng)力波經(jīng)過(guò)缺陷和不經(jīng)過(guò)缺陷時(shí)的傳播速度。如圖2所示,測(cè)量4個(gè)不同縱截面,其中2個(gè)經(jīng)過(guò)缺陷(圖2A,圖2B),2個(gè)不經(jīng)過(guò)缺陷(圖2C,圖2D)。
圖2 含缺陷雪松在不同縱截面上應(yīng)力波傳播速度檢測(cè)Figure 2 Cedrus deodara containing defects detected stress wave propagation velocity at different longitudinal cross sections
分析所測(cè)健康活立木樣本的應(yīng)力波傳播速度數(shù)據(jù),得到應(yīng)力波傳播速度散點(diǎn)圖并進(jìn)行曲線擬合,由圖3可知:在不同縱截面上(以α為15°為例)應(yīng)力波傳播速度隨著方向角θ的增大而增大,水平方向上傳播速度最小。
圖3 不同樹(shù)種試樣縱截面的應(yīng)力波傳播速度變化趨勢(shì)Figure 3 Stress wave propagation velocity trend longitudinal section of different trees
為了更加直觀地觀測(cè)到縱截面上應(yīng)力波傳播模型,使速度模型更具有代表性,表1給出了相對(duì)應(yīng)的擬合方程。其中令y=v(θ,α)/v0,vθ表示方向角速度,v0表示水平方向應(yīng)力波速度,x表示方向角θ,得出一條一次項(xiàng)系數(shù)為0的二次曲線,回歸分析中決定系數(shù)R2均在0.93以上,擬合度較高。從擬合結(jié)果來(lái)看,在縱截面上應(yīng)力波傳播速度與方向角θ和截面夾角α具有較強(qiáng)的相關(guān)性,隨著θ的增大,速度隨之變大。通過(guò)圖3和表1可以看出,在不同縱截面上隨著θ的增大,速度隨之增大。而隨著α的增大,木材內(nèi)部應(yīng)力波傳播速度增長(zhǎng)加快。隨著方向角θ的增大,應(yīng)力波速度會(huì)呈二次曲線式增長(zhǎng),α的增大會(huì)使增長(zhǎng)的二次曲線增長(zhǎng)率增加。θ和α的變化與前文提出的理論傳播模型具有較強(qiáng)一致性。
通過(guò)分析可以知道應(yīng)力波在木材縱截面上的傳播速度大于在橫向上的傳播速度,這是由木材內(nèi)部各向異性所導(dǎo)致,縱截面上的傳播是順著木材紋理方向,傳播速度較快。不同角度縱截面上的應(yīng)力波傳播速度隨著α的增大會(huì)使傳播速進(jìn)一步增大。這是由于隨著α的增大,所測(cè)量的縱截面越來(lái)越靠近木材表層,所受木材內(nèi)部各向異性的影響逐漸減小造成。
表1 健康樹(shù)木徑向縱截面上v(θ,α)/v0與θ的回歸模型Table 1 The regression model between v(θ,α)/v0and θ in healthy tree radial longitudinal section
同一縱截面上任意2點(diǎn)間的傳播速度隨著方向角度的變化而變化,同一縱截面上速度隨著方向角的增大而增大;在不同縱截面上,隨著截面夾角α的增大應(yīng)力波傳播速度的增長(zhǎng)率加大,即在方向角θ不變的情況下,α的增大速度隨之增大;相同樹(shù)種胸徑較大則應(yīng)力波在縱截面上傳播的速度將更快。而在不同角度的縱截面上,由于內(nèi)部的各向異性,應(yīng)力波速度也各不相同。隨著截面夾角α的變化k值的大小也隨之改變, 由 k=[vl-vR(-0.2α2+1)]/vl得出理論 k值。 表 2 為樟樹(shù)不同角度縱截面上應(yīng)力波傳播速度回歸方程。
表2 樟樹(shù)不同角度縱截面上的回歸方程Table 2 Each longitudinal cross-section regression model of Cinnamomum camphora
由表2可知:擬合曲線滿足一元二次方程。為使結(jié)論更具普遍性,增加鵝掌楸、白楊實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù),采用與樟樹(shù)樣本相同的數(shù)據(jù)處理方式,得到不同樹(shù)種在不同角度縱截面上的擬合方程,如表3所示。結(jié)果表明:該模型具有很好的擬合優(yōu)度,且對(duì)不同樹(shù)種都適用,能夠很好地反映應(yīng)力波在不同角度縱截面上的傳播規(guī)律;對(duì)于所檢測(cè)健康樹(shù)種,應(yīng)力波在不同角度縱截面上的傳播回歸模型與本研究建立的理論模型(8)非常吻合。上述實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析同時(shí)說(shuō)明,應(yīng)力波在不同樹(shù)種上傳播時(shí),木材密度越大,則傳播速度越大;相同樹(shù)種的不同縱截面,隨著縱截面角度α的不斷增大,其速度的增長(zhǎng)率也逐漸增大。推測(cè)原因是應(yīng)力波作為一種聲波,在質(zhì)地堅(jiān)硬密度大的樹(shù)種內(nèi)傳播速度較快;相同樹(shù)種中隨著α的增大,應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳播逐漸從髓心轉(zhuǎn)向木質(zhì)部,而其速度發(fā)生明顯變化,即木質(zhì)部?jī)?nèi)的應(yīng)力波傳播速度大于髓心的傳播速度。
表3 不同樹(shù)種在各個(gè)縱截面上的回歸方程Table 3 Regression models of different species on each longitudinal section
選取與徑切面夾角為15°的一個(gè)縱截面,在傳感器布置位置不變的情況下,邀請(qǐng)6位實(shí)驗(yàn)人員,分別編號(hào)為1~6號(hào),每人采用其常用的敲擊力度完成測(cè)試。由于實(shí)測(cè)時(shí)每個(gè)人的力度均不同,所以以此來(lái)探究敲擊力度對(duì)本研究建立的傳播速度模型的影響。6組數(shù)據(jù)采集完成后,擬合方程如表4所示。
表4 不同敲擊力度下v(θ,α)/vr與 θ,α 的關(guān)系Table 4 Relationship between v(θ,α)/vrand θ,α under different forces
由6次測(cè)試結(jié)果可以看出:擬合曲線整體趨勢(shì)為一條開(kāi)口向上的拋物線,符合本研究提出的傳播速度模型;k值相差不大,也可以說(shuō)明在一般情況下敲擊力度大小對(duì)所提出模型的影響不大。
為測(cè)量在不同起始高度下應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播速度的變化。實(shí)驗(yàn)選取離地80 cm,100 cm,120 cm處為起始位置,按照之前的測(cè)試方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄數(shù)據(jù)。完成采集后對(duì)應(yīng)不同離地高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到擬合方程如表5所示。
表5 不同起始高度情況下v(θ,α)/vr與 θ,α 間的關(guān)系Table 5 Relationship between v(θ,α)/vrand θ,α at different heights
由表5可知:3個(gè)不同樣本在不同起始高度下的曲線均符合所提出的模型,并且k值大致相同。相同樹(shù)種內(nèi)部,不同的起始高度對(duì)理論模型的影響不大;這是由于在木材內(nèi)部不同高度上的結(jié)構(gòu)大致相同,應(yīng)力波在其內(nèi)部傳播速度也大致相同。同時(shí)應(yīng)力波作為振動(dòng)波,不同力度所產(chǎn)生的振動(dòng)效果是一致的,因此在合理的力度范圍內(nèi)其傳播速度變化較小。
對(duì)缺陷木材中應(yīng)力波的傳播分析可知,在不同夾角的縱截面上,經(jīng)過(guò)缺陷位置的應(yīng)力波傳播速度明顯低于正常數(shù)值;推測(cè)原因是應(yīng)力波經(jīng)過(guò)缺陷位置時(shí)會(huì)繞過(guò)缺陷傳播,傳播時(shí)間變長(zhǎng),相應(yīng)的傳播速度會(huì)變小。圖4為應(yīng)力波經(jīng)過(guò)缺陷時(shí),3D木材無(wú)損檢測(cè)儀精確定位到的缺陷位置及大小。
通過(guò)判斷是否符合前文所建傳播模型可以確定樹(shù)木內(nèi)部是否含有缺陷。對(duì)15°縱截面和30°縱截面上的應(yīng)力波傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到擬合曲線(圖5)。從圖5可知:當(dāng)應(yīng)力波經(jīng)過(guò)3~9,3~10傳感器時(shí),其速度擬合曲線明顯下降,波速比先前所測(cè)樹(shù)種的擬合曲線降低15%以上,可判斷該路徑經(jīng)過(guò)缺陷區(qū)域。這與王立海等[17]認(rèn)為的在樹(shù)木橫截面上測(cè)得某條傳播路徑上應(yīng)力波傳播時(shí)間大于其參考值10%時(shí),可視為缺陷的觀點(diǎn)一致。
圖4 含缺陷雪松在不同縱截面上的應(yīng)力波二維呈像圖Figure 4 Cedrus deodara dimensional stress wave with defects in different longitudinal section showing diagram
圖5 不同縱截面上的應(yīng)力波速度擬合曲線Figure 5 Stress wave velocity different longitudinal section of the fitting curve
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Stress wave propagation velocity model for different angles in a longitudinal section of standing trees
ZHANG Chunxiao1,2,FENG Hailin1,2,LI Guanghui1,2,WANG Yanfeng1,2,DU Xiaochen1,2
(1.School of Information Engineering,Zhejiang A&F University,Lin’an 311300,Zhejiang,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring in Forestry and Information Technology,Zhejiang A&F University Lin’an 311300,Zhejiang,China)
S781.5
A
2095-0756(2017)05-0926-08
2016-09-20;
2016-11-21
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61272313,61302185,61472368);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15F020034);浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2015R412048)
張春曉,從事木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail:15385891127@189.cn。通信作者:馮海林,教授,博士,從事智能信息處理、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等研究。E-mail:sealinfeng@126.com