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超声波木材缺陷检测若干问题的探讨

发布日期:2020-03-05 15:24    浏览次数:

      1  引 言

      应用在木材缺陷的无损检测技术很多, 如微波技术、激光技术、X - 射线技术、核磁技术以及基于声与超声的应力波技术。由于受检测成本和野外检测等因素的影响, 微波技术、激光技术、X - 射线技术以及核磁技术在使用中都有不足之处; 而超声波检测技术, 其检测成本低和现场检测便利, 使其应用广泛 。
     超声波木材检测技术是木材检测中广泛应用的一种检测技术。目前应用超声波技术对木材缺陷进行检测的研究成果如下: K.A.McDonald 和R.G.Cox 对存在于木结构中的节子能检测出来. ;M.Patton-Mallory 和W.W.Wilcox 对木材结构中的腐朽缺陷可检测出来.; J.L.Sandoz 在野外实地检测中可以对木梁的强度进行评估.   吕立仁和陈兆斌用天津建筑仪器厂生产的HSC - 4 型超声波检测仪, 对大兴安岭樟子松、落叶松的心材及腐朽木材进行检测, 结果得出超声波检测木材, 从声速、振幅和频率均能反映出木材内部缺陷的存在及其位置。
     超声波木材检测技术取得了一定的进展, 由于木材本身的各向异性及其检测的复杂性, 应用超声波在木材缺陷检测的技术方面仍有很多技术需要进一步研究。
     在超声波非金属缺陷检测中, 木材检测是其中的一个具体的应用。由于超声波传播的特性, 在木材检测时使用的超声探头直径的大小、频率的高低、探头发射功率的大小以及探头在木材上的施测方向(在木材的轴向还是横截面上的径向和弦向施加探头) 等因素, 对测试结果都有影响, 检测所得的数据各有不同。下面就这一问题进行了探讨。
    2  超声探头直径参数对木材缺陷检测效果的影响
    超声波检测技术的优点之一是其指向性好, 有利于缺陷的检测与对缺陷的定性和定量检测。超声波的指向性与超声探头的半扩散角密切相关, 探头的半扩散角越小, 指向性也越好。超声探头的半扩散角与探头的直径成反比 。所以, 为了提高超声探头的指向性, 探头的直径在允许的条件下都做的尽量的大, 特别是非金属探头, 直径已达50mm。由于非金属超声探头的直径较大, 在对木材试件进行超声波检测时, 造成了接触面大而引起一些的问题。常用的木材试件一般为板材或原木, 截面尺寸有限。超声探头(直径5 cm) 与试件的端面为大面积接触, 会直接影响木材缺陷的定位。实验表明: 使用主频为50 kHz 超声探头, 产生的超声波能在木材轴向上传播很远的距离, 即使是在截面面积为1 cm² 正方形红松中传播的距离, 也长达200 cm , 且接收到的声波图形清晰可见; 而在径向传播的距离一般不大于10 cm , 超出这个距离, 信号就会淹没在噪声中难以辨别。这说明超声波在木材轴向传播时的能量衰减较小, 木材的轴向介质有利于超声波的传播。
     由于超声波在一个尺寸不大的介质中传播时,对声波传播的影响因素很多。其中, 声波探头直径的大小是一个重要影响因素。超声纵波平面探头的声场是一个圆盘形声源形成的复合声场, 圆盘声源上每一微元都可以看成单一点声源, 超声波是这些无数点声源叠加成的复频波(复合频率波)  。超声波是以波前为首的一系列不同相位波阵面组成的复频波。波前是一个不规则曲面, 面上的哪一点先与接收探头接触是无法得知的, 探头直径越大, 波前曲面与探头平面可接触点越多, 也就是说不确定因素越多。由此可见, 探头直径越小, 检测准确性越高。
     超声波检测技术是用首波声时和幅值判定缺陷。接收探头最先接收到的声波信号是探头接触平面上某一点最先到达的超声波波前信号, 形成超声仪接受的首波信号。后续波会与先期到达的波列叠加产生的叠加信号, 其中包含了木材内部的各种信息。由于后续波形成的复杂性, 对后续波形的分析就十分复杂, 这是超声波检测分析中以首波声时和幅值为首要判据的原因。
     在木材轴向实施超声波缺陷检测时, 波阵面要穿过木材中所有缺陷位置。由于木材轴向对超声波的衰减小, 声能通过木材没有缺陷的地方以较快的速度传播; 另外, 由于探头的接收面较大, 任意一点先期到达的波都会使接收探头得到激发并由此产生电信号。这样使缺陷检测的敏感性和定位的准确性降低。为提高检测的精度和准确性, 方法之一是使用灵敏度更高的直径更小的探头; 其二是减少接收探头与木材端面的接触面积, 如在探头前加圆锥形的前端, 减小波前与探头的接触面, 提高检测的准确性。
    3  超声波频率和波长参数对木材缺陷检测效果的影响
    木材缺陷的超声波检测属于非金属探测, 非金属与金属探测的区别之一是超声探头频率的不同。非金属探头主频率与金属探头的相比, 频率要小的多。因为组成金属材料的晶粒要比非金属的小得多, 高频声能在金属中传播的衰减小。金属几乎都是各向同性材料, 不受探头的检测方向的影响, 因而高频率的超声波适合缺陷的检测。而许多非金属材料是各向异性材料, 检测时探头的检测方向对检测结果各有影响。木材是各向异性的非金属材料。由于木材自身的生长特性和其含水量不同, 木材对超声波有明显的吸收作用, 声波信号在木材中衰减很快。为缺陷检测需要, 木材缺陷检测所使用的超声波平面探头的频率相对就低些。实验表明: 当频率小于20 kHz 时, 超声波的传播距离远, 有利于接收探头对信号的接收。有时为了提高对缺陷的检测分辨率, 也必须使用频率相对高一点的探头, 这时有必要加大探头的功率。超声波木材缺陷检测与其他非金属探伤一样, 被测物相当于一个对超声波的滤波器。由于超声波是一个有一定带宽的脉冲波, 是电脉冲产生的复频波, 包含了一系列不同频率成分余弦波分量, 主频就是超声波中幅值最大的波的频率 。由于超声波在传播时不同频率的波传播速度不同, 高频率的波传播速度高于低频率波的速度。另外, 频率高的波速有下降的趋势。因此超声波随着传播距离的增加, 主频率有向下漂移的现象, 称为频漂 。所以被检测木材的尺寸越大,接受到的波的主频就有降低的趋势, 检测木材使用的超声波频率不宜太低。
    在对某含水量的红松进行实测, 使用50 kHz超声平面纵波探头测得的传播速度约5 km/s。由于波速等于波长与频率的乘积, 计算出波长等于10 cm。所以根据波的衍射规律, 当缺陷等于或小于波长时, 会发生波的衍射现象, 即超声波绕过缺陷继续传播。在这种情况下, 10 cm 以下的缺陷对波的传播影响很小, 进而太小的缺陷也不易于被检测出来。
    用超声波对同一红松横截面缺陷施测时, 实验表明超声波在这一红松径向的传播速度约为116km/s , 其值约为轴向的1/3。这时同频率的超声探头对缺陷大小的敏感程度就大大提高了。
    理论上3 cm 以上的缺陷可以检测出来, 所以在木材缺陷检测中应该适当增加超声波木材在横截面上的检测。
    波长越短, 对缺陷的检测精度也越高。固定频率的探头, 当传播速度越小时, 波长也就越小, 对木材缺陷检测精度也就越高。同时, 木材对超声波信号的吸收也会增加, 所以超声波的频率的增加受到限制。也就是说, 波长的缩短也受到限制。资料显示, 木材检测的超声波频率范围为20~300 kHz。
    4  耦合剂的使用方法对木材缺陷超声波检测效果的影响
    超声检测无论是在金属探伤领域, 还是在非金属检测领域, 耦合剂是不可缺少的。由于非固体物质只能传播纵波的性质, 耦合剂的使用不仅使超声波能很好的传播, 还可以避免横波对检测的干扰。
    木材是固体物质, 由于其弹性摸量小, 强度和硬度都低, 检测时虽需要耦合, 但耦合方式可以多样。在基于平面探头的锥型前端可以钉入木材中(无论是在轴向还是横断面上的径向或弦向) , 在这种情况下, 木材与探头的圆锥体紧密接触。如果木材是新鲜的(活立木或是采伐后不久的) , 还有木浆在木材与探头的圆锥体间, 这样很好地解决了检测中的耦合问题。在木材检测时, 如果不使用上述方法(探头的圆锥体和木材间耦合) , 而用平面探头与木材间施加耦合剂的方法检测, 会大量使用耦合剂(黄油或凡士林) , 这样一是造成环境的污染,二是增加了检测的烦琐性, 所以耦合剂的使用往往是不方便的。
     在木材的检测中发现, 如用厚度小于0.25 mm类橡皮物的软橡胶代替隔离剂, 检测结果好于用凡士林作耦合剂时的效果。在实测中, 用凡士林和软橡胶垫分别做偶合剂进行对比实验, 得出用厚度0.25 mm 软橡胶做耦合剂时接收的信号强度比凡士林做耦合剂时接收信号强度高5 dB。
     用软橡胶这种材料代替耦合剂, 可以使超声探头与被测物很好的连接; 既排除接触物间的气体这种声阻抗非常小的物质, 又使超声波在传播的过程中衰减较小, 满足了检测的需求, 使检测变得方便、干净。橡胶材料赋有弹性密度小、十分耐用且浪费小, 可见软橡胶适合作木材无损检测的耦合剂。
     5  结束语
    通过对超声波木材缺陷检测的理论分析、实验以及研究的结果表明:
    (1) 缩小超声探头与木材试件端部的接触面积, 可提高木材缺陷的检测精度。
    (2) 选用适当频率和波长的超声探头可提高对缺陷检测的准确性。
    (3) 用软橡胶垫作耦合剂, 可以使超声探头与被测物很好地连接, 使检测更为方便、干净。橡胶垫可重复使用, 节约检测成本。用超声波进行木材缺陷检测的研究, 虽然取得了很多成果, 仍然需要进行更深入的研究, 如超声波的一发多收的研究和超声波二维或三维检测图象的生成和显示, 都需要继续研究发展。
       作者:于文勇, 王立海, 杨慧敏, 张希栋
          (东北林业大学, 哈尔滨 150040)