張　甜　程小武　陸偉東　劉偉慶

(南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 211816)

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超聲波法檢測木材內部孔洞缺陷的研究

張?zhí)鸪绦∥潢憘|劉偉慶

(南京工業(yè)大學土木工程學院，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行測試，得到超聲波傳播速度與不同孔洞直徑的定量關系。結果表明：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)二者存在明顯的負相關性，決定系數>0.8；采用指數函數模型和線性函數模型對缺陷大小與超聲波傳播速度進行回歸分析，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，理應受到重點保護。我國的古建筑大多為木結構框架體系，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件的外觀及其力學性能，已經成為木材應用中存在的一個不能忽視的問題。木結構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，產生腐朽、孔洞、裂縫等缺陷，導致其物理力學性能降低，造成木結構的損毀[1-2]。因此，在木結構的日常維護工作中，對木構件材質狀況進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，檢測結果不夠準確。近年來，無損檢測因其準確、客觀等優(yōu)點被廣泛采用。超聲波檢測是當前木結構無損檢測方法中最有效的檢測手段之一，能夠快速、準確地發(fā)現(xiàn)木材中存在的隱患及病害，快速對木材缺陷進行有效檢測，判斷活立木、原木、木結構存在的內部缺陷，預報其安全狀況，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，應用超聲波對木材缺陷進行檢測已有50多年的歷史，日本學者于1965年首先采用超聲波方法，對氣干木材的各種內部缺陷與波速之間的關系進行研究，之后美國，澳大利亞等國學者對不同樹種的超聲波檢測也進行研究。McDonaldKA等[3]對木結構中存在的木節(jié)進行了檢測；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行測試，發(fā)現(xiàn)木材腐朽越嚴重，超聲波傳播速度越小；LinCJ等[5]利用超聲波對原木的孔洞缺陷進行研究，分析超聲波傳播的不同路徑與孔洞直徑的關系；ReinprechtL等[6]從生物學的角度對木材的腐朽狀況進行分析，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行了研究；NoyaJR等[8]將超聲波無損檢測方法應用于現(xiàn)場檢測中，利用超聲波法對現(xiàn)存的17世紀歷史建筑進行了無損檢測；而OhJ等[9]則根據超聲波的衰減對建筑中木構件的缺陷進行檢測；CondeMJM等[10]研究指出，利用超聲波檢測傳統(tǒng)木結構，不僅可以將對傳統(tǒng)建筑的破壞降到最低，同時根據檢測結果可以有效節(jié)省修繕材料。國內學者自20世紀80年代開始進行了木材超聲波檢測的研究，李華等[11]應用超聲波檢測法對大鐘寺博物館某鐘架結構進行檢測，對其空洞、腐朽、裂縫等缺陷進行分析，為超聲波應用于古建筑木構件的無損檢測提供了科學依據；于文勇[12]利用超聲波對木材內部孔洞缺陷進行了定量研究，根據超聲波傳播過程中波形圖的變化對缺陷進行分析判斷，再根據超聲波首波幅值倒數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系進行了分析；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用超聲波評估木材內部孔洞、腐朽缺陷進行了研究。

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

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。立木采伐后經扒皮、刨光、鋸切，養(yǎng)護至含水率為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量的小孔洞。試樣編號及孔洞直徑、數量見表1。

表1　試樣編號及孔洞直徑與數量

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。根據費馬原理，超聲波應該繞過缺陷進行傳播，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，接近于標準波速；當d/D=1時(假設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。大孔洞試樣標準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。小孔洞試樣標準波速測試方法是：在每個試件健康區(qū)取3個點進行檢測，每個點測3次，取平均值。

2　結果與分析

2.1徑向超聲波傳播速度與大孔洞缺陷的關系

2.1.1徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關系

采用線性函數和指數函數對徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關系進行擬合，結果見圖1。

由圖1可以看出，對比指數擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)其決定系數相差不大。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，其線性關系式、指數關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函數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系

采用線性函數和指數函數對徑向超聲波傳播速度與孔洞面積率(d2/D2)的關系進行擬合，結果見圖2。

由圖2可以看出，對比指數擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)指數擬合方程的決定系數大于線性擬合方程。本試驗無孔洞缺陷的徑向超聲波平均傳播速度為1 423m/s，線性關系式、指數關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函數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關系式對比，得出徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的相關性更大，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系

2.2.1徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關系

采用線性函數和指數函數對徑向超聲波傳播速度與孔洞直徑率的關系進行擬合，結果見圖3。

由圖3可以看出，對比指數擬合方程和線性擬合方程，發(fā)現(xiàn)指數相關方程的決定系數大于線性相關方程。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，線性關系式、指數關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方程更符合邊界條件，當孔洞數量越多，孔洞直徑越大時，線性函數擬合表達更準確。

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量的關系通過試驗發(fā)現(xiàn)，徑向超聲波傳播速度隨著孔洞數量的增加逐漸降低，以2cm孔洞缺陷為例進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著孔洞數量的增加，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果進行分析，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行計算，當缺陷如圖5a時，超聲波速度平均下降率為59.57%，當缺陷如圖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　結論與討論

1) 當超聲波在杉木健康材中傳播，徑向傳播速度為1 423～1 672m/s，當木材內部存在缺陷時，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行回歸，大孔洞直徑與超聲波傳播速度的相關性大于小孔洞。

3) 將超聲波傳播速度與大孔洞直徑率、面積率分別進行一元線性回歸和指數回歸，根據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方程模型更理想，與大孔洞面積率的指數模型也優(yōu)于線性模型，但其相關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行一元線性回歸和指數回歸，根據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、準確勘測古建筑木構件內部缺陷的研究一直是相關研究人員關注和探索的問題之一。本文的徑向超聲波檢測方法可以應用于今后的木結構現(xiàn)場初步檢測，但是要確定缺陷存在的具體位置還應該結合微鉆阻力儀或斷層成像儀無損檢測方法，準確判定缺陷的位置與尺寸。如何合理的結合無損檢測方法，提高檢測結果精度，增加實際可操作性，是古建筑木結構無損檢測后續(xù)的研究重點。

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(責任編輯曹龍)

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

國家木結構現(xiàn)場檢測規(guī)范技術規(guī)程項目(71330001)資助。

程小武(1970—)，副教授。研究方向：現(xiàn)代、傳統(tǒng)木結構設計保護理論。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。