Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Охрана и защита, обустройство, индикация и тести-рование природной среды. Сборник статей студентов, аспирантов и преподавателей: Научно-учебное издание

Мазуркин П. М.,

УЛЬТРАЗВУК ЧЕРЕЗ УБЫВАЮЩУЮ ДЛИНУ ОСТАТКОВ ОТ СТАНДАРТНОГО ОБРАЗЦА ДРЕВЕСИНЫ ЕЛИ (Е. Б. Темнова, соискатель)

Масштабный фактор длины прохождения ультразвука частотой 60 кГц вдоль волокон, в частности, изготовленных отпиливанием отрезков от одного стандартного образца 20 20 300 мм, позволяет повысить эффективность применения способа неразрушающего ультразвукового испытания деталей древесных изделий, в частности, музыкальных инструментов. 

Таблица 1

Табличная модель с вычетом времени на конусные насадки 15,6 мкс, акустическая константа , плотность  кг/м³ 

В ультразвуковых испытаниях древесины применяют стандартный образец в форме прямоугольного бруска размерами 20 ×20 ×300 мм, например по [1]. Однако, в современных научно-производственных условиях требуется испытание древесины проводить на образцах древесины малой длины, например в производстве музыкальных инструментов.[4]. В большинстве случаев при их изготовлении используется резонансная древесина ели, причем детали инструментов могут иметь длину по волокнам менее 300 мм [2].

Цель статьи - показать закономерности с волновыми составляющими и выявить влияние нарастающей длины отрезков от стандартного образца на акустические показатели древесины вдоль волокон при прохождении ультразвуковых колебаний (УЗК).

Результаты испытаний по отрезкам от стандартного образца из древесины ели 20× 20× 300 мм приведены в данных таблицы 1.

Здесь плотность по остаткам убывающей длины не измерялась. Поэтому показатель акустической константы вычислялся по средней плотности всего стандартного образца из древесины ели.

Объясняющей переменной становится длина L остатка от стандартного образца по его длине, то есть вдоль волокон. Показателями были приняты следующий ряд зависимых факторов (табл. 1):

1) время УЗК  без учета потерь времени на конусные насадки № 2;

2) время прохождения УЗК t через конусные насадки на датчиках с вычетом на преодоление конусных насадок в 15,6 мкс;

3) скорость ультразвука C как отношение пути L ко времени УЗК t на прохождение образца древесины вдоль волокон (без конусных насадок) при C = L / t;

4) акустическая константа K как отношение скорости УЗК C к постоянной для всего стандартного образца плотности  древесины ели, то есть .

Время УЗК без учета насадок. При ускоренных испытаниях древесины можно не учитывать потери времени на прохождение УХК через две конусные насадки, устанавливаемые на излучателе и приемнике. Для этого случая была получена формула (рис. 1) вида

,         (1)

получившая коэффициент корреляции 0,9992.

Рис. 1. изменение времени УЗК без учета насадок по убывающей длине остатков
от стандартного образца длиной 300 мм

Первая часть модели (1) показывает экспоненциальный рост показателя с увеличением длины озвучивания. Вторая составляющая характеризует физико-акустический эффект, заключающийся в стрессовом возбуждении клеток древесины вдоль волокон на длинах озвучивания примерно от 50 до 160 мм.

Время УЗК с учетом насадок. С аналогичным коэффициентом корреляции 0,9992 была получена закономерность (рис. 2) вида

.          (2)

Максимальный остаток больше 1,3 мкс, что в 1,3 / 0,05 = 26 раз больше погрешности измерений на приборе «Пульсар-1.0». Поэтому остатки могут быть промоделированы волновой функцией. Однако показатель t лучше применять при образцах одинаковой длины.

Рис. 2. Изменение времени УЗК от убывающей длины остатков от стандартного образца

Скорость ультразвука. Длина образцов разная, по мере убывания остатков от стандартного образца, поэтому лучше всего подходит для индикации параметр скорости ультразвука (рис. 3 и рис.4).

Рис. 3. Основной тренд скорости УЗК от убывающей длины остатков

Рис. 4. Колебание скорости УЗК от убывающей длины остатков стандартного образца

После совместной идентификации двух частей модели было получено уравнение (рис. 5) вида

,                  (3)

, ,

,

,

где A - амплитуда (половина) колебательного резонансного возмущения гирлянд клеток древесины вдоль годичных слоев древесины ели, м/с; p - период (половина) волнового возмущения клеточных структур древесины ели на остатках от стандартного образца, мм.

Как видно из графика на рисунке 4а, возмущение скорости УЗВ получает колебательный характер на длинах остатков до 250 мм. За эти пределом волновой составляющей модели (3) можно пренебречь и воспользоваться только трендом (рис. 3а) по формуле

.                      (4)

Рис. 5. График модели (3) скорости УЗК от длины остатков стандартного образца

Акустическая константа древесины. Она была вычислена при постоянной плотности древесины стандартного образца (рис. 6).

Рис. 6. Акустическая константа от убывающей длины остатков стандартного образца
при постоянной плотности древесины ели по всей длине в 300 мм

Поэтому повторяет формулу скорости ультразвука по формуле

.                     (5)

Таким образом, для испытаний древесины ели в растущем состоянии можно применять четыре акустических показателя при следующих условиях:

1) время УЗК при образцах постоянной выбранной длины, с учетом масштабного фактора сравнивая со стандартными образцами древесины диной 300 мм, считая при этом плотность древесины во всех образцах постоянной физической величиной;

2) скорость УЗК на образцах разной длины, но также принимая плотность древесины во всех образцах равной длины постоянной;

3) плотность древесины нужно измерять на остатках и отрезках от принятых для индикации окружающей данной дерево внешней среды (условий местопроизрастания), если применяются производные от скорости ультразвука и плотности древесины по пути озвучивания показатели - акустическая константа и акустическое сопротивление.

Литература

1. ГОСТ 16483.31-74. Резонансный метод определения модулей упругости и сдвига и декремента колебаний. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 8 с.
2. Мазуркин, П.М. Динамичность показателей прохождения ультразвука через прямоугольные образцы древесины ели разной длины / П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова, // Казанская наука. - № 2. - 2010. - Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2010. - С.20-25.
3. Пат. 2334984 Российская Федерация, МПК G01N33/46 (2006.01). Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины / Мазуркин П.М., Темнова Е.Б. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - №2006126506/12; заявл. 20.07.2006; опубл. 27.09.2008.
4. Темнова, Е.Б. Применение ультразвука в определении резонансных свойств древесины поленьев / Е.Б. Темнова // Успехи современного естествознания. - 2009. - № 8. - С. 8-15.
5. Темнова, Е.Б. Время распространения ультразвуковых колебаний через конусные насадки в эталонном образце из оргстекла / Е.Б. Темнова, П.М. Мазуркин // Казанская наука. - № 1. - 2010. - Казань: Изд-во Казанский Издательский Дом, 2010. - С.23-28.