基于射线分割的林木应力波断层成像算法

【目的】提出一种基于射线分割的林木应力波断层成像算法,研究应力波在林木横截面上的信号分布情况,提高应力波断层成像精度,准确反映林木内部缺陷的位置、大小和腐朽程度。【方法】选取4株原木样本(松树、乌桕)和4株活树样本(香樟、圆柏、柳树)进行应力波断层成像试验,利用FAKOPP应力波检测仪采集样本横截面应力波数据。首先校正采集的应力波速度,绘制应力波传播射线图,对成像区域进行网格划分;然后分割每一条应力波传播射线,基于已知射线传播速度估算待分割射线上多条线段的速度,增加应力波信号量,得到改进的应力波传播射线图;最后根据改进的应力波传播射线图估算成像区域内网格单元的速度,结合图像处理方法,生成断层图像。为验证算法的可行性,使用Resistograph微钻阻力仪评估活树内部健康状况。【结果】基于射线分割的林木应力波断层成像算法能够较准确地重建4株原木样本的断层图像。使用Resistograph微钻阻力仪对活树进行多路径钻探,与阻力曲线图相比发现,基于射线分割的林木应力波断层成像算法生成的断层成像具有较高精度。【结论】基于射线分割的林木应力波断层成像算法可提高初始网格单元速度的准确性和相关性,能够实现林木内部缺陷的高精度成像,适用于林木无损检测。     

古建筑木材中应力波传播速度的影响因素

对应力波在古建筑木材中传播速度的影响因素及其影响规律进行了检测和分析,目的是找出各种因素变化与应力波扫描图像之间的关系,从而更好地判定木材内部缺陷的位置和面积。研究表明:含水率对应力波传播速度影响显著;在相同含水率下,应力波径向传播速度大于弦向,其传播方向偏离髓心越远,传播速度越小;树种和年代对应力波传播速度也有影响。     

应力波和超声波在立木无缺陷断面的传播速度

为进行立木无损健康检测,采用Arbotom应力波成像系统、Resistograph针式阻抗仪和RSM-SY5超声仪对4个树种共计120株树分断面进行测试,研究超声波和应力波在立木108个无缺陷断面传播速度变化规律,并对比分析二者的差异和相关性。结果表明:1)采用8个测点对立木测试时,超声波和应力波在立木无缺陷断面具有类似的传播规律,即沿Path A(相邻两传感器)传播时速度最低,沿Path D(径向传播)传播时速度最高,从Path A到Path D传播速度呈递增的变化趋势;2)对于小叶杨、榆树、旱柳、水曲柳4种立木,Arbotom测得的无缺陷断面应力波径向传播速度平均值分别为788.46,1 025.45,940.62和1 146.06 m.s-1;RSM-SY5测得的超声波径向传播速度平均值分别为1 159.57,1 537.5,1 323.15和1 558.6 m.s-1;3)尽管Arbotom和RSM-SY5测得的应力波和超声波传播速度差值较大,但二者的径向传播速度具有显著正相关性,决定系数R2均在0.77以上,因此采用这2种仪器对立木进行无损检测都是可行的。     

杨树与落叶松原木中应力波的不同传播速度

通过应力波测试仪对健康的杨树和落叶松原木试件进行检测试验,研究应力波在这2种原木试件中径向、弦向和纵向(原木心材和边材)传播速度之间的关系以及径向传播速度和直径、弦向传播速度和检测角之间的相关关系.结果表明:在这2种树种中,应力波径向传播速度和原木直径呈正相关,原木纵向边材传播速度比相应心材中的要大,弦向传播速度与检测角呈现二次函数关系.通过试验分析得出应力波在原木纵向心材和边材传播速度与径向传播速度比的域值.     

小兴安岭天然林中冷杉立木含水率对应力波传播速度的影响

对小兴安岭天然林中30棵冷杉立木的含水率和应力波传播速度的检测结果表明:常温下,应力波纵向传播速度远大于径向传播速度；光照条件对于纵向传播速度的影响不显著；应力波纵向传播速度与含水率存在不显著的负相关性.     

温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响

为分析应力波在木材中传播的影响因素,研究应力波传播规律,在实验室内,采用Arbotom应力波测试仪测试60个红松无疵小试件在不同含水率(从绝干到饱湿)和不同温度(-30,-20,-10,-5,0,5和20℃)下的应力波传播速度。在此基础上,分别分析应力波传播速度随含水率或温度变化的规律,探讨导致应力波传播速度变化的原因,并建立三者之间的回归模型。结果表明:含水率和温度是影响木材中应力波传播速度的2个重要因素。应力波传播速度随含水率增加或温度升高均呈逐渐下降趋势。在含水率32%(纤维饱和点附近)以下,传播速度随含水率增加下降幅度较大,反之则较小;当含水率低于50%时,传播速度随温度升高呈线性下降趋势;当含水率高于50%时,传播速度在0℃上下有一明显的跳跃。含水率、温度与应力波传播速度之间的二元线性回归模型拟合优度较高,决定系数R2均高于0.95。     

应力波在立木冻结与常温状态下的传播速度比较

为提高冬季木材缺陷判断的可靠性和准确性,实现冬季木材利用的最大化,选择来自哈尔滨林业试验基地的10个东北林区的主要树种,进行应力波在立木冻结与常温状态下传播速度的比较研究.结果表明:冻结状态下立木的应力波纵向传播速度高于常温状态约16.50%,径向传播速度高于常温状态约22.48%,且应力波在冻结与常温状态下的立木内传播速度二者之间存在较强的线性关系;冻结状态下,应力波的传播速度受含水率的影响显著(相关系数多数在0.8以上),而常温状态下没有显著影响.     

应力波木材无损检测技术应用及研究进展

文中概述了应力波传播机理及应力波木材无损检测技术的优缺点与工作过程,介绍了现阶段木材无损检测领域内常用的几种应力波木材检测设备,对其特点进行了分析,并从力学性能检测、内部缺陷检测和影响应力波传播速度的因素3个方面对应力波木材无损检测技术的研究进展进行总结分析,预测其发展前景,以期为该领域的进一步研究提供参考。     

基于雷达波的树木躯干内部缺陷探测识别

【目的】采用探地雷达对木质体内部缺陷进行断层扫描探测,研究基于雷达波的树木内部层面反射特征识别算法,为雷达波无损测试技术在树木内部结构和缺陷的解析、定位及分布表征提供理论依据。【方法】采用900 MHz介质耦合树木雷达对柳木试件进行断层扫描,研究实现阈值法、匹配滤波器法和希尔伯特积算法获取缺陷层面的反射位置,基于层剥反演法对树木内部不同介质进行介电常数反演,求得层位的相对深度,结合三维激光扫描仪获取的树木外形轮廓点云数据,根据轮廓追踪法将雷达波B扫描图像与断层轮廓绝对位置进行映射,实现对树木内部缺陷的准确定位和表征。对3种算法分别使用FDTD正演方法进行对比验证,并应用于颐和园古柳木试件试验测试中。【结果】正演对比测试结果表明,希尔伯特积算法相较于阈值法和匹配滤波器法,对木质体内部缺陷识别效果更好。柳木试验测试结果显示,树木内部缺陷深度误差为10%,结合三维激光和外轮廓扫描技术求得的缺陷部分面积误差在5%左右。【结论】本研究提出的算法可以实现雷达波扫描图像对树木内部缺陷的准确定位和分布成像。     

应力波在旱柳立木内的传播规律分析及其安全评价

应用应力波对东北林业大学校园内的40株旱柳进行检测,获取样本树120个横断面的二维应力波图像及波速矩阵.依据图像,把立木横断面腐朽状况分为尤腐朽、心腐、边腐、心腐边腐共存断面等4类.进一步分析表明:应力波在健康立木横断面内径向传播速度最快,并且波从某一传感器到其余传感器(按顺时针计)的速度变化是先增后减的趋势;立木腐朽会导致应力波传播速度降低,应力波在心腐立木横断面内传播趋势不是先增后减,而变成非常平坦的曲线.因此,可以利用应力波波速的变化来对立木内部腐朽进行估计.另外,根据应力波检测成像结果可以识别腐朽面积及位置,并能够依据断面t/R值对旱柳行道树的安全性进行初步评价.     

含水率对原木孔洞缺陷应力波检测效果的影响

应用微单元分析模型,在实验室条件下研究含水率对原禾内部孔洞缺陷检测效果的影响。在不同含水率状态下测试原木内应力波传播速度,分析应力波传播速度与含水率的相关性,得出原木孔洞缺陷识别质量系数。结果表明,在较低的含水率状态下原木孔洞缺滔检测效果较好。     

基于应力波和阻抗仪技术的旱柳内部腐朽定量检测

利用应力波和阻抗仪两种仪器对旱柳行道树内部腐朽情况进行检测,应力波法每个断面采用10~12个传感器,阻抗仪法每个断面测试2~4个方向。结果表明：由应力波断层扫描得到的二维图像和由阻抗仪得到的阻力曲线均能较准确地反映活立木内部腐朽的位置、程度等状况,两者对应关系较好;阻抗仪每个测试方向的平均阻力与相应方向应力波传播速度之间呈现一定相关性,相关系数 r ﹥0.5;每个测试断面上的整体平均阻力与应力波平均传播速度之间有显著的相关性,相关系数 r ＝0.817。这为联合两种仪器的检测结果制定一个表征立木腐朽程度的量化指标奠定了基础。     

应力波断层成像诊断木材内部缺陷

采用应力波断层成像技术对杉木和胡杨木材内部缺陷进行检测,结果表明3种诊断方法均能对木材缺陷进行有效诊断,通过波速矩阵二维图像重构,能够直观显示缺陷部位、大小及形状等信息;断层图像能为树干危险性评价提供依据,但腐朽与空洞界线尚未能准确区分;应力波在健康木材断面传播途径呈规律性,在缺陷出现处应力波波速明显降低,且传播无规律性。     

动态测试木材的泊松比

【目的】根据悬臂板一阶弯曲振形给出动态测试木材泊松比的方法,测试西加云杉木材试件径切板顺纹、横纹的泊松比和横切面横纹试件的泊松比;对西加云杉木材试件的测试结果,分析用悬臂板试件测量一阶弯曲频率,代入到悬臂梁的公式推算出弹性模量的精度;同时用低碳钢板的动态测试试验来验证动态测试木材泊松比方法的正确性,为在木建筑、家具、木材加工等行业中对木材力学性能测定研究工作提供借鉴。【方法】根据动力学原理,利用 YD-28A 型四通道动态电阻应变计和 CRAS 振动及动态信号采集分析系统等测试仪器,以敲击方式激励悬臂西加云杉木材、低碳钢试件的自由振动,通过滤波处理保留其基频振动,记录并显示基频振动的横向应变和纵向应变的衰减振波曲线,并从同一时刻的横向应变峰值与纵向应变峰值比值得泊松比。【结果】横向应变振波曲线的正(负)峰值对应于纵向应变振波曲线的负(正)峰值,说明横向应变振波曲线与纵向应变振波曲线的相位差为180°或横向应变与纵向应变是反向的;通过低碳钢板验证试验,从其振波曲线第一通道和第二通道读出峰峰值,计算它们的比值后取平均值,得低碳钢泊松比的测量值μ=0.28,符合其规范值为0.25～0.28的要求;西加云杉木材的径切面顺纹泊松比μLR与径切面横纹泊松比μRL测量值之比为10.6,即径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级;用悬臂梁公式推算的弹性模量值比实际弹性模量值偏小0.7%。【结论】根据悬臂板的一阶弯曲振形测试泊松比的动态方法是行之有效的,具有快速、简便、精度高的优点;西加云杉试件的径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级,体现了木材的各向异性;用悬臂板云杉试件测得的一阶固有频率,代入到悬臂梁理论公式推算的弹性模量值具有足够精度。     

基于CNN的木材内部CT图像缺陷辨识

【目的】为获取木材内部构造形态,提高木材内部缺陷识别率,依据获得的计算机断层扫描图像,提出一种基于卷积神经网络(CNN)的木材内部缺陷辨识方法,以实现木材的高效化自动分类。【方法】首先,利用课题组自行开发的计算机断层扫描系统,采集样本木材内部CT图像800幅;然后,对样本图像进行处理,随机选取700幅原始样本图像,从中截取出单个缺陷区域和正常木材断层区域样本图像20 000幅,并利用图像增强等算法将数据集扩充到70 000幅,标准化图像大小为28×28像素,分为正常、裂纹、虫眼和节子图像共4类,取60 000幅图像作为训练集,10 000幅图像作为测试集,剩余的100幅原始样本图像用于试验验证。【结果】通过60 000幅图像来训练网络模型,对测试集10 000幅图像进行分类,分类正确率达99.3%;利用训练得到的网络模型对100幅原始样本图像进行验证,平均分类正确率为95.87%。【结论】基于卷积神经网络的木材内部CT图像缺陷辨识算法,克服了传统识别方法图像预处理繁琐、训练方法复杂、训练参数过多、耗时过多等问题,具有精度高、复杂度小、鲁棒性较好等优点,且辨识正确率和辨识时间都比现行常规算法精准并用时短,是一种无损、高效、准确的辨识分类方法。     

弦向角对应力波在原木横截面传播速度的影响

为了研究应力波在原木横截面上传播时应力波波速的变化规律及其影响因素,选择柞木、红松、臭冷杉和大青杨4个树种的原木为试验材料,在原木的横截面上,测试不同弦向角所对应的应力波波速,并用MATLAB软件对弦向角和应力波波速进行曲线拟合。结果表明:1)随着弦向角的增加,应力波在柞木、红松、臭冷杉和大青杨原木横截面上的传播速度均呈3次曲线趋势增加;2)当弦向角大于36°时,应力波在大青杨原木横截面上的传播速度最快,在柞木原木横截面上的传播速度最慢;3)应力波在柞木、红松、臭冷杉和大青杨原木横截面上的径向最大传播速度分别为1109.0,1220.4,1245.8和1618.3m·s-1。     

应力波木材无损检测信号采集系统

应力波木材无损检测技术可在不破坏木材使用性能的前提下,快速的检测出木材的尺寸、规格和基本物理性质等,基于此优点,应力波无损检测技术近几年越来越受到青睐。应力波在木材中传播时,如遇到裂缝、孔洞、裂纹等界面不连续处,就会发生反射、折射、散射和模式转换,对缺陷有很高的敏感性。基于应力波的这种敏感性,本文对应力波在木材中传输时的信号进行采集,通过对采集信号进行频谱分析、小波变换等处理,可进一步得到应力波在木材中的传播速度等参数,从而为鉴别木材的缺陷提供更多的信息。     

应力波在原木中传播理论的研究

对原木中微小单元进行动力学分析,确定应力波沿原木轴向传播的波动方程,应用分离变量法,得出应力波沿原木轴向传播的位移、速度、应力和应变方程。根据波动学理论中的反射和透射原理,从传播方向与界面垂直和不垂直2个方面得出界面两侧位移、速度、应力、应变的关系式。在此基础上,建立传播方向与界面垂直情况下的应力波沿原木径向或弦向传播的位移、速度、应力和应变方程。从这些方程可以得出:微小单元的位移、速度、应力和应变不仅与原木试件的弹性模量、密度有关,而且与小锤的敲击力、小锤与原木试件作用时间、敲击方向有关。     

不同纹理方向栎木微小无疵试样板材蠕变特性

【目的】考察高温高湿环境下不同锯切方向栎木板材的弯曲蠕变行为,为湿热条件下翘曲栎木板材展平整直工艺提供参考。【方法】制备4种不同锯切方向栎木试样(分别对应弦切板纵向、径切板纵向、径切板横向和弦切板横向),利用DMA-Q800型动态热机械分析仪测定不同锯切方向栎木试样在不同温度下的蠕变曲线,采用Burger模型和广义Kelvin模型对栎木短期蠕变曲线进行拟合,分析锯切方向对栎木试样各蠕变参数的影响,并对不同取向栎木板材蠕变特性进行评价。【结果】在70~90℃范围内,不同取向栎木板材蠕变和蠕变恢复均随温度升高而增大。在相同应力作用下,径切板纵向蠕变大于弦切板纵向蠕变,而径切板横向蠕变小于弦切板横向蠕变。Burger模型和广义Kelvin模型都可以较好地模拟栎木短期蠕变过程,Burger模型相关系数(R~2)大于0.90,广义Kelvin模型相关系数(R~2)大于0.99。在试验范围内,相同含水率下栎木试样的普弹模量和本体黏度均随温度升高而降低。在单个滞后时间的Burger模型拟合中,滞后时间随温度升高而增加,90℃时达到最大,栎木在90℃时最接近理想黏性体。不同锯切方向栎木板材本体黏度依次为弦切板纵向径切板纵向径切板横向弦切板横向。【结论】升高温度可以降低栎木本体黏度,随温度升高栎木更易产生黏性形变;栎木板材横向相比纵向更易发生黏性形变;在板材纵向,径切板相比弦切板易发生黏性形变;在板材横向,径切板相比弦切板更难产生黏性形变。     

风灾害下树木强度分析的理论、方法及应用

【目的】研究风灾害下树木强度分析的理论和方法,建立树干最大应力与风速平方之间的关系,预测树木能够承受的最大风力。【方法】设计一套新的树木组合变形测试方法,通过将2个位移传感器沿轴向安装在树干的正交直径上,另2个位移传感器分别与轴向呈+45°、-45°交叉叠放安装,即能够测量立木在风载荷作用下树干因弯扭组合变形所产生的最大弯曲线应变(应力)和扭转切应变(应力),并且最大应变(应力)与风向无直接关系。【结果】选择4株香樟树作为研究对象,采用可知力值的拉力试验对新方法进行验证,结果证明试验所测得的最大应变仅取决于传感器的测值而与拉力方向无关,并且通过虎克定律转换的应力值与理论计算值相符合。应用该方法与风速仪相连,在大风环境下对1株香樟树进行实际测试,建立树干应力与风速平方之间的关系,并预测该树发生断裂的临界风速以及破坏方式,测算结果符合实情。【结论】本文提出的树木强度分析理论和方法,可对在风载荷作用下处于弯扭组合变形状态下的树干应变(应力)进行测试分析,并可预测树木能够承受的最大风速。该方法不需要估算树冠面积、透风率以及树冠中心的高度、偏心距等许多难以确定的量,可以为林区或城市园林评估树木抗风害能力提供一种直接、有效的方法。