超声检测技术及其在木质材料中的应用【批木网】
发布时间: 2015年12月22日 09:36:00
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1超声检测技术的地位和作用
无损检测是现代工业领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要手段。世界各发达国家越来越重视无损检测技术的应用。日本制定的21世纪优先发展的4大技术之一的设备延寿技术中，把无损检测技术放在十分重要的位置。超声检测是一种重要的无损检测技术，超声波穿透能力强、对人体无害，广泛应用于工业和高新技术产业。超声检测发展迅速，1930年超声波开始应用于检测金属缺陷，随着微电子、传感和图像处理技术的应用，超声检测技术发展成一种高级检测技术，也是多学科紧密结合的高新技术产物。
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2超声检测基本原理众所周知，20～20000Hz为能引起人耳听觉的声波的频率范围，频率高于20000Hz的机械波为超声波。超声波的穿透本领很大，在液体、固体中衰减很小，能传播几十米，遇到杂质或媒质分界面有显著的反射。超声波在介质中的传播特性，如波速、衰减、吸收等都与介质的各种宏观的非声学的物理量有着密切的关系，如声速与介质的弹性模量、密度、温度等有关；声强的衰减与材料的空隙率、黏滞性等有关。通过对各种超声传播特性中特征信息量的提取，可实现非声量检测，如浓度、密度、强度、硬度、湿度、流量、物位、厚度、弹性的测量，还能对物体的缺陷进行检测和探伤，对材料进行物性评价。
超声波频率越高，波长越短，扩散角越小，声束越窄，能量越集中，分辨率越高，对缺陷的定位越准确。高频超声波传播的方向性好，能定向传播。频率在0.5～20MHz以上，主要用于金属材料工件的超声检测。混凝土等非金属材料的超声检测应选用较低频率的超声波，常用频率为20～500kHz，因为混凝土为非均匀材料，散射作用使材料对声波的衰减较大，方向性差，频率越高，传播距离越小，绕过颗粒的能力越差。
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超声检测系统重要部件——探头（换能器）是压电晶片，是一种具有逆压电效应的压电元件，其在交流电作用下产生机械振动。材料包括石英晶体、PZT（锆钛酸铅）和偏铌酸锂等。探头种类繁多，在不同场合需要用不同形式、不同频率的探头。3超声检测技术在木质材料中的应用
利用应力波超声波传递原理支撑的检测仪器除了用于人造板无损检测和单板层积材（LVL）单板的选择外，也用于原木检测。当打击材料时，将会产生依赖于材料形状、品质和弹性模量的固有振动，利用此种关系，可求出材料的弹性模量，在原木和板材等长轴材料的端切面上，用锤子打击而产生纵向振动，并由下式求取弹性模量，即E＝4ρL2fr2。其中：L为材料的长度，fr为固有振动数。采用EFT（高速傅立叶变换）频谱分析仪可瞬间确定材料的固有振动数，利用弯曲－扭曲复合振动，可以同时检测大尺寸结构材的弹性模量和切变模量。超声波检测技术特点是：1）超声波的穿透能力较强，现在已达到12m。2）测定微小缺陷的灵敏度高，能较正确地确定缺陷的位置。3）超声脉冲法不受成材含水率、密度、表面粗糙度等正常差异的影响，较适用于木材及其制品，但不能用于螺旋木纹的成材及木材制品。4）输出及记录超声波的传感器必须与被测材料直接并良好地接触，一般使用耦合剂。国际上现已普遍采用超声波声时测定器测定超声波在被测物中传播的速度，依据声速计算出被测物的弹性模量，预告其静曲强度，测定声时的范围一般是0.1～999μs，精度为0.1μs。
通过计测超声波传播时间及衰减可测量弹性模量。采用高分辨率超声图像技术能够识别木材的天然结构和病理特征。木材中超声波的传递速度与衰减受水分影响较大，因此可用于干燥过程中木材含水率的监控。
超声技术在木材工业中的应用，主要集中在木材结构和含水率对声波的影响、木质复合材料的强度检测、胶的固化以及木质材料的缺陷检测等几个方面。Gerhards（1982）、Jame（1986）、Sakai（1990）、Minamisawa（1994）和Mishiro（1996）等人研究了木材含水率对声波传播速度的影响，指出声波的传播速率在纤维饱和点以下时，随着含水率的增加而减小；在纤维饱和点以上时，顺纹方向的波速保持恒定。
同时还指出，生材的解吸过程中，横向的含水率梯度对纵向波速有很大的影响。Gerhards（1982）、Bucur（1983）、Suzuki（1990）、Mishiro（1996）等人对木材密度、纹理方向与声波的传播和衰减关系做了研究[6]：认为随着木材斜纹角的增加，声波的衰减加大，声波速率减小。
并且，仅是声波的衰减随着木材纹理方向的变化而变化，声波速率的变化与声波衰减变化几乎是成比例的变化。1990年，日本学者铃木弘志、佐佐木荣采用超声波脉冲法，对日本柳杉和柳安木材试样的波速进行测定，分析了波速与纤维斜角（超声波传播方向与木材轴向的夹角）以及试样尺寸之间的关系。
其研究结果是：当棒状试样的断面与波长相比充分小，并且试样的长度在50mm以上的条件下，长度对波速无太大的影响，同时，波速随着纤维倾斜角的增大呈非线性减少，在纤维倾斜角为45°左右时急剧变化，在45°～90°范围，波速的变化渐趋平缓。当纤维倾斜角为45°时，波速大约降到纤维倾斜角为0°时波速的1/2，并且通过波速测定值求得纤维方向、半径方向以及纤维倾斜角为45°时的动态弹性模量。在木材与木质复合材料缺陷的检测方面，Dunlop（1981）利用超声脉冲法对电杆的腐朽劣化进行检测，提出由于腐朽或其他因素所造成的电杆破坏而导致纵向声波阻尼增加，然后，根据检测电杆声共振性变化来测定木材的腐朽程度。
Wilcox（1988）、Patton-Mallory（1990）、Bauer（1991）、Lemaster（1993）等人也分别用声—超声技术对木材及木质复合材料的腐朽程度和生物缺陷等进行测试，认为随着腐朽的出现，超声波速度将减小，同时衰减增大，波速的改变受树种及细菌种类的影响。
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Beall运用声—超声技术对不同种类的胶黏剂固化过程进行研究，并将这项技术应用在胶合板、刨花板、胶合层积梁的制造中。在强度研究方面，1978年，Paschalis用共振法和超声波法确定了木材的强度特性与其结构特点的关系。他认为：随着晚材率和密度增加，湿润松林中的松木比干燥松林中的松木强度增加快。指出在测定弹性模量时，超声波法和共振法具有同等价值。1980年，Dunlop根据波速通过材料传播时间的长短，测定了刨花板幅面的宽度方向的声速，然后利用通过刨花板声速与板子强度的关系，预测刨花板的力学性质[8]。
1989年Greubel应用超声波技术检测了声波在刨花板内的传播，结果发现刨花板的横向抗拉强度与声波传播速度有明显的相关性。1996年Niemz和Poblete研究了刨花板的声传播速度，认为抗弯弹性模量与声传播速度之间有着密切相关性，同时指出板子密度和胶黏剂的含量对声传播速度有着重要影响。
在木材超声波检测方面，我国研究的比较少，1983年，中国林科院木材工业研究所的陈嘉宝等人对木材超声弹性模量与抗压、抗弯强度关系进行了研究。同年，南京林业大学史伯章、尹思慈、阮锡根采用脉冲声波法测定木材的声讯，并对试样进行力学强度试验，求得两者间的回归关系。对影响木材声速的因子以及声速在弦向、径向、纵向3个主要方向上的差异也作了测定和讨论，并用管状模型作了定性说明。1987年，东北林业大学的戴澄月、刘一星、丁汉喜等人采用超声脉冲首波等幅法测试了红松、兴安落叶松、水曲柳和紫椴4种无疵气干材的顺纹和横纹超声速度及超声弹性模量，并用一元和二元回归分析了这2种超声参数与木材顺纹抗压强度和抗弯强度的相关性。1991年，南京林业大学邱金辉利用音讯信号发生器发出的电讯号，经粘在刨花板试件两端的动铁式换能器转化为声波，根据声波在试件中的传播速度来测定定向刨花板的定向率。2003年，中国林科院木材工业研究所李华、刘秀英利用超声波技术现场测定北京大钟寺博物馆永乐大钟大型木结构钟架的弹性模量，并对其力学强度变化做出了评估，找出相关规律，为超声波用于古建筑木结构的无损检测提供科学依据。
4小结
超声技术已经由过去的定性检测发展到现在的定量检测。随着木材工业生产技术的不断提高，超声技术的应用也会越来越得到重视。目前，一些发达国家在这方面的研究已经非常深入，在一些工厂生产线上已经得到应用。我国在这方面的研究起步较晚，成果也不多，究其原因主要是缺少必要的仪器设备。今后应该加强超声技术对新型复合材的检测研究，加强检测中的信号处理以及成像技术的研究，将超声技术应用在研究木材及木质复合材料的蠕变、损伤演变直到断裂的过程中，为木质材料在木建筑上的应用提供理论依据。
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