木材缺陷与超声检测参数相关性及影响因素1)

杨慧敏 王立海

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

责任编辑:戴芳天。

木材是天然的各项异性介质，它的物理、力学性质和加工利用，都和含水率有密切的关系。木材检测过程中都要考虑含水率的影响作用，所以说含水率是影响木材性质的重要因素之一［1-3］。中外学者对木材的含水率与弹性模量和传播速度之间的关系进行了系列研究［4-9］，但对含水率和声波能量衰减的关系研究甚少。Quarles 等发现在横纹方向时，含水率对能量衰减的影响与顺纹方向类似，即含水率在18%以下时，能量衰减是恒定的，而含水率大于18%时，衰减增大［10］。

另一个影响木材性质的重要因素就是木材缺陷，于是缺陷对木材的影响越来越引起人们的注意［11］，学者从声波波速和声波能量衰减两个角度对木材缺陷进行相关研究。徐华东等［12］的研究认为局部孔洞缺陷对木梁动弹性模量具有显著影响，会降低其动弹性模量。随着孔洞缺陷直径或数量的增加，木梁动弹性模量的降低幅度均在逐渐加大。王天龙等［13］通过波速在不同截面之间的变化状况，说明柱子的缺陷主要存在于近地面区域。一些学者［14-16］提取其各频带内信号的能量变化量，作为特征值实现孔洞缺陷的定量检测和腐朽的检测。上述研究多以单一指标开展研究，缺乏对波速和能量衰减两者的综合分析。

根据GB/T 4823—1995《锯材缺陷》［17］，木材缺陷有腐朽、节子、乱纹、夹皮、裂纹、孔洞等。笔者选择节子和孔洞两种典型的缺陷作为研究对象，研究木材缺陷和超声波传播参数的相关性，为后续缺陷定量检测中特征参数的选择提供科学依据。研究含水率和不同类型缺陷对超声波传播速度和超声波能量衰减的影响，以及他们的相关性，确定超声波的传播参数。

1 材料与方法

非金属超声波检测仪，型号RSM-SY5，采用超声脉冲透射法测量试件的超声波声学参数;高周波木材水分仪，型号为FD-100B，用于快速测定试件的原始含水率;电热鼓风干燥箱，型号为101-IA，用来烘干试件;电子天平，用于测定试件质量。

本实验所用木材来自黑龙江省方正林业局，树种为椴木、榆木和冷杉，各树种木材分别加工80 个试件，尺寸为400 mm×30 mm×30 mm，并对试件表面进行抛光处理。每种木材在80 个试件中挑选有节子(含有一个大小不等的健全活节)和无节子(尽可能不包含或只包含较小、较少的可见缺陷)的试件各25 个，并把无节子试件加工成直径为20 mm 的孔洞。

用超声检测仪检测超声波声学参数:打开超声波测试仪箱后，把发射和接受传感器分别置于试材的两端，试件的一端接收发射传感器发射出的超声脉冲波，脉冲波在所检测的木材试件中传播，然后被试件另一端的接收传感器接收。为了数据更加准确，对每一个试件重复测量10 次，记录超声波的传播速度和能量衰减值。

含水率的测定原理与方法:测定试件的超声波声学参数后，把试样放入烘干箱，105 ℃烘干1 h。取出试件，用电子天平称质量;然后立刻进行下一次超声测试，再烘干;在第10 次烘干测量后，不再进行超声测试，将试件烘干直至质量不再发生变化，记录其绝干质量。依据湿木材试样质量和试件绝干质量，由公式W'=(m-m0)/m×100%可得知试件的含水率。

2 结果与分析

2.1 木材缺陷对超声波传播参数的影响

2.1.1 超声波传播速度随含水率变化的规律

表1给出节子与孔洞相比较的超声波传播速度随含水率变化规律。可以看出，冷杉、椴木、榆木3种树种随含水率变化的趋势相同，即随着含水率的升高，冷杉、椴木、榆木的节子孔洞试件的超声波传播速度逐渐降低，变化趋势也是近似为一条直线。随着含水率逐步升高，在同一树种下节子试件和孔洞试件超声波传播速度的差值越来越小，即在含水率较低的状态下木材节子和孔洞比较容易区分。主要原因是冷杉、椴木、榆木在0＜W≤10%时，缺陷等木材内部结构差异是影响超声波传播的主要因素;在50%＜W≤60%时处于饱水状态，水分成为影响超声波传播的主要因素，而木材内部结构差异的影响则变为次要因素。

2.1.2 平均能量衰减值随含水率变化的规律

由表1可以看出，节子孔洞试件在不同含水率下超声波波速与能量衰减变化规律大致相同，即3种树种的节子、孔洞试件的超声波能量衰减随着含水率的升高逐渐降低，变化趋势也是近似为一条直线。随着含水率逐步升高，在同一树种下节子试件和孔洞试件超声波能量衰减的差值越来越小，即在含水率较低的状态下木材节子和孔洞比较容易区分。针对超声波波速与能量衰减不同点进行分析:在同一树种和同一含水率条件下，节子与孔洞试件超声波能量衰减变化量比波速变化量大，特别是含水率0～20%时，节子与孔洞试件超声波能量衰减变化量在1/3 左右，而波速变化量在1/8 左右，相差比较悬殊。

表1 缺陷试件在不同含水率下超声波的传播速度

2.2 缺陷和超声波传播参数的相关性

以冷杉为例作不同缺陷状态下超声波传播速度和超声波能量衰减分布，如图1和图2。

图1 不同缺陷状态下传播速度的分布

可以看出不同缺陷状态下传播速度的分布界限不明显，特别是节子与完好试件有部分超声波速度值是重叠的，可见依传播速度为缺陷检测的超声参数存在着一定的不确定性。相反，图2显示的不同缺陷状态下能量衰减分布区分明显，各种缺陷状态间能量衰减值差别较大，能够很好地区分3 种缺陷状态。本研究选择超声波能量衰减作为木材缺陷的检测参数。

图2 不同缺陷状态下能量衰减的分布

3 结论

缺陷试件(节子、孔洞)在不同含水率下超声波波速与能量衰减变化规律大致相同。随着含水率的增加，在同一树种下节子试件和孔洞试件超声波能量衰减的差值越来越小，即在低含水率时节子和孔洞易区分。在同一树种和同一含水率下，节子与孔洞试件超声波能量衰减变化量比波速变化量大，特别是含水率0～20%时，节子与孔洞试件超声波能量衰减变化量比波速变化量大。木材缺陷和超声波传播速度、能量衰减率之间的关系:不同缺陷状态下传播速度的分布界限不明显，依传播速度为缺陷检测的超声参数存在着一定的不确定性。相反，不同缺陷状态下能量衰减分布区分明显，而且差别较大，能够很好地区分3 种缺陷状态。通过结果分析可知，超声波能量衰减更适合作为木材缺陷的检测参数。

［1］ 齐向东.实用木材检验技术［M］.北京:化学工业出版社，2008:19-20.

［2］ 于雷.基于多重分形频谱技术的木材CT 检测及其三维结构重建［D］.哈尔滨:东北林业大学，2010.

［3］ 蔡英春，陈广元，艾沐野，等.关于提高称重法木材含水率测算精度的探讨［J］.北京林业大学学报，2005，27(S1):64-67.

［4］ Wang S Y，Shih Tzu Chuang.Experimental data correction of the dynamic elastic moduli.velocityand density of solid wood as a function of MC above the fiber saturation point［J］.Holzforschung，2000，54(3):309-314.

［5］ Ilic J.Variation of the dynamic elastic modulus and wave velocity in the fibre direction with other properties during the drying of eucalyptus fegnans F.Muell［J］.Wood Science and Technology，2001，35(1):157-166.

［6］ Sandoz J.Moisture content and temperature effect on ultrasound timber grading［J］.Wood Science and Technology，1993，27(5):373-380.

［7］ Brashaw B K，Wang X，Ross R J，et al.Relationship between stress wave velocities of green and dry veneer［J］.Forest Products Joumal，2004，55(6):85-89.

［8］ 廖春晖，张厚江，黎冬青，等.含水率对木材性能快速测定指标的影响［J］.江苏农业科学，2012，40(6):280-282.

［9］ 徐华东，徐国棋，王立海.低温对红松和人青杨木材力学性质的影响［J］.南京林业人学学报:自然科学版，2014，38(5):25-28.

［10］ Quarles S L.The effect of moisture content and ring angle on the propagation of acoustic signals in wood［J］.Journal of Acoustic Emission，1990，9(3):189-195.

［11］ 姜成增，李孝岷.木材缺陷对木材利用的影响［J］.科技信息，2008(24):252.

［12］ 徐华东，王立海.局部缺陷对木梁动弹性模量的影响［J］.建筑材料学报，2011，69(5):653-658.

［13］ 王天龙，陈永平，刘秀英，等.古建筑木构件缺陷及评价残余弹性模量的初步研究［J］.北京林业大学学报，2010，32(3):141-145.

［14］ 王立海，杨慧敏.小波和神经网络在色木孔洞缺陷超声定量检测中的应用［J］.北京林业大学学报，2007，29(2):128-132.

［15］ 杨慧敏，王立海.超声波频谱分析技术在木材孔洞缺陷无损检测中的应用［J］.东北林业大学学报，2007，35(8):30-32.

［16］ 余观夏，张爱珍，史伯章，等.用应力波频谱分析技术检测原木中的腐朽［J］.东北林业大学学报，2007，35(10):22-24.

［17］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.GB/T 4823—1995 锯材缺陷［S］.北京:中国标准出版社，1995.