应用超声波无损检测技术在木材科学领域

1.木材超声波特性

木材是各向异性材料，在不同方向具有不同的性质，因而超声波速度、弹性模量等也有明显差异，表12.4-20为木材超声波速度及超声波弹性模量统计；表12.4-21为木材不同方向超声波速度与超声波弹性模量均值。由于在超声波无损检测过程中，木材表面与超声波传感器表面之间常常会有空气存在，而空气对超声波传播时间具有一定的影响，因此在木材的超声波无损检测过程中，常常在被检测表面和超声波传感器之间涂上耦合剂。常用的耦合剂有黄油、凡士林和橡皮泥等，表12.4-22为不同耦合剂对木材超声波速度的影响。

表12.4-20 木材超声波速度及超声波弹性模量统计

（续）

注：1.各栏数据，第1列为均值，左下为标准差，右下为变异系数。

2.树种按针、阔叶材的学名字母顺序排列。

3.红松含水率均值为10.54%，思茅松11.2%，水曲柳11.33%，西南荷木9.72%。

4.超声波速度c=L/t，超声波弹性模量E=Pc²/g。

表12.4-21 木材不同方向超声波速度与超声波弹性模量均值

注：各树种第1、2、3列数据分别为顺纹抗压、横纹局部抗压及抗弯“大试样”的测试结果。

表12.4-22 不同耦合剂对木材超声波速度的影响（均值对比）

2.超声波技术在森林培育和立木性质检测中的应用

台湾王松永等人将超声波无损检测技术用于森林培育和立木性质的检测中，通过对27个不同试验区立木的超声波无损检测，考察不同的疏伐和修枝方式对木材性质的影响以及这种影响能否用超声波的传播速度和动态弹性模量来表示。结果表明：高度疏伐和未曾修枝的立木含水率较高；未疏伐和中度修枝的立木及板材具有较高的超声波传播速度和动态弹性模量，因而具有较高的物理力学性能；在林业措施相同的情况下，立木和板材的超声波速度及动态弹性模量随着树木胸径的增大而呈线性降低关系；立木的超声波传播速度和动态弹性模量与板材具有相同的变化趋势，说明超声波可以检测出不同的疏伐和修枝方式对木材性质的影响（见表12.4-23～表12.4-26）。

表12.4-23 不同疏伐和修枝区域的我国台湾立木的超声波速度对比

表12.4-24 不同疏伐和修枝区域的我国台湾立木的超声波动弹性模量对比

表12.4-25 不同疏伐和修枝区域的无疵小试件的超声波速度对比

(www.xing528.com)

表12.4-26 不同疏伐和修枝区域的无疵小试件的超声波动弹性模量对比

注：表12.4-23～表12.4-26的数据均来自Wang Songyung等的《Evaluation of Wood Quality of Taiwania Trees Grown with Different Thinning and Pruning Treatments Using Ultrasonic-Wave Testing》

3.超声波技术在古建保护中的应用

根据超声波无损检测技术的基本原理，利用超声波检测仪测出超声波在古建筑木构件中的传播速度，根据MOE=ρc²就可以计算出旧木构件的弹性模量。2002年，中国林业科学院木材工业研究所李华等人采用北京康科瑞公司NM-4A非金属超声波检测仪，对大钟寺博物馆钟架的14根木梁和8根木柱的动态弹性模量进行了现场检测，并与同种木材按国家标准测定的弹性模量进行对比，从而对钟架木结构力学强度的变化进行评估。结果表明：古钟木架构件的弹性模量比同种木材标准值降低10%～20%，个别降低达到30%。弹性模量降低20%左右时木材无明显腐朽，下降达30%左右时就应该加强监控。此外，在木架的空洞、腐朽、垂直于声波传播方向的裂缝等缺陷处，超声波的传播速度降低，波幅衰减，波形也发生变化。图12.4-15和图12.4-16是在检测过程中，有缺陷木材与无缺陷木材超声波形的对比，因此可以通过超声波波形分析来判断缺陷的类别和性质，并配合所接受的超声波的波幅、声速，从而确定缺陷的大小和位置以及损害程度。

图12.4-15 无缺陷木材超声波波形图

（图片来源：李华等的《大钟寺博物馆钟架的超声波无损检测》，木材工业，2003）

图12.4-16 有缺陷木材超声波波形图

4.超声波技术在干燥材质量检测中的应用

孙吉男等人应用超声波检测技术探测窑干木材的蜂窝和浅裂取得了较好的效果（见表12.4-27）。通过检测红栎木材，发现超声波对未干燥红栎木材

表12.4-27 声透射时间以及蜂窝和浅裂出现情况

注：括号内为截面百分数。

非常敏感，用超声波对木材进行声透射时，一旦出现蜂窝和浅裂，其声透射时间就比无缺陷木材的时间长得多，尤其是当声透射垂直于红栎木纹理时，超声波对蜂窝和密集的浅裂就非常敏感。

图12.4-17和图12.4-18显示了声透射时间与其相应断面的关系，声透射时间较长的木料，其断面上肯定有蜂窝或浅裂；对于某一个自然产生的缺陷，如树节，与它产生的声透射时间影响不大，倾向于局部的，声透射时间比较正常。然而，蜂窝和浅裂倾向于产生较长的声透射时间，它远远超过木材无缺陷的声透射时间。

图12.4-17 蜂窝和浅裂木材的声透射时间

图12.4-18 含有树节木材的声透射时间

（表12.4-27以及图12.4-17和图12.4-18均来自孙吉男等的《用超声波探测红栎木材的蜂窝和浅裂》，林业科技，1998）