Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИСПЫТАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Изобретение относится к технической древесине в виде чураков, например специальных сортиментов в виде резонансных чураков, и может быть использовано при сертификации древесины в условиях лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообработки при контроле качества чураков в различных условиях их хранения. Изобретение также может быть использовано в инженерной экологии при оценке экологического качества территории по значениям скорости ультразвука древесины чураков, заготовленных на данной территории.

Известен способ ультразвукового испытания технической древесины по патенту №2224415, МКИ A01G 23/00, G01N 33/46, включающий изготовление на стволе дерева по крайней мере двух пазов с перемычкой древесины между ними, закрепление датчиков ультразвукового прибора в пазах на торцах перемычки и измерение ультразвуковых параметров древесины между пазами.

Недостатком является высокая трудоемкость изготовления пазов на круглых лесоматериалах, находящихся в штабеле, поэтому практически невозможно ультразвуковое испытание древесины бревен без раскатки штабеля, а также из-за частичного разрушения заболонной части, невозможно его озвучивание на короткомерных спецсортиментах.

Известен также способ ультразвукового испытания технической древесины круглых лесоматериалов по патенту №2284032, МКИ A01G 23/00, G01N 33/46, включающий отпиливание образца в виде чурака из круглого лесоматериала, на торцах которого симметрично наносят радиальные линии с метками, установление датчиков ультразвукового прибора относительно симметричных меток на торцах чурки, измерение ультразвуковых параметров древесины по радиусам.

Недостатком является невозможность определения геодезических направлений лесоматериала в штабеле, неточность нанесения радиальных линий и меток на двух торцах чурака или короткомерного спецсортимента, что затрудняет определение акустических показателей в производственных условий непосредственно в штабелях спецсортиментах, а также значительная трудность озвучивания между двумя годичными кольцами на двух торцах чурака или короткомерного спецсортимента по одному и тому же годичному слою, причем по всем меткам, из-за узкой ширины годичных колец относительно диаметра датчиков ультразвукового прибора.

Технический результат - упрощение процесса и снижение трудоемкости ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде чураков и короткомерных спецсортиментов в штабеле, а также расширение функциональных возможностей метода ультразвукового испытания на заболонной и спелодревесной зонах сечения круглых лесоматериалов.

Этот технический результат достигается тем, что способ ультразвукового испытания технической древесины в виде чураков, включающий их хранение с естественной сушкой в штабелях до достижения устойчивой влажности, нанесение на торцы чурака радиальных линий с метками, установление датчиков ультразвукового прибора относительно меток на торцы, измерение ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака по меткам, отличающийся тем, что непосредственно в штабеле на торцы испытуемого чурака дополнительно к радиальным линиям с метками наносят по две линии в виде концентрических окружностей, отмечающие присердцевинную, спелодревесную и заболонную зоны.

Затем относительно примерно симметричных меток на торцах чурака устанавливают датчики ультразвукового прибора, после проведения измерений выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака.

Две линии концентрических окружностей наносят до начала естественной сушки по внешним признакам трех зон торцов чурака, края датчиков ультразвукового прибора устанавливают отходя на 0,5 см от края заболонной зоны, а измерения проводят в процессе естественной сушки чурака не менее пяти раз в течение не менее 22 суток до приобретения технической древесиной устойчивой равновесной влажности.

Измерение ультразвуковых параметров древесины на радиальных линиях с метками выполняют вдоль чурака не менее чем в восьми метках, причем не менее чем четыре метки намечают в спелодревесной зоне и еще не менее чем четыре метки - в заболонной зоне.

По меньшей мере две радиальные линии с метками на торцах чурака наносят произвольно, во взаимно перпендикулярном направлении, а метки на этих двух радиальных линиях торцов принимаются на равном расстоянии от края заболонной зоны чурака, причем метки располагают симметрично относительно продольной оси чурака.

Измерение ультразвуковых параметров древесины выполняют вдоль чурака в двух противоположных по меткам направлениях, при этом по направлению от комля к вершине чурака по значениям скорости ультразвука оценивают техническое качество чураков, а по направлению от вершины к комлю с низкими значениями скорости ультразвука оценивают экологическое качество территории, на которой были заготовлены чураки.

Закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака в процессе сушки выявляют по скорости распространения ультразвука по формуле

,

где υ - скорость ультразвука, м/с;

L - длина чурака, мм;

Т - время прохождения ультразвука, мс;

при этом зависимость скорости ультразвука от времени естественной сушки

,

где υ - скорость ультразвука в течение времени τ суток, м/с;

υ₀ - начальное значение скорости ультразвука в момент изготовления чурака, м/с;

a₁ - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака;

a₂ - активность показательного роста скорости ультразвука при естественной сушке;

a₃ - интенсивность показательного роста скорости ультразвука;

a₄ - активность экспоненциального спада скорости ультразвука;

τ - время естественной сушки, сутки.

Сущность заключается в том, что трудно определить плотность древесины всего чурака во влажном состоянии штабеля лесоматериалов, а по скорости ультразвука и переходному уравнению можно найти акустическую константу высушенной древесины, как для целого чурака, так по зонам радиуса. Найдено новое физическое явление различия в значениях скорости ультразвука по зонам ствола дерева. При этом эта разница, как значение самой скорости ультразвука, зависит от качества древесины и от качества места произрастания дерева. Длина чурака должна быть 500 мм и более, применительно к будущим спецзаготовкам. Причем, для исключения интерференционных явлений и влияния размеров на акустические показатели, она должна быть намного больше диаметра, так чтобы длина ультразвуковой волны была полтора раза больше, чем диаметр чурака.

Новизна технического решения заключается в том, что короткомерные чураки на складах круглых лесоматериалов, принимаются за объекты исследования качества всей партии круглых лесоматериалов, например штабеля с одной лесосеки. По различным партиям чураков и ультразвуковым испытаниям древесины, проведенным в разное время года, образуется комплекс сведений об изменении акустических показателей древесины чурака в процессе естественной сушки, а также для разных зон по радиусу. При таких испытаниях по экспоненциальным закономерностям изменения скорости ультразвука вдоль испытываемых чураков и акустической константе целенаправленно, рационально используется древесина как всего чурака, так и отдельных зон по радиусу.

Положительный эффект достигается с помощью переносных ультразвуковых приборов и использований чураков. В итоге появляется простой способ сертификации древесины, находящейся как в штабелях круглых лесоматериалов у лесозаготовителей или потребителей, так и на корню на отведенных в рубку участках леса.

В связи с этим предлагаемое техническое решение обладает новизной, положительным эффектом и простотой практической реализации. После накопления статистических сопоставительных данных появляется также возможность экологического и технологического мониторинга процессов лесозаготовок и лесного хозяйства в части выращивания целевых высококачественных лесов.

В научно-технической и патентной литературе материалов, порочащих новизну предлагаемого технического решения, не обнаружено.

На фиг.1 показан чурак длиной 500 мм с верхним торцом, ориентированным по направлению роста дерева; на фиг.2 - схема измерения ультразвуковых параметров древесины и расположения излучателя и приемника относительно торцов чурака; на фиг.3 изображен график изменения скорости ультразвука в радиальном направлении чурака, где 1 - чурак, 2 - верхний торец, 3 - нижний торец, 4 - радиальные линии с метками, 5 - продольная ось чурака, 6 - параллельные линии к образующей чурака, 7 - датчик ультразвукового прибора, 8 - приемник ультразвукового прибора, 9 - присердцевинная зона, 10 - спело древесная зона, 11 - заболонная зона.

Способ ультразвукового испытания технической древесины содержит следующие действия.

Максимальные возможности применения способа будут при действиях, позволяющих как сертифицировать техническую древесину, так и получать исходные данные для экологического мониторинга территорий, на которой выполнялись процессы заготовки чураков.

На чураке 1, отпиленного или уже готового с длиной 500 мм (от бревна или другого вида круглого лесоматериала), изготавливаются верхний торец 2 и нижний торец 3 и наносятся на них радиальные линии 4 с метками (как пример, показаны метки №1…8).

Линии и метки на верхнем и нижнем торце чурака выполняются симметрично относительно продольной оси 5. Между метками обоих торцов образуются параллельные линии к образующей чурака 6.

Относительно линий 6 между метками на торцах чурака устанавливают датчики 7 и приемник 8 переносного ультразвукового прибора по соответствующим меткам на одинаковом расстоянии от края заболонной зоны чурака. Концентрические окружности выделяют присердцевинную зону 9, спелодревесную зону 10, зону заболони 11.

Измерение выполняют в четырех метках спелодревесной зоны - в середине радиуса и в четырех метках заболонной зоны - 0,5 см от кромки. Время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется по линии 6, измеряя от комля к вершине.

Непосредственно в штабеле на торцы испытуемого чурака дополнительно к радиальным линиям с метками наносят по две линии в виде концентрических окружностей, отмечающие присердцевинную, спелодревесную и заболонную зоны.

Затем относительно примерно симметричных меток на торцах чурака устанавливают датчики ультразвукового прибора, после проведения измерений выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака.

Две линии концентрических окружностей наносят до начала естественной сушки по внешним признакам трех зон торцов чурака, края датчиков ультразвукового прибора устанавливают отходя на 0,5 см от края заболонной зоны, а измерения проводят в процессе естественной сушки чураков не менее пяти раз в течение не менее 22 суток до приобретения технической древесиной устойчивой равновесной влажности.

Измерение ультразвуковых параметров древесины на радиальных линиях с метками выполняют вдоль чурака не менее чем в восьми метках, причем не менее чем четыре метки намечают в спелодревесной зоне и еще не менее чем четыре метки - в заболонной зоне.

По меньшей мере две радиальные линии с метками на торцах чурака наносят произвольно во взаимно перпендикулярном направлении, а метки на этих двух радиальных линиях торцов принимаются на равном расстоянии от края заболонной зоны чурака, причем метки располагают симметрично относительно продольной оси чурака.

Измерение ультразвуковых параметров древесины выполняют вдоль чурака в двух противоположных по меткам направлениях, при этом по направлению от комля к вершине чурака по значениям скорости ультразвука оценивают техническое качество чураков, а по направлению от вершины к комлю с низкими значениями скорости ультразвука оценивают экологическое качество территории, на которой были заготовлены чураки.

Закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака в процессе сушки выявляют по скорости распространения ультразвука по формуле

,

где υ - скорость ультразвука, м/с;

L - длина чурака, мм;

Т - время прохождения ультразвука, мс;

при этом зависимость скорости ультразвука от времени естественной сушки

,

где υ - скорость ультразвука в течение времени τ суток, м/с;

υ₀ - начальное значение скорости ультразвука в момент изготовления чурака, м/с;

a₁ - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака;

a₂ - активность показательного роста скорости ультразвука при естественной сушке;

a₃ - интенсивность показательного роста скорости ультразвука;

a₄ - активность экспоненциального спада скорости ультразвука;

τ - время естественной сушки, сутки.

Определяя скорость ультразвука, находим акустическую константу, принятую для оценки резонансных свойств древесины

,

где K - акустическая константа высушенной заготовки, м⁴/(кг с);

K₀ - начальное значение акустической константы в момент изготовления чурака, м⁴/(кг с);

b₁ - активность экспоненциального роста акустической константы при естественной сушке чурака;

b₂ - активность показательного роста акустической константы при естественной сушке;

b₃ - интенсивность показательного роста акустической константы;

b₄ - активность экспоненциального спада акустической константы;

τ - время естественной сушки, сутки.

Вычисляется переходное уравнение от скорости к акустической константе

где Р_υ/к - переходное уравнение, затем можно найти акустическую константу К древесины чурака

P₀ - начальное значение переходного коэффициента в момент изготовления чурака;

c₁ - активность экспоненциального роста переходного коэффициента при естественной сушке чурака;

c₂ - активность показательного роста переходного коэффициента при естественной сушке;

c₃ - интенсивность показательного роста переходного коэффициента;

c₄ - активность экспоненциального спада переходного коэффициента;

τ - время естественной сушки, сутки.

Скорость УЗВ по зонам различается и описывается формулой (фиг.3)

υ=υ₀exp(aτ),

где υ₀ - начальная скорость ультразвука, древесины сердцевины, или спелодревесной части, или заболони, м/с,

a - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака,

τ - время естественной сушки, сутки.

Способ ультразвукового испытания технической древесины, например, на чураках резонансной древесины длиной 500 мм, содержит следующие действия.

Максимальные возможности применения способа будут при действиях, позволяющих сертифицировать резонансную древесину и получать исходные данные для оценки территорий с наличием резонансной древесины.

На чурке 1, отпиленного или уже готового с длиной 500 мм (от бревна или другого вида круглого лесоматериала, соответствующего по размерам в качестве резонансной древесины), изготавливаются верхний торец 2 и нижний торец 3 и наносятся на них радиальные линии 4 с метками, (как пример, показаны метки №1…8).

Линии и метки на верхнем и нижнем торце чурака выполняются симметричными относительно продольной оси 5. Между метками обоих торцов образуются параллельные линии к образующей чурака 6.

Относительно линий 6 между метками на торцах чурака принимают датчики 7 и приемник 8 переносного ультразвукового прибора по соответствующим меткам на одинаковом расстоянии от края заболонной зоны чурака. Концентрические окружности выделяют присердцевинную зону 9, спелодревесную зону 10, зону заболони 11.

Измерение выполняют в четырех метках спелодревесной зоны - в середине радиуса и в четырех метках заболонной зоны - 0,5 см от кромки. Время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется по линии 6, измеряя от комля к вершине.

Непосредственно в штабеле на торцы испытуемого чурака дополнительно к радиальным линиям с метками наносят по две линии в виде концентрических окружностей, отмечающие присердцевинную, спелодревесную и заболонную зоны.

Затем относительно примерно симметричных меток на торцах чурака устанавливают датчики ультразвукового прибора, после проведения измерений выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака.

Две линии концентрических окружностей наносят до начала естественной сушки по внешним признакам трех зон торцов чурака, края датчиков ультразвукового прибора устанавливают отходя на 0,5 см от края заболонной зоны, а измерения проводят в процессе естественной сушки чураков не менее пяти раз в течение не менее 22 суток до приобретения технической древесиной устойчивой равновесной влажности.

Измерение ультразвуковых параметров древесины на радиальных линиях с метками выполняют вдоль чурака не менее чем в восьми метках, причем не менее чем четыре метки намечают в спелодревесной зоне и еще не менее чем четыре метки - в заболонной зоне.

По меньшей мере две радиальные линии с метками на торцах чурака наносят произвольно во взаимно-перпендикулярном направлении, а метки на этих двух радиальных линиях торцов принимаются на равном расстоянии от края заболонной зоны чурака, причем метки располагают симметрично относительно продольной оси чурака.

Измерение ультразвуковых параметров древесины выполняют вдоль чурака в двух противоположных по меткам направлениях, при этом по направлению от комля к вершине чурака по значениям скорости ультразвука оценивают техническое качество чураков, а по направлению от вершины к комлю с низкими значениями скорости ультразвука оценивают экологическое качество территории, на которой были заготовлены чураки.

Закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака в процессе сушки выявляют по скорости распространения ультразвука по формуле:

,

где υ - скорость ультразвука, м/с;

L - длина чурака, мм;

Т - время прохождения ультразвука, мс;

при этом зависимость скорости ультразвука от времени естественной сушки

где υ - скорость ультразвука в течение времени τ суток, м/с;

υ₀ - начальное значение скорости ультразвука в момент изготовления чурака, м/с;

a₁ - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака;

a₂ - активность показательного роста скорости ультразвука при естественной сушке;

a₃ - интенсивность показательного роста скорости ультразвука;

a₄ - активность экспоненциального спада скорости ультразвука;

τ - время естественной сушки, сутки.

Определяя скорость ультразвука, находим акустическую константу, принятую для оценки резонансных свойств древесины

где K - акустическая константа высушенной заготовки, м⁴/(кг с);

K₀ - начальное значение акустической константы в момент изготовления чурака, м⁴/(кг с);

b₁ - активность экспоненциального роста акустической константы при естественной сушке чурака;

b₂ - активность показательного роста акустической константы при естественной сушке;

b₃ - интенсивность показательного роста акустической константы;

b₄ - активность экспоненциального спада акустической константы;

τ - время естественной сушки, сутки.

Вычисляется переходное уравнение от скорости к акустической константе

где P_υ/κ - переходное уравнение, затем можно найти акустическую константу древесины чурака

P₀ - начальное значение переходного коэффициента в момент изготовления чурака;

c₁ - активность экспоненциального роста переходного коэффициента при естественной сушке чурака;

c₂ - активность показательного роста переходного коэффициента при естественной сушке;

c₃ - интенсивность показательного роста переходного коэффициента;

c₄ - активность экспоненциального спада переходного коэффициента;

τ - время естественной сушка, сутки.

Скорость УЗВ по зонам различается и описывается формулой (фиг.3)

υ=υ₀ехр(aτ),

где υ₀ - начальная скорость ультразвука, древесины сердцевины, или спелодревесной части, или заболони, м/с,

a - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака,

τ - время естественной сушки, сутки.

Максимальные возможности применения способа будут при действиях, позволяющих как сертифицировать техническую древесину, так и получать исходные данные для экологического мониторинга территорией, на которой выполнялись процессы заготовки круглых лесоматериалов.

Пример. На отобранном из штабеля отпиленном еловом чураке 1 (Фиг.1) длиной 500 мм, изготавливается верхний торец 2 и нижний торец 3 и наносятся на них радиальные линии с метками 4, (как пример, показаны метки №1…8).

Линии и метки на верхнем и нижнем торце чурака выполняются симметричными относительно продольной оси 5. (Фиг.2). Между метками обоих торцов образуются параллельные линии 6 к образующей чурака.

Концентрические окружности выделяют присердцевинную зону 9, спелодревесную зону 10, зону заболони 11.

Две линии концентрических окружностей наносят до начала естественной сушки по внешним признакам трех зон торцов чурака, края датчиков ультразвукового прибора устанавливают отходя на 0,5 см от края заболонной зоны, а измерения проводят в процессе естественной сушки чураков не менее пяти раз в течение не менее 22 суток до приобретения технической древесиной устойчивой равновесной влажности.

Измерение выполняют в четырех метках спелодревесной зоны - в середине радиуса и в четырех метках заболонной зоны - 0,5 см от кромки.

Измерение ультразвуковых параметров древесины на одной радиальной линии с метками выполняют вдоль чурака не менее чем в восьми метках, причем не менее чем четыре метки намечают в спелодревесной зоне и еще не менее чем четыре метки - в заболонной зоне.

Время прохождения ультразвуком расстояния L измеряется по линии 6, от комля к вершине. Результаты измерения времени прохождения ультразвука в различных точках по средним значениям для каждой зоны по радиусу приведены в таблице 1.

Скорость распространения ультразвука определяется по формуле

,

где υ - скорость ультразвука, м/с;

500 - длина чурака, мм;

T - время прохождения ультразвука, мс.

Результаты испытаний в процессе естественной сушки чурака приведены в табл.2.

По результатам испытаний с помощью программы CurveExpert выявляют закономерности изменения ультразвуковых параметров древесины вдоль чурака в процессе сушки.

Изменение скорости распространения ультразвука в процессе сушки описывается по формуле

υ=2267,4247exp(0,13791013τ)+40,890787τ^1,8388779exp(-0,057858081τ),

где υ - скорость ультразвука в течение времени τ суток, м/с;

2267,4247 - начальное значение скорости ультразвука в момент изготовления чурака, м/с;

0,13791013 - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака;

40,890787 - активность показательного роста скорости ультразвука при естественной сушке;

1,8388779 - интенсивность показательного роста скорости ультразвука;

0,057858081 - активность экспоненциального спада скорости ультразвука;

τ - время естественной сушки, сутки.

В результате подбора формулы изменения акустической константы, м⁴/(кг·с), в процессе сушки чурака в программе CurveExpert получено уравнение зависимости

K=4,0883241exp(0,14345198τ)+0,071850201τ^1,8572138exp(-0,062282869τ)

Вычисляется переходное уравнение от скорости к акустической константе

где P_υ/κ - переходное уравнение, с помощью которого затем можно найти акустическую константу древесины чурака для каждой зоны

На практике, зная скорость распространения ультразвука по замеренному времени прохождения ультразвука через чурак длиной 500 мм, по переходному уравнению можно вычислить изменение акустической константы в процессе естественной сушки для любого времени суток τ.

Зная скорость распространения ультразвука в каждой зоне по радиусу, можно также определить значения акустической константы для каждой зоны.

Значения скорости УЗВ по зонам (фиг.3) различаются и описываются общей формулой

υ=υ₀exp(aτ),

где υ₀ - начальная скорость ультразвука древесины сердцевины, или спелодревесной зоны, или заболонной зоны, м/с,

a - активность экспоненциального роста скорости ультразвука при естественной сушке чурака,

τ - время естественной сушки, сутки.

Для присердцевинной зоны скорость УЗВ описывается формулой

υ_сердц=2638,2251exp(0,012467τ).

Для спелодревесной зоны скорость УЗВ описывается формулой

υ_спелод=2894,2759exp(0,0068308τ).

Для заболонной зоны скорость УЗВ описывается формулой

υ_заб=3876,3034exp(0,0103743τ).

Тогда подставив формулу уравнения скорости в формулу акустической константы, для каждой зоны можно определить значения будущей акустической константы древесины в процессе сушки, сутки (табл.3).

Предлагаемый способ упрощает процесс ультразвукового испытания чураков, находящихся в штабелях в лесу или на складах. Это позволит упростить процесс и снизить трудоемкость ультразвукового испытания и сертификации технической древесины в виде чураков.

Данные ультразвуковых испытаний позволяют также ориентировочно оценивать показатели и параметры механической прочности по зонам радиуса. Он позволяет в дальнейшем перейти на мониторинг процессов заготовки древесины, а затем и к мониторингу выращивания древесины на данной территории. В этом случае появляется возможность оперативной сертификации древесины на складах, у лесозаготовителей и у деревообработчиков, также в лесхозах и лесничествах, причем на корню в ходе лесоустройства. Предлагаемый способ позволяет быстрее выявлять качество и экологическую эффективность процессов всего лесопользования через ультразвуковые свойства древесины чураков, в перспективе обеспечить выход наиболее ценных сортиментов.