應用在木材缺陷的無損檢測技術很多, 如微波技術、激光技術、X - 射線技術、核磁技術以及基于聲與超聲的應力波技術。由于受檢測成本和野外檢測等因素的影響, 微波技術、激光技術、X - 射線技術以及核磁技術在使用中都有不足之處; 而超聲波檢測技術, 其檢測成本低和現場檢測便利, 使其應用廣泛 。

     超聲波木材檢測技術是木材檢測中廣泛應用的一種檢測技術。目前應用超聲波技術對木材缺陷進行檢測的研究成果如下: K.A.McDonald 和R.G.Cox 對存在于木結構中的節子能檢測出來. ;M.Patton-Mallory 和W.W.Wilcox 對木材結構中的腐朽缺陷可檢測出來.; J.L.Sandoz 在野外實地檢測中可以對木梁的強度進行評估.   呂立仁和陳兆斌用天津建筑儀器廠生產的HSC - 4 型超聲波檢測儀, 對大興安嶺樟子松、落葉松的心材及腐朽木材進行檢測, 結果得出超聲波檢測木材, 從聲速、振幅和頻率均能反映出木材內部缺陷的存在及其位置。

     超聲波木材檢測技術取得了一定的進展, 由于木材本身的各向異性及其檢測的復雜性, 應用超聲波在木材缺陷檢測的技術方面仍有很多技術需要進一步研究。

     在超聲波非金屬缺陷檢測中, 木材檢測是其中的一個具體的應用。由于超聲波傳播的特性, 在木材檢測時使用的超聲探頭直徑的大小、頻率的高低、探頭發射功率的大小以及探頭在木材上的施測方向(在木材的軸向還是橫截面上的徑向和弦向施加探頭) 等因素, 對測試結果都有影響, 檢測所得的數據各有不同。下面就這一問題進行了探討。

    2 　超聲探頭直徑參數對木材缺陷檢測效果的影響

    超聲波檢測技術的優點之一是其指向性好, 有利于缺陷的檢測與對缺陷的定性和定量檢測。超聲波的指向性與超聲探頭的半擴散角密切相關, 探頭的半擴散角越小, 指向性也越好。超聲探頭的半擴散角與探頭的直徑成反比 。所以, 為了提高超聲探頭的指向性, 探頭的直徑在允許的條件下都做的盡量的大, 特別是非金屬探頭, 直徑已達50mm。由于非金屬超聲探頭的直徑較大, 在對木材試件進行超聲波檢測時, 造成了接觸面大而引起一些的問題。常用的木材試件一般為板材或原木, 截面尺寸有限。超聲探頭(直徑5 cm) 與試件的端面為大面積接觸, 會直接影響木材缺陷的定位。實驗表明: 使用主頻為50 kHz 超聲探頭, 產生的超聲波能在木材軸向上傳播很遠的距離, 即使是在截面面積為1 cm² 正方形紅松中傳播的距離, 也長達200 cm , 且接收到的聲波圖形清晰可見; 而在徑向傳播的距離一般不大于10 cm , 超出這個距離, 信號就會淹沒在噪聲中難以辨別。這說明超聲波在木材軸向傳播時的能量衰減較小, 木材的軸向介質有利于超聲波的傳播。

     由于超聲波在一個尺寸不大的介質中傳播時,對聲波傳播的影響因素很多。其中, 聲波探頭直徑的大小是一個重要影響因素。超聲縱波平面探頭的聲場是一個圓盤形聲源形成的復合聲場, 圓盤聲源上每一微元都可以看成單一點聲源, 超聲波是這些無數點聲源疊加成的復頻波(復合頻率波)  。超聲波是以波前為首的一系列不同相位波陣面組成的復頻波。波前是一個不規則曲面, 面上的哪一點先與接收探頭接觸是無法得知的, 探頭直徑越大, 波前曲面與探頭平面可接觸點越多, 也就是說不確定因素越多。由此可見, 探頭直徑越小, 檢測準確性越高。

     超聲波檢測技術是用首波聲時和幅值判定缺陷。接收探頭最先接收到的聲波信號是探頭接觸平面上某一點最先到達的超聲波波前信號, 形成超聲儀接受的首波信號。后續波會與先期到達的波列疊加產生的疊加信號, 其中包含了木材內部的各種信息。由于后續波形成的復雜性, 對后續波形的分析就十分復雜, 這是超聲波檢測分析中以首波聲時和幅值為首要判據的原因。

     在木材軸向實施超聲波缺陷檢測時, 波陣面要穿過木材中所有缺陷位置。由于木材軸向對超聲波的衰減小, 聲能通過木材沒有缺陷的地方以較快的速度傳播; 另外, 由于探頭的接收面較大, 任意一點先期到達的波都會使接收探頭得到激發并由此產生電信號。這樣使缺陷檢測的敏感性和定位的準確性降低。為提高檢測的精度和準確性, 方法之一是使用靈敏度更高的直徑更小的探頭; 其二是減少接收探頭與木材端面的接觸面積, 如在探頭前加圓錐形的前端, 減小波前與探頭的接觸面, 提高檢測的準確性。

    3 　超聲波頻率和波長參數對木材缺陷檢測效果的影響

    木材缺陷的超聲波檢測屬于非金屬探測, 非金屬與金屬探測的區別之一是超聲探頭頻率的不同。非金屬探頭主頻率與金屬探頭的相比, 頻率要小的多。因為組成金屬材料的晶粒要比非金屬的小得多, 高頻聲能在金屬中傳播的衰減小。金屬幾乎都是各向同性材料, 不受探頭的檢測方向的影響, 因而高頻率的超聲波適合缺陷的檢測。而許多非金屬材料是各向異性材料, 檢測時探頭的檢測方向對檢測結果各有影響。木材是各向異性的非金屬材料。由于木材自身的生長特性和其含水量不同, 木材對超聲波有明顯的吸收作用, 聲波信號在木材中衰減很快。為缺陷檢測需要, 木材缺陷檢測所使用的超聲波平面探頭的頻率相對就低些。實驗表明: 當頻率小于20 kHz 時, 超聲波的傳播距離遠, 有利于接收探頭對信號的接收。有時為了提高對缺陷的檢測分辨率, 也必須使用頻率相對高一點的探頭, 這時有必要加大探頭的功率。超聲波木材缺陷檢測與其他非金屬探傷一樣, 被測物相當于一個對超聲波的濾波器。由于超聲波是一個有一定帶寬的脈沖波, 是電脈沖產生的復頻波, 包含了一系列不同頻率成分余弦波分量, 主頻就是超聲波中幅值最大的波的頻率 。由于超聲波在傳播時不同頻率的波傳播速度不同, 高頻率的波傳播速度高于低頻率波的速度。另外, 頻率高的波速有下降的趨勢。因此超聲波隨著傳播距離的增加, 主頻率有向下漂移的現象, 稱為頻漂 。所以被檢測木材的尺寸越大,接受到的波的主頻就有降低的趨勢, 檢測木材使用的超聲波頻率不宜太低。

    在對某含水量的紅松進行實測, 使用50 kHz超聲平面縱波探頭測得的傳播速度約5 km/s。由于波速等于波長與頻率的乘積, 計算出波長等于10 cm。所以根據波的衍射規律, 當缺陷等于或小于波長時, 會發生波的衍射現象, 即超聲波繞過缺陷繼續傳播。在這種情況下, 10 cm 以下的缺陷對波的傳播影響很小, 進而太小的缺陷也不易于被檢測出來。

    用超聲波對同一紅松橫截面缺陷施測時, 實驗表明超聲波在這一紅松徑向的傳播速度約為116km/s , 其值約為軸向的1/3。這時同頻率的超聲探頭對缺陷大小的敏感程度就大大提高了。

    理論上3 cm 以上的缺陷可以檢測出來, 所以在木材缺陷檢測中應該適當增加超聲波木材在橫截面上的檢測。

    波長越短, 對缺陷的檢測精度也越高。固定頻率的探頭, 當傳播速度越小時, 波長也就越小, 對木材缺陷檢測精度也就越高。同時, 木材對超聲波信號的吸收也會增加, 所以超聲波的頻率的增加受到限制。也就是說, 波長的縮短也受到限制。資料顯示, 木材檢測的超聲波頻率范圍為20～300 kHz。

    4 　耦合劑的使用方法對木材缺陷超聲波檢測效果的影響

    超聲檢測無論是在金屬探傷領域, 還是在非金屬檢測領域, 耦合劑是不可缺少的。由于非固體物質只能傳播縱波的性質, 耦合劑的使用不僅使超聲波能很好的傳播, 還可以避免橫波對檢測的干擾。

    木材是固體物質, 由于其彈性摸量小, 強度和硬度都低, 檢測時雖需要耦合, 但耦合方式可以多樣。在基于平面探頭的錐型前端可以釘入木材中(無論是在軸向還是橫斷面上的徑向或弦向) , 在這種情況下, 木材與探頭的圓錐體緊密接觸。如果木材是新鮮的(活立木或是采伐后不久的) , 還有木漿在木材與探頭的圓錐體間, 這樣很好地解決了檢測中的耦合問題。在木材檢測時, 如果不使用上述方法(探頭的圓錐體和木材間耦合) , 而用平面探頭與木材間施加耦合劑的方法檢測, 會大量使用耦合劑(黃油或凡士林) , 這樣一是造成環境的污染,二是增加了檢測的煩瑣性, 所以耦合劑的使用往往是不方便的。

     在木材的檢測中發現, 如用厚度小于0.25 mm類橡皮物的軟橡膠代替隔離劑, 檢測結果好于用凡士林作耦合劑時的效果。在實測中, 用凡士林和軟橡膠墊分別做偶合劑進行對比實驗, 得出用厚度0.25 mm 軟橡膠做耦合劑時接收的信號強度比凡士林做耦合劑時接收信號強度高5 dB。

     用軟橡膠這種材料代替耦合劑, 可以使超聲探頭與被測物很好的連接; 既排除接觸物間的氣體這種聲阻抗非常小的物質, 又使超聲波在傳播的過程中衰減較小, 滿足了檢測的需求, 使檢測變得方便、干凈。橡膠材料賦有彈性密度小、十分耐用且浪費小, 可見軟橡膠適合作木材無損檢測的耦合劑。

     5 　結束語

    通過對超聲波木材缺陷檢測的理論分析、實驗以及研究的結果表明:

    (1) 縮小超聲探頭與木材試件端部的接觸面積, 可提高木材缺陷的檢測精度。

    (2) 選用適當頻率和波長的超聲探頭可提高對缺陷檢測的準確性。

    (3) 用軟橡膠墊作耦合劑, 可以使超聲探頭與被測物很好地連接, 使檢測更為方便、干凈。橡膠墊可重復使用, 節約檢測成本。用超聲波進行木材缺陷檢測的研究, 雖然取得了很多成果, 仍然需要進行更深入的研究, 如超聲波的一發多收的研究和超聲波二維或三維檢測圖象的生成和顯示, 都需要繼續研究發展。

       作者：于文勇, 王立海, 楊慧敏, 張希棟

          (東北林業大學, 哈爾濱　150040)