空洞对木材中应力波传播路径的影响1)

徐华东 王立海

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

空洞对木材中应力波传播路径的影响1)

徐华东 王立海

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

利用应力波设备，分别对完好和含有不同大小空洞缺陷的大青杨径切板材样本进行了测试，分析了空洞对应力波传播时间的影响，探讨了含空洞木材中应力波的传播路径。结果表明：空洞对木材中应力波传播有显著影响；当应力波在木材中传播遇到空洞缺陷时，其传播路径会发生改变，会绕着空洞缺陷，沿空洞周围的木材进行传播。这导致应力波传播距离延长，传播时间增加。

木材；应力波；无损检测；空洞；传播路径

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

应力波是当前木材无损检测领域应用最为广泛的技术之一，它既可用于估测木材的物理力学性能[1-3]，也能用于判断活立木、原木、木结构等对象的内部腐朽等缺陷[4-7]。在对木材内部缺陷进行估测时，主要依据应力波在健康材与有缺陷材中的传播时间或者传播速度的差异来进行判断。木材内部腐朽、空洞、裂纹等缺陷会导致单位长度的应力波传播时间延长或者传播速度降低[4，8]，这已经成为国内外学者的一个共识。然而，对于空洞等缺陷如何影响应力波传播，应力波在木材中遇到缺陷时，其传播路径如何变化尚不明确。当前，相关研究主要集中于应力波在木材检测领域的应用，如应力波成像算法[7]、成像与缺陷的关系[8-10]、木材物理力学特性与应力波传播参数的关系[3，11]等，涉及应力波在木材内传播路径的研究相对较少。张厚江等对应力波在美国红松原木中的传播时间等值线进行了试验研究[12]，徐华东等通过试验对应力波在木材径切面上的传播路径进行了追踪[13]。但是，他们的研究对象主要针对健康木材，未分析木材缺陷对应力波传播路径的影响。

笔者将对应力波在健康和含空洞原木径切面的传播时间进行测试，分析空洞大小对应力波传播的影响，探讨含空洞木材中应力波传播路径，期望能够探明应力波在木材中的传播规律，为准确判定木材内部缺陷提供基础。

1 材料与方法

1.1 样本

试验样本为大青杨板材，取自黑龙江省方正林业局。结合林区采伐作业，选取待采伐大青杨立木样本，在立木样本被采伐后，立即制成原木。然后，在木材加工厂沿径切面对原木进行锯切，加工成径切板。径切板纵向长76 cm，厚7 cm，大头和小头直径分别为35、34 cm。板材样本径切面心材含水率为83.3%，边材含水率为99.5%。在测试间隙，将试验样本用塑料袋密封包装，并低温保存，防止水分流失。

1.2 含空洞板材样本制取及测点布置

为研究缺陷对应力波传播的影响，在板材样本上依次凿取不同大小的空洞，再对含有空洞的样本进行测试。空洞形状为矩形(见图1)。板材样本径切面内不同大小矩形空洞的长度、宽度、位置和大小等信息见表1。本研究仅对相同长度、不同宽度的矩形空洞缺陷进行了测试与分析，未分析缺陷长度对应力波传播的影响。

在径切板材样本的两个端面，不包括树皮的范围内，沿径向以4 cm为间隔各布置9个测点，标号依次为激励点1—9和接收点91—99(见图1)。

图1 板材样本径切面空洞缺陷

1.3 测试仪器及方法

采用德国RINNTECH公司生产的Arbotom多通道仪器对应力波在板材径切面内的传播时间进行测试。测试每一点时，用吊锤以同样的力度敲击激励

传感器5～10次，直至测量误差小于3 μs，记录其平均值。

当板材样本不含空洞和含有不同大小空洞时，采用Arbotom应力波仪分别测量1-91、2-92、3-93、4-94、5-95、6-96、7-97、8-98、9-99测点的应力波传播时间(见图2)，用以分析空洞大小对木材径切面内纵向应力波传播的影响。测试时，先测完好样本，然后依次测试含不同大小空洞样本。

表1 板材径切面不同大小空洞的位置与面积

a.完好样本 b.含空洞样本

图2 板材径切面样本及测试图

2 结果与分析

2.1 空洞大小对纵向应力波传播时间的影响

测量得到的应力波在不含空洞和含有不同大小空洞样本中的传播时间见表2。可以看出，尽管心材与边材由于木材结构、含水率等因素的不同使各个测点间的纵向应力波传播时间存在差异[14]，但当样本不含空洞缺陷时，这个数值相差较小，9个传播时间点的平均值为323 μs，标准差为6.2 μs，变异系数值仅1.93%，各测点数据连在一起近乎一条直线。而当板材样本含有空洞时，各测点间的纵向应力波传播时间均有所增加，随着空洞面积的增大，各测点间的纵向应力波传播时间在逐渐增加。

表2 应力波在含空洞板材径切面内纵向传播时间

随着空洞面积的增大，各个测点间应力波传播时间相比无空洞样本的变化幅度具体值见表3。应力波传播时间变化幅度采用式(1)计算

A=(|T-T0|/T0)×100%。

(1)

式中：A为应力波传播时间变化幅度(%)；T为应力波在含空洞缺陷的板材样本中纵向传播时间(μs)；T0为应力波在不含空洞缺陷的板材样本中纵向传播时间(μs)。

表3 含空洞板材径切面内各测点应力波纵向传播时间变化幅度

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，含空洞板材样本中测点5-95的应力波传播时间变化幅度非常大，即使最小的空洞(空洞1，面积仅占板材面积3.95%)，变化幅度也高达62.16%，空洞4的变化幅度达到78.98%；而测点2-92和8-98的变化幅度最高不超过10%，平均约为5%。因此，空洞对板材样本中纵向应力波的传播时间具有显著影响。

2.2 木材中应力波遇到缺陷时的传播路径

从表2和表3可知，当板材样本含有空洞时，各个测点间变化幅度并不相同。其中，测点5-95的应力波传播时间变化幅度最大，而测点2-92和8-98的应力波传播时间变化幅度较小；测点1-91和9-99的应力波由于未经过空洞，传播时间基本未变。测点5-95与测点2-92间应力波均经过相同长度的空洞进行传播，但变化幅度却相差很大，可能与应力波遇到空洞缺陷时的传播路径有关。

空洞中主要介质为空气，空气是与木材完全不同的一种介质。常温标准大气压下，空气中应力波传播速度约为340 m/s(参考声波在空气中传播速度)。依据样本长度(76 cm)和完好样本时测得的传播时间数据(均值323 μs，见表2)，可以计算出样本木材中纵向应力波传播速度为2 351 m/s。应力波在2种介质中传播差异非常明显。当应力波传播到空洞缺陷边缘时，应力波会有2两种传播路径可选：①通过在不同介质之间进行反射和透射，穿过空气介质，进而继续在木材介质中传播；②绕过孔洞缺陷，一直在木材中传播，这时应力波的传播距离就被延长了。

假设应力波按照第一种方式进行传播，即应力波在木材中传播时遇到空洞缺陷，首先在木材和空气2种介质界面进行反射和透射，进入空气介质传播；当传播到空气与木材介质界面时，则再次进行反射和透射，进入木材介质进行传播。在这种情况下，不同测点的应力波遇到同样大小的空洞缺陷时，应力波的传播时间应该是不变的，也就是说测点5-95与测点2-92间应力波传播时间应该是相同的，但实验据并非如此(见表2)。因此，判定应力波在木材中遇到空洞缺陷时，传播路径不是按第一种方式进行的。

假设应力波按照第二种方式进行传播，即应力波在木材中遇到空洞缺陷，会绕着空洞缺陷，一直在木材中传播。按照这一假设，测点2-92、3-93、4-94、5-95至8-98间应力波虽然均经过同样大小的空洞，但传播距离却相差很大，其中测点5-95间的传播距离是最大的，传播时间也最大。这一推断与试验数据相符(见表2)。

依据第二种方式构建的应力波在含空洞板材径切面传播图(图4)，较好地解释了测点5-95与测点4-94、3-93和2-92间应力波经过空洞传播时间相差较大的原因。Wang Xiping等[4]对木材中应力波传播规律进行研究时，也推断应力波在木材中遇到腐朽缺陷时是绕着缺陷进行传播(见图5)，但是他们并没有对这一假设进行试验验证。

另外，依据费马原理[15](波沿着所花时间为最小的路径传播)，也可推断应力波在遇到孔洞缺陷时，绕着空洞进行传播。由于空气介质与木材介质迥然不同，应力波在2种介质中的传播速度相差很大，空气中的传播速度要远低于木材。因此应力波在遇到内部为空气介质的空洞缺陷时，则会选择在传播速度相对高的木材介质中传播，即绕着空洞缺陷传播。

图3 应力波在含空洞板材径切面传播路径模拟

图4 应力波计时仪检测立木内部腐朽的示意图

2.3 空洞导致应力波传播时间增加的原因

空洞缺陷导致应力波传播时间增加，主要是由于传播路径改变，传播距离延长。另外，也需要考虑木材结构变化对应力波传播的影响，尤其是纹理角对应力波的影响。研究表明[13，16]，应力波在木材纵向(纹理角为0°)传播最快，沿木材径向(纹理角为90°)传播最慢，随着纹理角的逐渐增大，应力波传播速度逐渐下降。针对本研究测试的样本，在不含空洞时，应力波沿木材纵向传播，传播速度较快；当含空洞时，应力波传播路径改变，在传播距离增加的同时，应力波传播路径上的木材纹理角也发生了变化。因此，传播距离延长和纹理角变化都是空洞缺陷导致应力波传播时间增加的原因。

3 结论

空洞对木材中应力波传播有显著影响，导致其传播时间增加。当应力波在木材中传播遇到空洞缺陷时，其传播路径会发生改变，会绕着空洞缺陷，沿空洞周围的木材进行传播。这导致应力波传播距离延长，传播时间增加。

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1) 中央高校基本科研专项资金(DL12BB18)、国家自然科学基金(31300474)、林业公益性行业科研专项重大项目(201104007 )。

徐华东，男，1982年5月生，东北林业大学工程技术学院，讲师。

王立海，东北林业大学工程技术学院，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

责任编辑：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.