应力波断层扫描法在立木检测方面的研究现状

路程琳，何宇航，谢雨宏，刘依萍，刘嘉仪，王 正

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

立木作为地球上重要的可再生资源，起到了提供建筑和装饰材料、满足能源需求等作用，与人类发展息息相关。中国在拥有如此丰富的森林资源以及天然林保护政策下，如何充分利用好森林资源，提高立木的利用价值，成为了林业科研工作者致力解决的重要课题之一。木材的无损检测技术便是从源头对林木内部品质进行判断的方法，是提高木材利用率的重要手段之一。

无损检测技术能实现非破坏性检测，对木材样本和原木的连续性、安全可靠性及其他的物理性能进行评价。相比于传统仪器及人工法对木材性质和缺陷的检测，木材无损检测技术能攻克检测时间长、条件苛刻、稳定性差以及准确度低等难题。目前，很多发达国家十分重视木材无损检测技术，将X射线、激光、超声波、红外线、电磁波、应力波等众多技术应用于对木材力学性质、物理性质以及木材内部缺陷等多方面的检测，研究和完善了多种无损检测技术，取得了较好的成果[1-6]。应力波无损检测能直观地反应木材内部的材质情况、提高木材的利用率，是木材无损检测的重要手段。

应力波无损检测技术能直观地反映木材内部材质情况、提高木材利用率，是木材无损检测的重要手段之一。对比其他无损检测技术，应力波技术具备传播距离远、抗干扰能力强、不使用耦合剂、设备轻巧便于携带等优势，因此近年来备受青睐，并在木材工业领域获得了较多研究成果及广泛应用。本文重点介绍了近20年国内外对立木应力波无损检测方面的研究现状，并对成果进行总结分析，在此基础上提出一些思考与建议，以期为我国立木应力波无损检测技术的发展提供参考。

1 国内外木材应力波无损检测技术的研究现状

1.1 国内木材应力波无损检测技术的研究现状

近年来，国内的相关研究人员一直致力于木材应力波无损检测技术的相关研究，并且取得了较多成果。研究着重于古建筑木结构的无损检测，活立木与原木品质检测与评价等。此外，采用多种无损检测方法对比分析，总结出在实际工程运用中，应力波无损检测技术的优势与不足。

2002年，段新芳[7]等利用对青海和西藏一些古建筑进行维护和维修的机会，针对布达拉宫落叶松和罗布林卡杨树的古建筑木构件的腐烂和虫蛀情况，采用了横向应力波技术检测的方法进行研究。利用了纵向应力波技术对青海塔尔寺大金瓦殿的三层檩条等五种不同木构件进行了研究测定。研究结果发现，当木材发生了腐朽、虫蛀等情况时，垂直于木材纹理方向的传播速度会急速增加。2008年，李华[8]等将三维应力波断层扫描仪和阻抗仪相结合，对某建筑维修工程替换下来的木立柱进行检测，结合得到的图像并进行分析。结果表明了两种木材无损检测方法测量缺陷位置基本一致，均适用于古建筑木构件的检测。两者相结合之后，既克服了应力波断层扫描对缺陷种类判断不明确的缺点，也避免了阻抗仪图形处理过程工作量大等不足。2013年，向见[9]等应用应力波技术对香樟树进行检测，选用了单路径声频的应力波测定方法。研究发现，由于不同香樟树的木材材质密度不同，应力波在香樟树内部的传输速度就有很大的变化，因此以目前的成像算法可能会产生较大误差。同年，刘艳贞[10]等采用应力波检测法检测活立木的木材性质，确定了合理的营林措施。结果表明，采用应力波法检测活立木的内部缺陷，可有效地进行森林间伐，保证了活立木的优质质量。2014年，戴俭[11]等针对山西省长子县成汤王庙的实践工程，利用应力波断层扫描以及阻抗仪对其进行综合性的无损检测，对比分析建筑柱体，梁等构件的残损类型以及程度，为之后的修缮和加固工作提供方法指导。同年，葛晓雯[12]等为了进行旱柳的内部缺陷检测试验，利用应力波检测和阻抗仪检测技术等两种方法分别试验。研究发现，应力波图像可相对直观地展现出被测横截面腐朽的分布情况，阻力曲线能准确地反映出沿测试方向上材质的密度分布，而且腐朽区域相对应的阻力曲线也有着明显的变化特点。2015年，刘丰禄[13]等对人工林活立木采用了应力波无损检测技术，研究指出了原木的弹性模量和原木的应力波传播时间均与活立木应力波的传播时间有明显的线性关系。同年，刘泽旭[14]使用应力波测试仪对红松活立木进行试验研究，结果表明了应力波在木材内部的传播速度与木材质量的损失率之间有着较明显的负相关关系(R=0.698，P<0.01)，所以应力波波速可以清晰地体现出活立木的木材质量损失率，说明该方法能有效地检测活立木的腐朽程度。赵秀[15]等使用应力波对樟子松的物理性能进行测试，研究指出了应力波检测法测定的弹性模量与国家现行标准的破坏性试验测定的弹性模量之间，有着很显著的线性关系。2016年，戴俭[16]等利用应力波和阻抗仪对古建筑木构件常用树种杨木和榆木在不同缺陷类型和不同缺陷面积下进行试验，并基于Shapley值对构件内部缺陷进行分析。2017年，焦治[17]等采用应力波技术对含水率不同的柳杉和含空洞的乌桕进行试验，总结出ECIA算法能产生较为准确的林木断层图像，适用于林木的应力波无损检测方法。欧华坤[18]等进行了应力波的木材检测试验，总结出该试验成败的关键在于是否可以准确地测量出应力波的传播时间和求取收、发传感器之间的时间差。由于应力波在木材中的传播时间为微秒级的，直接测量难度较大，而虚拟仪器微秒计正好克服了这点，所以能够最大限度地获得准确的时间值，从而提高了对最终速度值的计算精确度，在一定程度上达到了预期的二维重建图像的效果。2018年，杨启格[19]等利用应力波对有无缺陷的两种木材进行试验研究，利用小波分析对检测到的应力波数据进行去噪处理。结论表明了木材在有无缺陷情况下的内部应力波传播频率的不同，可以判断出木材的内部是否有缺陷。相比人工的检测方法，基于小波变换的应力波检测方法是可行且有效。赵秀[20]等研究发现了应力波技术作为指接规格材的抗弯性能检测和预测的手段，能够补充目测法和机械应力法等两种方法的不足之处。2019年，张艳霞[21]等采用应力波技术和阻抗仪技术对木构件进行检测，可以有效地测定古建筑木构件的腐朽和虫蛀等残损的情况。2020年，孙丽萍[22]等对应力波检测技术进行总结分析，指出了各影响因素对应力波传播速度影响规律的量化并引入到了数学模型中的过程是十分艰难的，因此搭建完善的多参数应力波传播的速度模型还有许多工作要做。程丽婷[23]等使用应力波对落叶松进行了试验，得出了结论在落叶松的木材含水率未达到临界纤维饱和点的时候，木材的材性随着含水率的增大而急剧下降；在木材含水率大于临界纤维饱和点时，木材的材性随着含水率的增大下降幅度较小。

1.2 国外木材应力波无损检测技术的研究现状

国外的应力波无损检测技术研究初始较早，但近些年的相关研究较少，主要用来检测活立木内部缺陷，强度，弹性常数等随着外部因素变化的规律，并在此基础上建立理论模型，以预测立木未来的变化。

2010年，Adil[24]等通过对道格拉斯冷杉横截面应力波传播的试验，指出了应力波波速的传播具有很明显的差异性，并且与材料在横截面上的旋转角度有一定的关联。速度随着取向角的增大而减小，这可以用木材的各向异性来解释。研究表明，在杆状和片状木材上测量的速度之间存在显著差异。片状木材中的速度比杆状木材中的速度快，这说明波沿曲线路径进行传播，而且含水率对传播速度也有显著影响，但是密度梯度对传播速度似乎并没有影响。2014年，Guanghui Li[25]等采用应力波对黑樱桃树的波速模式和内部衰变进行检测分析，根据试验数据得出了健康树中应力波速度的理论模型，并利用试验数据检验了12棵黑樱桃树的横截面的波速模式。理论分析数据表明，切线速度与径向速度的比例近似于对称轴的抛物线曲线，经由本试验结论中的理论速度模型可用作检测活立木内部衰变的诊断工具。2017年，Ruy A.Sá Ribeiro[26]等利用应力波计时器(SWT)的轴向声波振动对竹子结构的弯曲强度进行了无损检测，确定了竹子的含水量、密度(按体积分)和弯曲强度等特性。根据试验的多项数据，MOE 值可用于确定高可信度的全尺寸竹子 CULM MOR(r2=0.83)。竹子密度可用于确定其 MOR、MOE 和 Ed具有合理的可信度(r2分别为0.66、0.62和0.77)。此外，全尺寸竹子CULM Ed可用于以合理的可信度预测其 MOR 和 MOE(r2分别为0.70和0.62)。为了更好的使用MOE值来预测全尺寸竹种的可行性，应该通过对大、中、小直径不同竹种的进一步检测验证。同年，María等应用应力波对木材弯曲弹性模量的横截面的变化进行评价，结果表明不同深度的声波探针插入一块木材进行测试，能更好地预测静态弹性模量。将该方法与间接超声波测试方法获得的结果进行比较表明，运用新程序能大大提高对弹性静态模态的预测能力(r为20.94 和 0.91 之间)，这取决于测试件的类型[27]。2018年，Chiew Loon Goh[28]等为了检测活立木中的木材腐烂程度，采用了多种方法包含电阻、核磁共振、微波、声学等进行检测。结论表明，ER 和声学断层扫描技术的检测需要根据树的直径和图像分辨率进行多次测量，且需要在树上打孔，因此对活立木的危害更大。微波和 NMR的非接触传感器配置更适用于树木衰变检测，其设备的传感信号都很容易穿过树皮，不会受到空气缝隙的阻碍。然而，微波或NMR对活立木的腐烂的检测技术仍然处于起步阶段，还有很多的问题亟待解决。

2 结论

立木作为一种对人类不可或缺的资源，广泛运用于结构建筑，包装运输，室内装饰装修等领域。应力波无损检测技术以其检测时间短、运行条件低、稳定性好以及准确度高等特点，广泛运用在立木的检测方面。目前国内研究者针对立木的内部缺陷的定位与分析做了大量的研究，从试验的角度证明了该技术的可行性和未来进一步发展的潜力。而国外学者则在试验的基础上，建立了相应的理论模型，以预测立木内部缺陷，材料常数的变化等。为了进一步提高我国应力波无损检测技术的发展，为应力波检测提供技术支撑，国内科研工作者应该进一步注重理论模型的建立，探讨新的成像算法与信号采样方法，以解决重建图像中对缺陷边缘、凹型缺陷等方面还原度不高，成像精度不稳定等问题。此外，将应力波技术和其他无损检测技术相结合，对比分析以对立木内部缺陷进一步探索。