超声波检测在木材内部缺陷检测中的应用.doc

超声波技术及其应用报告

题目：超声波检测在木材缺陷检测中的应用

硕士研究生：
刘申

学 号：
12S108012
学科：
机电控制
报 告 日 期：
2013年 5 月31

超声波技术及其应用报告
摘 要
超声波是具有很高频率的机械波，其能量要远大于一般意义上的声波。随着超声波频率的增大，其粒子性逐渐增强。超声波具有方向性好、能量高、穿透能力强，并且表象出类似光波的折射和反射特性。利用这些优点，超声波被广泛应用于物体尺寸测量、内部缺陷检测以及组织结构的辨别，在材料无损检测、工件探伤和医疗上都有很广泛的应用。
表面完好的木材，其内部可能存在多种缺陷，如：孔洞、节子、裂缝、腐朽、腐变等。这种存在缺陷的树木很容易被风刮倒砸到居民屋顶造成人员和财产损失；同时很多历史建筑所使用的木质结构可能被虫子危害，及时发现这些有问题的木质结构就可以避免不必要的损失。由此可见这些缺陷不仅对木材的质量产生很大影响，对人们的自身安全也有很大威胁。
利用超声波进行木材结构的检测，不需要非常复杂的设备，成本低，只需对木材进行简单操作即可。木材是各项异性材料，其横向和纵向的物理性质有很大不同。而且木质细胞结构是大分子结构，沿生长方向成长条形。因此超声波在木材中的传播情况与在金属、复合材料中的情况有很大差别。
当木材中存在缺陷（比如孔洞）时，超声波会在缺陷区域界面上反射并绕行，增大了超声波的行程。超声波在木材中的衰减速度很快，因此缺陷的存在会引起接受超声波的各种参数的变化如：幅值、频率等。利用这些变化，我们可以判断出木材中孔洞存在的位置和空洞的大小。

关键词：超声波检测；木材缺陷；孔洞；木质结构；
目录
摘 要 I
目录 II
1.1 超声波检测 1
1.1.1 超声波概述 1
1.1.2 超声波检测 1
1.2 木材检测概述 2
1.2.1 木材检测的背景 2
1.2.2 木材无损检测的方法 2
1.3 国内外情况分析 3
1.3.1 国外情况 3
1.3.2 国内情况 4
1.4 超声波检测木材缺陷的原理 4
1.4.1 超声波检测的原理 4
1.4.2 超声波检测木材缺陷的基本原理 5
1.5 超声波检测系统与试件制备 5
1.6 检测过程 7
1.6.1 对试样的划分 7
1.6.2 传播曲线的绘制 7
1.6.3 空洞缺陷大小对原木横截面内超声波传播场的影响 9
1.7 基于超声波传播场的原木横截面二维缺陷辨识图 11
结论 13
参考文献 14

I
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14
- -
1.1 超声波检测
1.1.1 超声波概述
超声波是指超声波是频率高于20千赫兹的声波，它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量。超声波的波长很短，因此超声波的粒子性比一般声波明显的多。它能像光波一样沿一定的方向进行传播，对于大多数介质具有很强的穿透能力，比如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。由于超声波的工作频率远高于一般声波，超声波具有远大于声波的能量。超声波在两种不同介质中传播时，能像光波一样在界面发生反射、折射和波型转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。 超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体界面上产生强烈的冲击产生“空化现象”从而引出了“功率超声应用技术”例如“超声波清洗”、“超声波钻孔”、“超声波去毛刺”（统称“超声波加工”）等。利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。
1.1.2 超声波检测
利用超声波在物体中的多种传播特性：例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛的一种重要的无损检测技术。例如用于医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定等。
超声检测设备和器材包括：超声波检测仪、探头、试块、 耦合剂和机械扫查装置等。超声检测仪和探头对超声检测系统的性能起着关键性的作用，是产生超声波并对经材料中传播后的超声波信号进行接收、处理、显示的部分。耦合剂就是为了改善探头和试件间声能的传递而加在探头和检测面之间的液体薄层。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件。试块用于对检测系统进行校准，以保证检测结果的准确性与重复性、可比性。由这些设备组成一个综合的超声检测系统，系统的总体性能不仅受到各个分设备的影响，还在很大程度上取决于它们之间的配合。
1.2 木材检测概述
1.2.1 木材检测的背景
我国人均森林覆盖率不高，森林资源早期被严重采伐。但随着我国改革开放进程的向前推进，经济的快速发展和人民对生活水平要求的提高，我国对木材需求量呈现出逐年上升的趋势，木材的供应量远不能满足市场对木材的需求量。
在现代人居环境中，存在着大量树木，它们虽然看起来的还郁郁葱葱，但有的内部已经存在类似孔洞等的严重腐朽缺陷，这些存在孔洞缺陷的树木如果遇大风，存在倾倒的危险。这有对人的生命和财产以及给社会造成了威胁。另外，分布在世界各地的木制建筑，由于长期的使用，以及木材的虫蛀和腐朽作用，也需要维修和保护。为充分利用好森林资源，提高人们对木材利用率和保护人的生命及财产的需要，同时也是对木结构等世界遗产作合理的保护与维修等工作的需要，方便和可靠的检测方法是不可缺少的。
1.2.2 木材无损检测的方法
木材的检测技术是一门发展潜力很大、综合性强、集科技和制造技术为一体的非破坏性或微破坏性检测技术。木材的无损检测技术作为保护森林、保持全球生态和气候稳定工作的重要组成技术，也越来越多的被重视起来。已经被应用的木材缺陷检测技术有：基于机械波的应力波和超声波检测技术、应力阻抗技术、射线技术、微波技术和核磁共振技术等。无损检测技术虽然都已应用于木材缺陷等方面的检测，多年来也取得一定的成绩，但由于木材检测工作有很多是现场检测，以上的技术手段都存在许多使用不便的方面，而超声波检测技术，基于检测成本低和有利于现场检测等因素，使其应用广泛。
1.3 国内外情况分析
1.3.1 国外情况
日本学者角谷和男，于1965年用超声波检测法对日本柳杉、山毛样、日本赤松等树种气干材的各种内部缺陷(包括不同形状和大小的内部孔洞、不同程度的内部腐朽以及深入内部的木节)与波速之间的关系进行较细致的研究。
美国木材检测从业人员在上世纪八十年代对加拿大云杉、红松、美国白桦、红柞四个树种进行研究，得出这四个树种顺木纤维和横木纤维的超声信号衰减系数。对美国白桦腐朽程度的检测结果表明：频率为0.25MHz的超声波能判别距树干表面45mm深的内腐，如深度再大，则需要更低的频率。
日本的有田纪史雄等人1986年用超声波技术检测木柱的腐朽情况，主要是通过超声波在木柱中的传播时间和传播速度不同来判别木柱的内腐、边腐程度。
1993年以后，日本的小玉泰羲用超声波反射法和超声波声速的变化分别对木材的隐含结子进行检测。Wilcox(1955)、Patton-Mallory(1990)、 Bauer(l991)、Lemaster(1993)等人也分别用声一超声技术对木材及木质复合材料的腐朽程度和生物缺陷等进行测试，认为随着腐朽程度的增加，超声波速度将减小，同时衰减也增大；波速的改变同样受树种的影响。
1997年，Hokfsil应用超声波技术对存在缺陷的中密度纤维板进行检测。结果得到能反映木材缺陷位置的超声波图像，效果较好。该方法可以有效的提高锯材率。
2004年，Machado等通过利用声-超声扫描技术自动识别板材节子缺陷。通过对有无节子缺陷超声波波形的分析，得出运用超声波技术可以对木材内节子进行识别。但识别的成功率主要取决于试件的尺寸。
2006年，Kim等利用超声波层析成像系统对内部存在腐朽的原木样本进行检测，确定了原木内部腐朽的位置和大小。
2008年，Lin等采用超声波层析成像技术对活立木的内部缺陷的位置和大小进行检测。但检测结果精度不高，效果并不理想，且其基础理论研究不足。
1.3.2 国内情况
2005年，林文树等分别采用超声波和应力波两种方法对有无缺陷的木材进行了对比检测。主要对比分析了波在木材中传播参数及弹性模量的变化，并通过这些参数的相应变化来判断木材内部是否存在缺陷及缺陷的严重程度等。研究结果表明，超声波更适用于检测木材内部腐朽、孔洞和节子等对木材密度影响较大的缺陷，而应力波更适用于检测尺寸较大的内部腐朽和孔洞等缺陷。
2005年，杨慧敏等应用超声波功率谱技术对木材缺陷位置及大小进行了定量检测。她研究了超声功率谱谱峰位置及高度与空洞大小之间的关系，运用频谱分析和小波分析处理超声波检测信号，提取能表征木材缺陷信息频率及能量衰减量，由小波包分解后，作为神经网络的输入参数。通过训练，达到定量检测缺陷位置及大小的目的。研究结果表明，频谱分析可以区分木材内部孔洞缺陷的大小和个数，但对缺陷位置的判定效果并不理想。
2006年，齐魏等运用超声波木材检测技术与小波神经网络相结合的方法研究了如何识别木材内部缺陷。首先由小波包对超声检测信号进行分解，提取能量变化量最大的节点小波包系数作为神经网络的输入，通过训练，达到缺陷识别的目的。研究结果表明，该方法的缺陷识别精度可达99%以上。
2010年，刘铁男将超声波衰减成像技术应用于原木横断面缺陷检测，以期达到对立木内部缺陷进行定量检测的目的。将射线追踪技术引入到层析算法中，由软件计算得出系数矩阵和走时矩阵，并由SIRT重建算法获得成像方程，通过数值模拟仿真，得到衰减成像和走时成像的二维图像。
1.4 超声波检测木材缺陷的原理
1.4.1 超声波检测的原理
超声缺陷检测是利用超声波在声介质中的波动原理，根据超声波传播过程中的反射、折射和散射等现象，推导出存在声传播介质中的缺陷，超声波在介质中传播形成了一个声场，充满声波的空间称为声场，常用声压!声强!声阻抗等几个特征量来描述声场特征。声压是指在有声波传播的介质中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有声波存在时该点静压强之差称为声压；声强是指在垂直声波传播方向上，单位面积在单位时间内所通过的声能量。超声波随着传播距离的增加，声能量有减小的趋势。超声波的衰减反映在波形曲线上是幅值的减小。超声波在传播过程中，如果遇到介质不同的物质时(也就是介质的声阻抗有变化的区域)就会出现超声波传播方式的改变"这些现象与介质声阻抗大小密切相关。
1.4.2 超声波检测木材缺陷的基本原理
如果超声波在传播路径上存在缺陷，超声波会出现反射、折射和散射等现象，传播的路径有所改变，传播时间延长，使计算获得的传播速度降低。由此，可以根据超声波波速的变化来检测木材缺陷。
对于有缺陷的木材试样，其超声频谱信号不同于正常木材试样的频谱，可采用超声频谱分析法来判断缺陷的大小，配合接收超声波首波的幅值与超声波传播中的衰减率的关系，以及超声波的波速或传播时间与被测体的性质有关，综合判定缺陷的大小和位置以及结构的变化。
1.5 超声波检测系统与试件制备
本文的检测设备选用武汉岩土力学研究所生产的RSM-SYS型智能超声波检测仪（如图1所示）。该检测仪的各项参数可在内置的数据采集软件的交互式界面上完成。信号采集方式有两种：一种是自动采集；另一种是手动采集。采集的信号可直接进行存储并在检测系统上直接进行分析。也可将信号传输到计算机上，使用同样的分析系统进行简单的信号分析。虽然系统可进行波形的频谱分析，但是其精度不能满足测试的需要，仍然要借助其它的数学工具对数据进行处理和分析。

图1 超声波检测参数设置界面图

试验材料的树种为枫禅。取自哈尔滨方正县红兴林场。将枫桦立木伐倒后加工成原木，并从大头截取厚度l0cm左右的原木段作为试验材料，其横断面直径约为38cm。选取的试验材料需为无明显节子、裂纹、腐朽等缺陷的完好试样，且原木段外形轮廓接近圆形。试验完成后，为了方便与后续进行的空洞检测试验结果做对比，排除含水率变化对测量结果的影响，需要将试验材料用塑料袋封好并放于低温冰箱中进行保存。将试验仪器和试件连接在一起如图2所示。

图2 超声波检测系统连接图图 图3 测试原木横截面示意图
1.6 检测过程
1.6.1 对试样的划分
为了研究超声波在无缺陷原木横断面内的传播规律，采用划分均布网格测点的方法对已加工好的原木段进行测量。如图2所示。先在距离原木上横截面1cm处的木段轮廓圆周上选取一点作为发射点1，以原木髓心为中心，发射点1到髓心的连线为纵坐标y轴，以过髓心并垂直于y轴方向的直线为x轴分别画线，在此基础之上，以4cm长度为基准，平行于x、y轴划分网格，如图3所示。为排除树皮对超声波衰减作用的影响，将所选取的发射点处的原木段的树皮去掉，将发射探针固定于此，并使发射探针与原木的横截面保持平行。令接收探针分别放置于各网格交点处进行测量。在测量过程中，应始终保持接收探针的指向与发射探针指向相对平行，并且与圆盘截面呈45度倾斜角度方向放置，以消除在测量过程中由于两探针之间的指向性不同所造成的误差。因为本次试验测量的是原木段的横截面，其表面轮廓大致呈圆形，且发射点1是在圆周表面随机选取，比较具有代表性，故由此试验即可反映出超声波在原木横截面内的传播情况，无需再进行其他方向的测试。
1.6.2 传播曲线的绘制
运用MATLAB软件编写程序，实现超声波传播曲线的绘制步骤如下；
1. 建立坐标系并按坐标整理数据。以原木髓心为原点，沿用测试原木时建立的x轴和y轴，在横截面中建立坐标系，把所测的各网格点的坐标值(x、y）计算出来，并以各点对应的超声波传播时间为工值，将x、y和z值以矩阵的形式列在data中，作为待分析的基本数据。
2. 超声波传播曲线的绘制。确定data矩阵后，调用meshgrid命令以两个坐标轴上的点为两数组生成网格，基于各点处的传播时间z值，釆用griddata插值命令进行二维插值，实现曲线更加精细光滑，运用contour函数绘图，并用clable命令对曲线迸行标注。
3. 原木横截面轮廓曲线的绘制。完成了传播曲线的绘制，只需再画出原木横截面的圆形轮廓即可。调用find函数找到圆截面区域之外的点，使其值为空值NaN，之后用plot画图命令在空值与有效的值边界绘制出一个圆形轮廓添加到曲线中即可。
表1为发射探针位于1点时所测得的各坐标点处接收到的超声波传播时间。由表1中数据和1.6.2中所述数据处理步骤绘制超声波在无缺陷原木横截面中的传播轨迹见图4。
由图4可见，在x轴0点处发射的超声波大致是呈以该点为中心的较平滑的圆弧形曲线逐渐向外散播，犹如水波荡樣开般，亦如模拟出的电磁场曲线。由此，也验证了理论部分所分析的超声波在原木中传播时的是以场的形式由近及外向远处扩散传播，其传播轨迹形状是“一簇”不断向外辐射的圆弧曲线。图6为基于超声波在完好无缺陷原木横截面内传播轨迹所模拟出的传播场图，以此来更加形象、直观地展示原木横截面内的超声波传播场。
接收点坐标
时间
接收点坐标
时间
接收点坐标
时间
接收点坐标
时间
(8，-16)
145
(-4，-8)
153
(0，0)
182
(4，8)
280
(4，-16)
103
(-8，-8)
173
(-4，0)
212
(0，8)
260
(0，-16)
78
(-12，-8)
201
(-8，0)
228
(-4，8)
280
(-4，-16)
102
(-16，-8)
276
(-12，0)
255
(-8，8)
281
(-8，-16)
150
(16，-4)
266
(-16，0)
271
(-12，8)
293
（-12，-12）
189
(12，-4)
235
(16，4)
308
(-16，8)
321
(-8，-12)
164
(8，-4)
196
(12，4)
286
(12，12)
339
(-4，-12)
138
(4，-4)
180
(8，4)
265
(8，12)
327
(0，-12)
95
(0，-4)
153
(4，4)
250
(4，12)
314
(4，-12)
132
(-4，-4)
184
(0，4)
229
(0，12)
299
(8，-12)
166
(-8，-4)
203
(-4，4)
244
(-4，12)
315
(12，-12)
190
(-12，-4)
228
(-8，4)
246
(-8，12)
326
(16，-8)
265
(-16，-4)
254
(-12，4)
269
(-12，12)
338
(12，-8)
201
(16，0)
282
(-16，4)
295
(4，16)
351
(8，-8)
173
(12，0)
256
(16，8)
326
(0，16)
345
(4，-8)
155
(8，0)
238
(12，8)
299
(-4，16)
349
(0，-8)
126
(4，0)
216
(8，8)
287

表1 发射探针位于1点时测得的各坐标点处接收到的超声波传播时间()

图4超声波在无缺陷原木段中的传播轨迹曲线 图5原木横截面内超声波传播场
1.6.3 空洞缺陷大小对原木横截面内超声波传播场的影响
以髓心为圆心，以4cm为直径在枫桦圆盘中心挖出通孔，如图6所示。首先将发射探针固定在原发射点，接收探针分别置于各网格点处，按照1.6.2中所述方法逐点进行测试。为了进行后续的缺陷辨识，也为了使测量结果更有说服力，能从各个方向反映缺陷信息，令此发射点为发射点1，将原盘绕髓心轴逆时针旋转90度，作为第二个发射点位置，以同样的方法，将2处树皮去掉，距离圆盘上横截面1cm处固定发射探针于2点，在各个网格交点处呈45度角平行于发射探针方向安置接收探针，进行测量。之后再以髓心为中心，分别进行两次90度逆时针旋转，作为发射点3、4的位置，以同样的方法测量发射点3、4到各网格点的传播时间。

图6空洞缺陷4cm样本实物 图7发射点及网格测点布置示意图

图8 空洞直径为4cm时超声波传播场图
1.7 基于超声波传播场的原木横截面二维缺陷辨识图
主要的超声二维成像思想是，通过从不同发射点对含空洞缺陷原木进行测量，由所测数据可生成不同方向的超声传播场图，这些传播场图能从各个方向上反映缺陷的信息。则将这些传播场图进行叠加就可以得到能反映缺陷各个方面信息的二维图像，通过叠加后的图像能够简便、直观地判定缺陷在原木横断面内的位置及其大小和形状。
应用MATLAB，将所需叠加的各幅图像的源程序全部都粘贴于同一个M文件中，通过hold on命令逐步解读每一段图像生成程序，使原来的各幅图像依次在同一张新图像中显示，最终生成总的叠加图。
图8中a、b、c、d四个方向的传播场图叠加所生成的叠加图9。在该图中依旧可见图8中四幅传播场图的轨迹曲线，包括四个方向上在遇到缺陷之前的有规律的传播场曲线以及在超声波传播过了缺陷之后中间部分发生凹陷的传播场曲线，二者由于叠加交错显示在图9这幅总叠加图中，使图像靠近边缘处的线条稍显杂乱且无规律可循。但在图像中心位置处的线条是呈以近似直线的形状横竖密集交叉成方形网格状，此处即为缺陷所在位置处，方形网格状区域的面积大小及位置即表征了真实缺陷的大小面积及位置等。此时，只需要将方形网格区域的边界确定并表示出来，即可达到对缺陷进行定量判别的目的。已知缺陷区域是完好传播场遇到缺陷后发生扭曲变形叠加而得，故缺陷边界的确定只需找到各方向开始变形的传播场曲线边界即可。由于各传播场曲线只是一种数值化的形象表示，刚发生变形的曲线也不能代表缺陷边缘，所以在这里选取刚刚发生变形的曲线变形部分与之相邻的完好曲线的中间点作为缺陷的边缘点，将各个方向的边缘点找到。通过运用插入命令的绘制椭圆功能，在叠加图中将各个边缘点连接并在图片中标出，如图11所示，此时的方形网格状区域基本都包括在小圆内，而此时的小圆即代表了由叠加图所判定出的空洞缺陷，小圆的大小及在整个大圆中的位置即代表了空洞缺陷在原木横截面内的大小和位置。由图10和实物图对比可见，由叠加图判定出的空洞缺陷特征与真实情况下的空洞缺陷信息非常相吻合。因此，可证明应用传播场叠加的方法辨识缺陷具有可行性，并且辨识的精确度较高。

图9 传播场叠加图 图10 缺陷辨识图

用同样的方法可以做出孔洞为8cm、12cm、16cm、20cm时候的缺陷识别图。为了方便对所判定的空洞缺陷大小与真实情况下的缺陷大小进行定量对比分析，并进一步利用公式 验证应用缺陷辨识图对缺陷进行判定的精确度，列于表2中。

表2 实际缺陷面积与判定所得缺陷面积对比

结论
结论是对整个报告主要成果的总结。并指出今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望与设想，不要将结论写成报告的摘要。
为了深入分析超声波在木材中的传播规律，从而为应用超声波进行木材物理性质检测及缺陷判定等提供理论依据和相关指导，本文首先在理论上推导了超声波在木材中的传播方程，提出传播场的概念，之后分别以原木横截面和板材径切面为试验材料，模拟超声波在木材中的传播轨迹，对传播场加以验证。最后基于超声波传播场对木材内部不同大小的空洞缺陷进行定量检测。本文的主要创新之处有：1.通过试验验证了超声波在木材中传播时传播场的存在及应用其检测木材缺陷的可行性；2.通过编制程序使多个方向测得的超声波传播场图叠加，进而得到能反应缺陷在原木及板材内部位置和大小等信息的超声检测二维图像；3.对超声波在木材内部的传播理论做了较系统的研究；
本文为应用超声波传播场对木材内部缺陷定量检测提供一定的参考，但研究中还存在着许多不足，建议下一步的研究可以围绕以下两方面进行：
(1)通过研制一发多收或多发多收超声波检测仪来获取多方向传播场叠加图以提高缺陷辨识精度。
(2)本文在确定传播场叠加图中的缺陷边缘时是非自动化手工实现的，这将会对检测结果造成一定的误差。可以在利用计算机编制程序对缺陷边缘进行自动识别方面进行深入的研究，实现缺陷检测的自动化。

参考文献
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