Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

УЛЬТРАЗВУК ЧЕРЕЗ НАРАСТАЮЩУЮ ДЛИНУ ОТРЕЗКОВ 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.

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).

Все измерения были выполнены на одном стандартном образце из древесины ели ультразвуковым прибором «Пульсар-1.0» при пяти повторах, а затем отпиливался отрезок длиной около 50 мм (рис. 1).

1

Рис. 1. Схема раскроя стандартного образца ели (1...13 - номера отрезков)

После этого остаток длиной 250 мм и отрезок длиной 50 мм снова озвучивали. Так продолжали отпиливать от остатка образца отрезки убывающей длины и измерять время прохождения ультразвука с частотой 60 кГц на датчиках.

Контакт датчиков (излучатель и приемник) прибора «Пульсар-1.0» при плоской поверхности требует высокого качества поверхности торцов остатков и отрезков от стандартного образца. Поэтому, по нашему патенту [3], применяли конусные насадки № 2 (рис. 2) [5], устанавливаемые на датчики (излучатель и приемник). Датчик от «Пульсар-1.0» в таблице 1 показан под № 0. Он имеет плоскую контактную поверхность. Для неплоских поверхностей образца из древесины соприкосновение должно быть точечным. При тарировке время  (микросекунды) через стандартный образец измерялось с тремя повторами.

j 

Рис. 2. Конусная насадка № 2 на датчик прибора «Пульсар-1.0»

Таблица 1

Время УЗК, мкс

Излу-чатель

Приемник

№ 0

№ 2

№ 0

62,7

69,8

62,7

69,7

62,8

69,8

№ 2

70,2

78,3

70,0

78,3

70,1

78,3

 

Сравнение показало, что длина конус-ной насадки более 35-40 мм удобнее в эксплуатации и не мешает измереням на неровной поверхности бесформенных образцов. Для сертификации древесины в виде поленьев по патенту № 2334984 [3] удобен угол в 420 у одинаковых насадок на излучателе и приемнике. Среднее время УЗК равно для датчика № 0 (62,7 + 62,7 + 62,8) / 3 = 62,73 мкс, а с насадками № 2 - 78,30 мкс. Разница 15,6 мкс будет потерей времени на насадки № 2 при испытании древесины вдоль волокон.

Результаты испытаний по отрезкам от стандартного образца 20× 20× 300 мм из древесины ели приведены в таблице 2. Общая длина всех отрезков равна 292 мм и на все 12 пропилов приходится 8 мм.

Оказалось, что погрешности измерения длины в ±0,05 мм (цена деления по [1] в 0,1 мм) и отсчета времени УЗК на приборе «Пульсар-1.0» в ±0,05 мкс (цена деления 0,1 микросекунды) позволяют уловить физический эффект - биотехническое возбуждение омертвевших клеток древесины при акустическом резонансе и росте потерь времени на малых длинах образцов. Этот новый физико-акустический эффект можно будет применять при изучении клеточных структур древесины, например, вдоль по годичным слоям с учетом параметров дерева.

Показателями были приняты следующий ряд зависимых факторов (табл. 3):

Таблица 2

Отрезки после отпиливания от стандартного образца

п/п

Длина

отрезка, мм

Время прохожденияУЗК

(по повторам), мкс

теорет.

фактич.

1

2

3

4

5

1

0

0

-

-

-

-

-

2

50

49,8

33,3

33,3

33,4

33,2

33,3

3

50

49,2

33,0

33,1

33,2

33,1

33,1

4

40

39,1

30,8

30,9

30,8

30,9

30,8

5

40

39,5

31,0

30,9

31,0

30,9

31,0

6

20

19,0

27,2

27,2

27,3

27,1

27,2

7

20

19,2

28,0

28,1

28,0

28,1

28,0

8

20

20,3

27,6

27,6

27,6

27,5

27,7

9

20

18,5

27,2

27,2

27,3

27,2

27,3

10

10

9,6

25,9

25,9

25,8

25,8

25,9

11

10

9,1

25,6

25,7

25,6

25,7

25,8

12

10

8,4

25,4

25,5

25,5

25,5

25,5

13

5

6,0

24,0

24,0

24,0

24,0

24,0

 

Плотность ρ  древесины по отрезкам (табл. 4), кг/м3; время прохождения УЗК t ; скорость ультразвука C как отношение C = L / t; акустическая константа K как отношение 2; акустическое сопротивление 2.

Таблица 3

Табличная модель физико-акустических показателей древесины ели
по отрезкам от стандартного образца (
ГОСТ 16483.31-74)

п/п

Нарастающая длина

образца

x , мм

Длина

отрезка

Lот, мм

Время УЗК

t, мкс

Скорость УЗК

C, м/с

Плотность древесины

ρ, кг/м3

Акусти-ческая константа

K, м4/(кг с)

Акустическое сопротивление

Ω, 105 кг(м2 с)

1

300.0

49.8

17.7

2813.6

420.2

6.70

11.823

2

250.2

49.2

17.4

2827.6

411.8

6.87

11.644

3

200.3

39.1

15.2

2572.4

420.5

6.12

10.817

4

160.6

39.5

15.4

2564.9

416.7

6.16

10.688

.5

120.4

19.0

11.6

1637.9

416.0

3.94

6.814

6

100.7

19.2

12.4

1548.4

425.2

3.64

6.584

7

80.9

20.3

12.0

1691.7

428.9

3.94

7.256

8

59.9

18.5

11.6

1594.8

413.0

3.86

6.587

 

 

 

 

 

 

 

 

58

100.7

19.2

12.4

1548.4

425.2

3.64

6.584

59

80.9

20.3

12.1

1677.7

428.9

3.91

7.196

60

59.9

18.5

11.7

1581.2

413.0

3.83

6.530

61

40.7

9.6

10.3

932.0

389.9

2.39

3.634

62

30.5

9.1

10.2

892.2

337.9

2.64

3.015

63

20.7

8.4

9.9

848.5

400.2

2.12

3.396

64

11.6

6.0

8.4

714.3

436.0

1.64

3.114

65

5.0

4.3

8.9

483.1

417.8

1.16

2.019

Все наблюдения, без их группировки и последующего усреднения, учитывались при моделировании в программной среде CurveExpert-1.38. Объясняющей переменной становится нарастающая длина x (см. рис. 1) отрезков от стандартного образца.

Таблица 4

Плотность древесины по отрезкам от образца

п/п

Длина,

мм

Ширина,

мм

Тол-

щина,

мм

Объем,

мм3

Масса,

г

Плот-

ность,

кг/м3

1

49,6

20,1

20,2

20138,59

8,463

420,2

2

49,3

20,3

20,2

20215,96

8,324

411,8

3

39,1

20,1

20,0

15718,20

6,610

420,5

4

39,4

20,3

20,0

15996,40

6,666

416,7

5

18,9

20,4

20,1

7749,76

3,224

416,0

6

19,0

20,6

19,9

7788,86

3,312

425,2

7

19,5

20,1

20,0

7839,00

3,362

428,9

8

18,2

20,0

20,1

7316,40

3,022

413,0

9

9,9

19,9

20,1

3959,90

1,544

389,9

10

10,3

20,0

19,9

4099,40

1,385

337,9

11

8,4

19,8

19,8

3293,14

1,318

400,2

12

5,1

20,0

19,7

2009,40

0,876

436,0

13

4,4

19,9

19,3

1689,91

0,706

417,8

 

Плотность древесины [2] - переменная величина вдоль ствола у дерева. График на рисунке 3 показывает изменение длины отрезка в зависимости от нарастающей их длины.

Наличие волновой составляющей показывает поведение экспериментатора при разделке стандартного образца на отрезки. Из-за этого плотность древесины также изменяется с колебательным возмущением от длины отрезка [2].

1

Рис. 3. Изменение длины отрезка от расстояния вдоль стандартного образца

Два члена имеют уравнение изменения плотности древесины вдоль стандартного образца (рис. 4) по формуле экспоненциального спада (по первой составляющей) и успокаивающего волнения (вторая часть)

2,                (1)

2, 2,

2,

2.

2

Рис. 4. Изменение плотности древесины от стандартного образца по его длине

На расстоянии x от 10 до 65 мм, то есть по отрезкам № 8-12 по схеме на рисунке 1, ясно виден физико-акустический эффект, по-видимому, связанный с активным влиянием на прохождение УЗК клеточных структур древесины вдоль волокон.

В дальнейших опытах нужна ориентация стандартного образца относительно комля дерева.

График на рисунке 5 показывает тренд времени УЗК

f,             (2)

с коэффициентом корреляции 0,9394 и остатки от него

p

Рис. 5. Изменение времени УЗК от нарастающей длины стандартного образца

Даже при переменной длине отрезков от стандартного образца скорость УЗК также получила показательный закон (рис. 6) по формуле

2.           (3)

Из графика на рисунке 6б видно, что остатки т формулы (3) располагаются, по сравнению с рисунком 5б, строго по волновой закономерности. Поэтому можно допустить, что скорость УЗК может применяться для изучения свойств древесины вдоль ствола лесного дерева.

p

Рис. 6. Изменение скорости УЗК от нарастающей длины стандартного образца

Акустическая константа (рис. 7) изменяется по формуле вида

2.                      (4)

[ 

Рис. 7. Изменение акустической константы от нарастающей длины стандартного образца

В формуле (4) появилась компонента экспоненциального торможения показательному росту. Этот факт доказывает, что стандартная длина 300 мм для ультразвуковых испытаний [1] выбрана правильно, однако акустическая константа снижается как с уменьшением длины испытуемого образца, так и с её увеличением свыше 300 мм. Поэтому для изучения акустических свойств вдоль ствола растущего дерева нужно учитывать масштабный фактор.

Акустическое сопротивление (рис. 8) получает уравнение

2.     (5)

Сравнение показывает, что коэффициенты корреляции формул (4) и (5) почти одинаковы и равны, соответственно - 0,9730 и 0,9709. при этом график на рисунке 8б ровнее по волне изменения в сравнении с графиком на рисунке 7б.

p

Рис. 8. Акустическое сопротивление от нарастающей длины стандартного образца

Этот факт показывает, что показатель акустического сопротивления древесины ели вдоль волокон может стать основным критерием при отборе древесины ели на корню.

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.

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074