超聲波法檢測木材內(nèi)部孔洞缺陷的研究

張　甜　程小武　陸偉東　劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

?

超聲波法檢測木材內(nèi)部孔洞缺陷的研究

張?zhí)鸪绦∥潢憘|劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

利用Sylvatest-Duo超聲波檢測儀對健康杉木材和含有不同孔洞缺陷尺寸的杉木材進(jìn)行測試，得到超聲波傳播速度與不同孔洞直徑的定量關(guān)系。結(jié)果表明：超聲波在杉木健康材中的徑向傳播速度范圍為1 423 ～1 672m/s；杉木內(nèi)部存在缺陷時，超聲波徑向傳播速度會明顯降低；通過對超聲波傳播速度與缺陷直徑大小的回歸，發(fā)現(xiàn)二者存在明顯的負(fù)相關(guān)性，決定系數(shù)>0.8；采用指數(shù)函數(shù)模型和線性函數(shù)模型對缺陷大小與超聲波傳播速度進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)不同類型的缺陷理想回歸模型不同。

木材；超聲波；無損檢測；Sylvatest-Duo；缺陷

我國歷史文化悠久，現(xiàn)存有大量的古建筑，是國家的重要歷史文化遺產(chǎn)，理應(yīng)受到重點保護(hù)。我國的古建筑大多為木結(jié)構(gòu)框架體系，這種體系被譽為世界三大建筑體系之一。

木材的缺陷能夠影響木構(gòu)件的外觀及其力學(xué)性能，已經(jīng)成為木材應(yīng)用中存在的一個不能忽視的問題。木結(jié)構(gòu)在長期的使用過程中，有害生物容易迅速侵入繁殖，使木材發(fā)生腐朽蟲蛀，產(chǎn)生腐朽、孔洞、裂縫等缺陷，導(dǎo)致其物理力學(xué)性能降低，造成木結(jié)構(gòu)的損毀[1-2]。因此，在木結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)工作中，對木構(gòu)件材質(zhì)狀況進(jìn)行檢測以及安全性能分析非常重要。傳統(tǒng)檢測采用定性的目測法與簡單的敲擊法，檢測結(jié)果不夠準(zhǔn)確。近年來，無損檢測因其準(zhǔn)確、客觀等優(yōu)點被廣泛采用。超聲波檢測是當(dāng)前木結(jié)構(gòu)無損檢測方法中最有效的檢測手段之一，能夠快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)木材中存在的隱患及病害，快速對木材缺陷進(jìn)行有效檢測，判斷活立木、原木、木結(jié)構(gòu)存在的內(nèi)部缺陷，預(yù)報其安全狀況，為古建筑的安全評價提供可靠方法，對工程的安全運行有著極為重要的意義。

研究資料表明，應(yīng)用超聲波對木材缺陷進(jìn)行檢測已有50多年的歷史，日本學(xué)者于1965年首先采用超聲波方法，對氣干木材的各種內(nèi)部缺陷與波速之間的關(guān)系進(jìn)行研究，之后美國，澳大利亞等國學(xué)者對不同樹種的超聲波檢測也進(jìn)行研究。McDonaldKA等[3]對木結(jié)構(gòu)中存在的木節(jié)進(jìn)行了檢測；BütlerR等[4]對有腐朽缺陷的歐洲云杉(Picea asperata)原木的超聲波傳播速度進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)木材腐朽越嚴(yán)重，超聲波傳播速度越??；LinCJ等[5]利用超聲波對原木的孔洞缺陷進(jìn)行研究，分析超聲波傳播的不同路徑與孔洞直徑的關(guān)系；ReinprechtL等[6]從生物學(xué)的角度對木材的腐朽狀況進(jìn)行分析，同時對不同腐朽程度的超聲波傳播速度和動彈性模量的降低進(jìn)行了研究；TallavoF等[7]對超聲波檢測時換能器的布置方法、發(fā)射波頻率的變化等傳播因素對超聲波傳播的影響進(jìn)行了研究；NoyaJR等[8]將超聲波無損檢測方法應(yīng)用于現(xiàn)場檢測中，利用超聲波法對現(xiàn)存的17世紀(jì)歷史建筑進(jìn)行了無損檢測；而OhJ等[9]則根據(jù)超聲波的衰減對建筑中木構(gòu)件的缺陷進(jìn)行檢測；CondeMJM等[10]研究指出，利用超聲波檢測傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，不僅可以將對傳統(tǒng)建筑的破壞降到最低，同時根據(jù)檢測結(jié)果可以有效節(jié)省修繕材料。國內(nèi)學(xué)者自20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行了木材超聲波檢測的研究，李華等[11]應(yīng)用超聲波檢測法對大鐘寺博物館某鐘架結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，對其空洞、腐朽、裂縫等缺陷進(jìn)行分析，為超聲波應(yīng)用于古建筑木構(gòu)件的無損檢測提供了科學(xué)依據(jù)；于文勇[12]利用超聲波對木材內(nèi)部孔洞缺陷進(jìn)行了定量研究，根據(jù)超聲波傳播過程中波形圖的變化對缺陷進(jìn)行分析判斷，再根據(jù)超聲波首波幅值倒數(shù)的變化繪制的平面封閉圖形，確定孔洞存在的位置及大??；宋世全等[13]分別利用超聲波檢測儀和阻抗儀對小葉楊(Populus simonii)活立木進(jìn)行檢測，通過對超聲波在小葉楊立木健康材和缺陷材中徑向傳播速度的研究，對缺陷直徑大小與超聲波傳播速度的關(guān)系進(jìn)行了分析；王娜等[14-15]、高山等[16]、王立海等[17-18]基于小波分析理論和超聲波傳播場理論對應(yīng)用超聲波評估木材內(nèi)部孔洞、腐朽缺陷進(jìn)行了研究。

本試驗在超聲波檢測的研究基礎(chǔ)上，利用超聲波分別對健康原木和含孔洞缺陷的原木進(jìn)行測試，分析孔洞缺陷對超聲波傳播速度的影響，為準(zhǔn)確評估木材內(nèi)孔洞尺寸提供理論基礎(chǔ)，也為古建筑中木構(gòu)件檢測和維修提供依據(jù)，使古建筑的保護(hù)工作更加科學(xué)化。

1　材料與方法

1.1試驗材料

以我國南方古建筑中常用杉木(Cunninghamia lanceolata)為對象，原木取自安徽宣城，長4m，小頭直徑為15cm，大頭直徑為18cm。立木采伐后經(jīng)扒皮、刨光、鋸切，養(yǎng)護(hù)至含水率為19%以下。將試樣加工成圓盤型，便于徑向檢測，圓盤直徑為150～180mm。

1.2孔洞缺陷

人造孔洞缺陷為大孔洞(L)、小孔洞(S)2類，孔洞深度均為10cm，沿著原木徑向方向。其中大孔洞試樣厚度為10cm，孔洞位置在試樣中心，其直徑根據(jù)試樣不同而改變；小孔洞試樣厚度為40cm，其直徑分別為1.4、2.0cm，沿直徑方向排列不同數(shù)量的小孔洞。試樣編號及孔洞直徑、數(shù)量見表1。

表1　試樣編號及孔洞直徑與數(shù)量

1.3測試儀器及方法

超聲波在木材中傳播，如果遇到缺陷，會使超聲波的正常傳播發(fā)生變化。根據(jù)費馬原理，超聲波應(yīng)該繞過缺陷進(jìn)行傳播，使傳播時間變長，傳播速度降低，同時超聲波能量也會衰減。通過理論分析可知，超聲波在木材中傳播的邊界條件是：當(dāng)孔洞直徑率(d/D)=0(d為孔洞直徑，D為原木直徑)時，超聲波傳播速度不會減小，接近于標(biāo)準(zhǔn)波速；當(dāng)d/D=1時(假設(shè)超聲波在空氣中傳播)，其傳播速度為340m/s。

超聲波檢測儀采用瑞士生產(chǎn)的Sylvatest-Duo木材檢測儀，頻率22kHz，使用改良式錐形換能器置于試樣兩端進(jìn)行測試。大孔洞試樣測試時，每個試樣繞圓形每隔120°檢測1次，共3個方向每個方向測3次，取平均值。大孔洞試樣標(biāo)準(zhǔn)波速值為無缺陷材中超聲波的傳播速度。

小孔洞試樣測試時，每個試樣沿缺陷厚度方向取3個點檢測，每個點測3次，取平均值。小孔洞試樣標(biāo)準(zhǔn)波速測試方法是：在每個試件健康區(qū)取3個點進(jìn)行檢測，每個點測3次，取平均值。

2　結(jié)果與分析

2.1徑向超聲波傳播速度與大孔洞缺陷的關(guān)系

2.1.1徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關(guān)系

采用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，對比指數(shù)擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)其決定系數(shù)相差不大。本試驗中無孔洞缺陷的徑向超聲波平均傳播速度為1 423m/s，其線性關(guān)系式、指數(shù)關(guān)系式及邊界條件見表2。由表2可知，徑向超聲波傳播速度與大孔洞直徑的指數(shù)函數(shù)擬合更符合邊界條件。

表2　徑向超聲波傳播速度與大孔洞直徑率的邊界條件

2.1.2徑向超聲波傳播速度與孔洞面積率的關(guān)系

采用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對徑向超聲波傳播速度與孔洞面積率(d2/D2)的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，對比指數(shù)擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)指數(shù)擬合方程的決定系數(shù)大于線性擬合方程。本試驗無孔洞缺陷的徑向超聲波平均傳播速度為1 423m/s，線性關(guān)系式、指數(shù)關(guān)系式及邊界條件見表3。由表3可知，徑向超聲波傳播速度與孔洞面積率的指數(shù)函數(shù)擬合更符合邊界條件。

通過徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率和面積率的指數(shù)關(guān)系式對比，得出徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的相關(guān)性更大，且邊界條件也更理想。

表3　徑向超聲波傳播速度與大孔洞面積率的邊界條件

v(d2/D2=0)/(m·s-1)誤差/%v(d2/D2=1)/(m·s-1)誤差/%理論值1423.0340.0y=1199.5e-2.197x1199.515.7133.3-y=-2021.5x+1197.51197.515.8-824.0-

2.2徑向超聲波傳播速度與小孔洞缺陷的關(guān)系

2.2.1徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關(guān)系

采用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，對比指數(shù)擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)指數(shù)相關(guān)方程的決定系數(shù)大于線性相關(guān)方程。本試驗測試無孔洞缺陷的徑向超聲波平均傳播速度為1 672m/s，線性關(guān)系式、指數(shù)關(guān)系式及邊界條件見表4。由表4可知，徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的線性相關(guān)方程更符合邊界條件，當(dāng)孔洞數(shù)量越多，孔洞直徑越大時，線性函數(shù)擬合表達(dá)更準(zhǔn)確。

表4　徑向超聲波傳播速度與小孔洞直徑率的邊界條件

v(d/D=0)/(m·s-1)誤差/%v(d/D=1)/(m·s-1)誤差/%理論值1627.0340.0-y=1503.2e-1.055x1503.27.6523.04.0y=-1166.5x+1466.51466.59.9300.011.8

2.2.2徑向超聲波傳播速度與孔洞數(shù)量的關(guān)系通過試驗發(fā)現(xiàn)，徑向超聲波傳播速度隨著孔洞數(shù)量的增加逐漸降低，以2cm孔洞缺陷為例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著孔洞數(shù)量的增加，傳播速度的下降速率逐漸減小，其速度降低率分別為16.3%，26.1%，9.8%，3.9%，1.6%(圖4)。

2.3不同缺陷超聲波傳播速度對比

對上述2種缺陷的檢測試驗結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)超聲波在大孔洞缺陷和小孔洞缺陷中傳播的速度的變化率不同。

以10cm孔洞缺陷(圖5)的徑向傳播速度下降率為例進(jìn)行計算，當(dāng)缺陷如圖5a時，超聲波速度平均下降率為59.57%，當(dāng)缺陷如圖5b時，超聲波速度平均下降率為50.36%。超聲波在大孔洞缺陷傳播中的速度下降率與小孔洞缺陷傳播中的結(jié)果相比，相差不大。因此，超聲波在檢測木材缺陷時對缺陷的寬度檢驗并不靈敏。

3　結(jié)論與討論

1) 當(dāng)超聲波在杉木健康材中傳播，徑向傳播速度為1 423～1 672m/s，當(dāng)木材內(nèi)部存在缺陷時，超聲波傳播速度均<1 423m/s。

2) 隨著孔洞直徑的增加，超聲波徑向傳播速度逐漸降低；隨著孔洞數(shù)量的增加，超聲波徑向傳播速度也逐漸降低。對超聲波傳播速度與不同類型的孔洞直徑進(jìn)行回歸，大孔洞直徑與超聲波傳播速度的相關(guān)性大于小孔洞。

3) 將超聲波傳播速度與大孔洞直徑率、面積率分別進(jìn)行一元線性回歸和指數(shù)回歸，根據(jù)超聲波傳播速度的邊界條件，得到超聲波傳播速度與大孔洞直徑率的指數(shù)方程模型更理想，與大孔洞面積率的指數(shù)模型也優(yōu)于線性模型，但其相關(guān)性小于前者且邊界條件也不理想。

4) 將超聲波傳播速度與小孔洞直徑率分別進(jìn)行一元線性回歸和指數(shù)回歸，根據(jù)超聲波傳播速度的邊界條件，得到超聲波傳播速度與小孔洞直徑率的一次線性方程模型更理想，且隨著孔洞數(shù)量的增加，超聲波傳播速度的下降率有逐漸減小的趨勢。

5) 古建筑作為歷史文物，一般不可拆卸，因此現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確勘測古建筑木構(gòu)件內(nèi)部缺陷的研究一直是相關(guān)研究人員關(guān)注和探索的問題之一。本文的徑向超聲波檢測方法可以應(yīng)用于今后的木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場初步檢測，但是要確定缺陷存在的具體位置還應(yīng)該結(jié)合微鉆阻力儀或斷層成像儀無損檢測方法，準(zhǔn)確判定缺陷的位置與尺寸。如何合理的結(jié)合無損檢測方法，提高檢測結(jié)果精度，增加實際可操作性，是古建筑木結(jié)構(gòu)無損檢測后續(xù)的研究重點。

[1] 陳允適, 劉秀英, 李華,等. 古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)問題[C]// 中國紫禁城學(xué)會論文集(第五輯 上).北京：2007:332-343.

[2]陳允適.古建筑木結(jié)構(gòu)與木質(zhì)文物保護(hù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]McdonaldKA,CoxRG,BulgrinEH.LocatingLumberDefectsbyUltrasonics.[M].LocatingLumberDefectsbyUltrasonics, 1969.

[4]BütlerR,PattyL,BayonRCL,etal.LogdecayofPiceaabiesintheSwissJuramountainsofcentralEurope[J].ForestEcology&Management, 2007, 242:791-799.

[5]LinCJ,KaoYC,LinMJ.Applicationofanultrasonictomographictechniquefordetectingdefectsinstandingtrees[J].InternationalBiodeterioration&Biodegradation, 2008, 62(4):434-441.

[6]ReinprechtL,HibkyM.Thetypeanddegreeofdecayinsprucewoodanalyzedbytheultrasonicmethodinthreeanatomicaldirections[J].Bioresources, 2011, 6(4):4953-4968.[7]TallavoF,CascanteG,PandeyMD.Anovelmethodologyforconditionassessmentofwoodpolesusingultrasonictesting[J].Ndt&EInternational, 2012, 52(4):149-156.

[8]NoyaJR.Combinedmethodologyforultrasoundtestinginatimberstructureofthe17thcentury[C]//18thSymposiumNondestructiveTestingofWood.Madison， 2013：216-223.

[9]OhJ，EuS，LeeJ.Useofultrasonicattenuationtodetectinternalsmalldefectsformaintenanceofhistoricbuildings[C]//18thSymposiumNondestructiveTestingofWood.Madison， 2013：261-268.

[10]CondeMJM,Li09ánCR,HitaPRD.Useofultrasoundasanondestructiveevaluationtechniqueforsustainableinterventionsonwoodenstructures[J].Building&Environment, 2014, 82:247-257.

[11]李華, 劉秀英. 大鐘寺博物館鐘架的超聲波無損檢測[J]. 木材工業(yè), 2003, 17(2):33-36.

[12]于文勇.基于超聲波原木內(nèi)部孔洞缺陷定量檢測[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2006.

[13]宋世全, 徐華東, 王立海. 小葉楊立木橫斷面的超聲波傳播速度[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2010, 38(5):40-43.

[14]王娜.基于超聲波傳播場的原木及板材空洞缺陷定量檢測[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2012.

[15]WangLH,WangN,XuHD.Effectofemissionpointsonultrasonictestingaccuracyofloginternaldecay[J].AdvancedMaterialsResearch, 2011, 337:682-685.

[16]WangL，GaoS，WangN，etal.Quantitativedetectionofvoiddefectsinlogsectionbasedonultrasonicwavespreadfield[C]//18thSymposiumNondestructiveTestingofWood.Madison， 2013：171-179.

[17]WangL,LiL,QiW,etal.Patternrecognitionandsizedeterminationofinternalwooddefectsbasedonwaveletneuralnetworks[J].Computers&ElectronicsinAgriculture, 2009, 69(2):142-148.

[18]WangN,WangLH,XuHD.Thepredictiononthesizeandlocationofinternaldefectsofstandingtreesusingultrasonictechnology[J].KeyEngineeringMaterials, 2011, 467-469:1838-1845.

(責(zé)任編輯曹龍)

Experimental Study on Testing Internal Hole Defects ofWoodbyUltrasonicMethod

Zhang Tian, Cheng Xiaowu, Lu Weidong, Liu Weiqing

(College of Civil Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing Jiangsu 211816，China)

Onthebasisofultrasonicnondestructivetesting,usingSylvatest-Duoultrasonicdetectortotestthehealthywoodandinternaldifferentsizesdefectswood,achievedthequantitativerelationshipbetweenultrasonicpropagationvelocityandholediameters.Theanalysisresultsshowedthattheradialvelocityofultrasonicspreadinginthehealthywoodwasrangeof1 423 -1 627m/s2;thewoodinternalholedefectscouldcausethesignificantlydecreaseoftheradialvelocityofultrasonicspreading.Therelationshipbetweentheultrasonicpropagationvelocityandthesizeofthedefectdiameterswerefittedtocurves,anddefectsizewassignificantlynegativelycorrelatedwithradialvelocity,thehighfittingdegreeof>0.8.Exponentialfunctionmodelandalinearfunctionmodelwereadoptedtoanalyzetherelationshipbetweentheultrasonicpropagationvelocityandthesizeofthedefectdiameter，andfoundthattheidealmathematicalmodelofdifferenttypesdefectswasdifferent.

wood；ultrasonic；nondestructivetesting；Sylvatest-Duo；defects

2015-04-30

國家木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測規(guī)范技術(shù)規(guī)程項目(71330001)資助。

程小武(1970—)，副教授。研究方向：現(xiàn)代、傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)設(shè)計保護(hù)理論。Email：1352125718@qq.com。

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.01.020

S781.5

A

2095-1914(2016)01-0121-05

第1作者：張?zhí)?1989—)，女，碩士生。研究方向：木材缺陷檢測Email：809360954@qq.com。