应力波无损检测技术的基本原理

木材的声学特性是应力波无损检测的物理基础，它的基本原理是木材的一端受到敲击作用（机械作用），使其内部产生应力波（机械波）的传播，通过特定的设备和装置测定应力波的传播时间和传播速度的变化来判断木材的性质，如腐朽、缺陷和动弹性模量等。木材应力波无损检测技术包括横向应力波技术和纵向应力波技术，横向应力波主要用于检测木材内部是否含有腐朽或孔洞等缺陷，而纵向应力波技术主要用于测定木材的动弹性模量。

FAKOPP和ARBOTOM是进行木材应力波无损检测时常用的仪器，下面以FAKOPP仪器为例说明木材应力波无损检测的基本原理。

图12.4-3所示为FAKOPP检测木材内部腐朽的原理示意图，即横向应力波无损检测。对于相同距离的木材，应力波无损检测测定仪记录的是传播时间，其结果是健康木材需要的时间少，而腐朽材和含有孔洞等缺陷的木材的传播时间则会大大增加。因为对健康木材来说，应力波的传播路径是直线，而对于腐朽材和内部含有孔洞的木材，应力波的传播路径则为曲线，传播时间相应的就会增加，由此可以判断木材内部是否腐朽或含有空洞等缺陷。

图12.4-3 FAKOPP检测木材内部腐朽的原理

（图片来源：FAKOPP公司网站www.fakopp.com）(www.xing528.com)

一般地，当木材发生腐朽或虫蛀时，应力波的传播时间和速度会受到严重影响，垂直于木材纹理方向的传播时间增加明显，传播速度则急剧减小，因此检测木材横向（径向或弦向）应力波传播速度是探测木材内部是否腐朽的最佳途径。通常情况下，当应力波传播时间增加30%时，就意味着木材强度损失达到50%；当应力波传播时间增加50%时，就意味着木材遭到了严重损害。在古建筑维护和修缮的过程中，常常依此来判断古建筑旧木构件腐朽或虫蛀程度，从而确定旧木构件是否需要更换。

图12.4-4为FAKOPP测定木材动弹性模量的原理图，即纵向应力波无损检测技术。将仪器的两个传感器钉入需要测定的试样，一般α≤45°。当用锤子敲击其中的一个传感器时，就会在木材内部产生应力波，当另一个传感器接收到应力波信号时，仪器就会显示应力波传播的时间，通过测定两传感器之间的距离，由v=L/T（其中L为距离，T为传播时间）即可知道应力波的传播速度。由木材的声学性质可知，其动态弹性模量MOE与应力波传播速度v及木材的密度ρ之间存在着如下关系：MOE=ρv²，因此通过测定应力波在木材中的传播速度和木材的密度，就可确定其动态弹性模量。又因为木材抗弯弹性模量及抗弯强度等木材力学性质与木材弹性模量间存在密切的关系，因此可以对木材抗弯弹性模量及抗弯强度等木材力学性质进行有效的预测。

图12.4-4 FAKOPP测定木材动弹性模量的原理

（图片来源：FAKOPP公司网站www.fakopp.com）