王解軍，黃 佳，陳 曉，劉艷格

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

PSD-V-A綜合判別法在膠合木膠縫缺陷測(cè)試中的應(yīng)用研究

王解軍，黃 佳，陳 曉，劉艷格

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

使用興安落葉松，制作了模擬單層與雙層膠縫缺陷的膠合木構(gòu)件，采用超聲波法對(duì)膠合木構(gòu)件的聲速、波幅及整體波形進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試與分析，并提出采用PSD-V-A綜合法來判別膠縫缺陷的位置、邊界與嚴(yán)重性。該方法可避免以往單一聲學(xué)參數(shù)分析法可能存在的誤判現(xiàn)象，提高了判別的準(zhǔn)確性。

膠合木；膠縫缺陷；超聲波法；聲速；波幅；PSD-V-A綜合判別法

超聲波檢測(cè)法是目前最為常見的無(wú)損檢測(cè)方法之一，因其具有穿透力強(qiáng)、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高、速度快、成本低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它已成為現(xiàn)代產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)與控制的重要方法和手段[1]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于規(guī)格鋸材或者原木本身的裂縫、節(jié)子、腐蝕等缺陷及其彈性模量的無(wú)損檢測(cè)研究較多[2-3]，但對(duì)于膠合木膠縫質(zhì)量檢測(cè)的研究甚少，僅德國(guó)學(xué)者G.Dill-Langer[4-5]研究了超聲波法對(duì)膠合木的膠縫測(cè)試。對(duì)于超聲波檢測(cè)結(jié)果，波速、波幅及整體波形是常用的判別條件，但隨著這些判據(jù)在實(shí)際中的反復(fù)使用后，人們發(fā)現(xiàn)運(yùn)用單一的聲學(xué)參數(shù)來分析超聲波測(cè)試結(jié)果存在一定誤判和漏判現(xiàn)象。我們?cè)诓捎贸暡ǚy(cè)試膠合木膠縫缺陷的試驗(yàn)過程中確實(shí)遇到了此類現(xiàn)象，或稱為“掉波”現(xiàn)象。本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，引入混凝土樁基完整性判別的PSD-V-A綜合法[6-8]來判別膠縫缺陷的位置、邊界與嚴(yán)重性，以解決“掉波”現(xiàn)象的問題，研究其可行性與準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)構(gòu)件

本試驗(yàn)所選用的構(gòu)件是3層落葉松膠合木層板，將3塊落葉松鋸材經(jīng)過膠合養(yǎng)護(hù)制成。試驗(yàn)嚴(yán)格按照規(guī)范[10]選材，選取經(jīng)過鋸制、刨光的Id落葉松鋸材，尺寸為450 mm×150 mm×24 mm，平均含水率在15%，然后采用水基聚氨酯（質(zhì)量比為聚氨酯∶固化劑=100∶15～20）作為粘結(jié)劑，對(duì)層板進(jìn)行壓制。本試驗(yàn)中每個(gè)構(gòu)件上既設(shè)置了單面未涂膠的區(qū)域（單層膠縫缺陷），也設(shè)置了雙面未涂膠的區(qū)域（雙層膠縫缺陷）。構(gòu)件壓制前，在鋸材上采用鋼直尺畫出缺陷位置及長(zhǎng)度，標(biāo)注單層膠縫缺陷及雙層膠縫缺陷，然后用寬約1 cm的黑色絕緣膠布作為隔離帶，將涂膠區(qū)域和不涂膠區(qū)域隔離開來。不涂膠區(qū)域就是人工模擬的膠縫缺陷區(qū)（見圖1）。

圖1 構(gòu)件的膠縫缺陷模擬（平面圖）Fig.1 The simulated diagram of glue-line defective component

試件采用單面施膠，施膠量為250～300 g/m2，涂膠后將同一組的3塊層板疊放在一起，在壓機(jī)上施加1.2 MPa的面壓4～5 h，然后對(duì)試件進(jìn)行24 h的養(yǎng)護(hù)。膠合完成的構(gòu)件尺寸為450 mm ×150 mm×72 mm，其中：?jiǎn)螌幽z縫缺陷位于左端起15 cm～21 cm，雙層膠縫缺陷位于左端起29～35 cm，缺陷長(zhǎng)度均設(shè)置為6 cm（見圖2），共5個(gè)相同的構(gòu)件。

2 試驗(yàn)儀器及方法

本試驗(yàn)采用超聲波測(cè)試儀JMCS-6001，該設(shè)備包含了測(cè)試儀1臺(tái)、平板電腦顯示儀1臺(tái)、數(shù)據(jù)線2根、直徑為3 cm的探頭2個(gè)及充電器等。試驗(yàn)時(shí)，儀器參數(shù)設(shè)定為發(fā)射電壓500 V，采樣點(diǎn)數(shù)為512，觸發(fā)方式為連續(xù)觸發(fā)。發(fā)射脈寬，10 μs；采樣間隔，1.0 μs；低通頻率，60 KHz；高通頻率，10 KHz；零聲時(shí)修正，35.6 μs。

采用超聲波對(duì)測(cè)法（圖2），其中構(gòu)件完整處每3 cm（一個(gè)探頭直徑）采集一個(gè)點(diǎn)，膠縫缺陷區(qū)域進(jìn)行加密測(cè)試，每1 cm采集一個(gè)點(diǎn)，每根構(gòu)件沿縱向采集28個(gè)點(diǎn)。在繪制曲線圖時(shí)，構(gòu)件的長(zhǎng)度作為橫軸，以探頭中心點(diǎn)的位置作為測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)，其中超聲波波速、波幅及PSD值均為縱軸。

圖2 構(gòu)件立面與超聲波測(cè)試（尺寸單位：mm）Fig.2 The elevation of component and ultrasonic testing

3 超聲波實(shí)測(cè)結(jié)果分析

聲速判別法和波幅判別法均是超聲波測(cè)試中常用的方法，PSD法作為一種輔助法，不但能定性還能定量判斷缺陷的大小。

（1）聲速判別法

超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不一樣。通常某測(cè)點(diǎn)的聲速實(shí)測(cè)值小于構(gòu)件的聲速臨界值時(shí)，可認(rèn)為該點(diǎn)是缺陷可疑點(diǎn)。其中，聲速臨界值可按公式（1）計(jì)算求得。

式中：Vc是聲速臨界值(m/s)；Vm是完整處測(cè)點(diǎn)聲速平均值(m/s)；σv是完整處測(cè)點(diǎn)聲速標(biāo)準(zhǔn)差；n是測(cè)點(diǎn)數(shù)。

（2）波幅判別法

超聲波在穿過有缺陷的膠合木構(gòu)件時(shí)，其聲波發(fā)生衰減、吸收、散射等而降低，其變化比聲速更為敏感，故波幅是判斷缺陷的重要參數(shù)，其判別公式如式（2）所示。

式中：Am是完整處測(cè)點(diǎn)波幅平均值（dB）；Ai是某測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)波幅值（dB）；n是測(cè)點(diǎn)數(shù)。

若Ai＜Am-6時(shí)認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)為缺陷可疑點(diǎn)，可結(jié)合波速與整體波形加以綜合判斷。因此本文將Am-6的值作為波幅的判別標(biāo)準(zhǔn)，即PSD-V-A曲線圖中的波幅臨界值。

（3）PSD判據(jù)法

PSD判據(jù)法也稱斜率法，是一種判據(jù)的輔助法。當(dāng)聲波經(jīng)過缺陷位置時(shí)，聲速會(huì)變小，聲時(shí)就會(huì)出現(xiàn)突變，而且聲時(shí)對(duì)缺陷較為敏感。PSD值按式（3）計(jì)算。

式中：PSD是聲時(shí)—深度曲線相鄰兩點(diǎn)的斜率與相鄰時(shí)差值的乘積，單位是(μs2/cm)；ti是第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)（μs）；ti-1是第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲時(shí)（μs）；Zi是第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向長(zhǎng)度（m）；Zi-1是第i-1個(gè)測(cè)點(diǎn)的橫向長(zhǎng)度（m）。

由PSD值計(jì)算式可知，其值與聲時(shí)差的平方成正比，當(dāng)所測(cè)構(gòu)件內(nèi)部均勻無(wú)缺陷時(shí)，聲時(shí)差幾乎不變，PSD值就很??；當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，聲時(shí)就會(huì)發(fā)生突變，將聲時(shí)差平方后擴(kuò)大了突變值，PSD值就會(huì)很大，所以PSD對(duì)缺陷非常敏感。一般將PSD值發(fā)生突變的位置視為缺陷可疑點(diǎn)，需進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)分析。

由于采用單一的聲學(xué)參數(shù)作為判斷缺陷的依據(jù)，往往存在一定的局限性，閻光輝[7-8]等在混凝土基樁缺陷測(cè)試中采用了PSD-V-A綜合法來判斷基樁的完整性。

本文采用PSD-V-A綜合法對(duì)木結(jié)構(gòu)膠縫缺陷的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析與判別，并繪制了相應(yīng)的PSD-V-A曲線圖。曲線圖中設(shè)置了主、次兩個(gè)豎向坐標(biāo)軸和一個(gè)橫向坐標(biāo)軸，兩個(gè)豎向坐標(biāo)軸中的主坐標(biāo)軸表示波速，從下至上數(shù)值增大；次坐標(biāo)軸表示波幅值，數(shù)值由上至下逐漸增大；橫坐標(biāo)軸表示測(cè)試點(diǎn)的長(zhǎng)度坐標(biāo)，以構(gòu)件的測(cè)試端為坐標(biāo)原點(diǎn)，且以第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的探頭中心點(diǎn)離軸端的距離為第一個(gè)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)度，以此類推得所有測(cè)點(diǎn)的橫向坐標(biāo)長(zhǎng)度值。圖中PSD值以豎向主坐標(biāo)軸作為數(shù)軸表示其數(shù)值的大小，超聲波波速用V表示，波幅用A表示，其中超聲波波速臨界值為Vc，波幅臨界值為Ac。這里給出5個(gè)構(gòu)件的曲線圖（如圖3～圖7所示）。

圖3 1號(hào)構(gòu)件PSD-V-A曲線Fig.3 The PSD-V-A curve graph of the fi rst component

圖中左邊縱坐標(biāo)軸為波速坐標(biāo)軸，單位為m·s-1；右邊縱坐標(biāo)軸為波幅坐標(biāo)軸，單位為dB，采用逆序坐標(biāo)；橫軸代表的是構(gòu)件每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)是以測(cè)試點(diǎn)探頭中心為坐標(biāo)所繪制的，單位為cm。圖中有五條不同顏色的線代表不同的參數(shù)，其中藍(lán)色代表的是波速曲線，藏青色代表的是波速臨界值，玫紅色代表的是波幅曲線，橘黃色代表的是波幅臨界值，紅色代表的是PSD值曲線。構(gòu)件在15～21 cm處設(shè)置了單層膠縫缺陷，在29～35 cm處設(shè)置了雙層膠縫缺陷。

由試驗(yàn)分析結(jié)果（圖3～圖7）可知：

（1）膠縫缺陷處，即圖中長(zhǎng)度坐標(biāo)為15.5～21.5 cm 和29.5～35.5 cm的區(qū)域段，波速、波幅均低于（或接近）其相應(yīng)臨界值，波速與波幅曲線相交形成封閉面域。

圖4 2號(hào)構(gòu)件PSD-V-A曲線Fig.4 The PSD-V-A curve graph of the second component

圖5 3號(hào)構(gòu)件PSD-V-A曲線Fig.5 The PSD-V-A curve graph of the third component

圖6 4號(hào)構(gòu)件PSD-V-A曲線Fig.6 The PSD-V-A curve graph of the forth component

（2）除個(gè)別構(gòu)件（如5#構(gòu)件）外，曲線圖上波速與波幅的相交點(diǎn)大致為模擬膠縫缺陷的坐標(biāo)點(diǎn)，其相交區(qū)段長(zhǎng)度也大致為模擬的膠縫長(zhǎng)度6 cm，相差不超過1 cm。單層膠縫缺陷區(qū)，波速波幅相交區(qū)段長(zhǎng)度明顯小于6 cm，這可能是構(gòu)件壓制較緊密，近似膠合完好的原因。

（3）波速與波幅曲線相交面域小的區(qū)段是單層膠縫缺陷處，相交面域大的區(qū)段是雙層膠縫缺陷處，這表明可以依據(jù)波速波幅曲線相交面域的大小來判別缺陷程度的嚴(yán)重性。

（4）波速在其臨界值附近波動(dòng)較小，而波幅在其臨界值附近波動(dòng)大。表明波幅的敏感程度遠(yuǎn)大于波速。

圖7 5號(hào)構(gòu)件PSD-V-A曲線Fig.7 The PSD-V-A curve graph of the fi fth component

（5）在未設(shè)置膠縫缺陷的部位，PSD值曲線基本呈現(xiàn)的很平緩圓滑，而在模擬了膠縫缺陷的區(qū)段PSD值曲線多波動(dòng)，前后差別大。并且，PSD值的變化幅度與波速波幅相交面域的大小是相對(duì)應(yīng)的，即PSD值在波速波幅相交面域小的部分比相交面域大的部分變化要小，在單層膠縫區(qū)域內(nèi)PSD值的波動(dòng)要比雙層膠縫缺陷區(qū)的平緩一些。因此，從PSD值曲線也能判斷出測(cè)試點(diǎn)有無(wú)缺陷，且PSD值變化大，缺陷越嚴(yán)重。

概之，根據(jù)PSD-V-A曲線圖，①波速與波幅曲線相交點(diǎn)，可判為膠縫缺陷的邊界坐標(biāo)點(diǎn)；②波速與波幅均低于臨界值的曲線相交形成封閉面域的長(zhǎng)度，可判為膠縫缺陷區(qū)的長(zhǎng)度；③由波速與波幅均低于臨界值的曲線相交形成封閉面域的大小和PSD值變化層度，來判別缺陷的嚴(yán)重性。波速與波幅曲線相交面域較大，且PSD值變化也較大的區(qū)域，缺陷越嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

制作了由3層興安落葉松板組成的膠合木構(gòu)件，尺寸為450 mm×150 mm×72 mm，進(jìn)行人工模擬單層與雙層膠縫缺陷。采用超聲波對(duì)測(cè)法，沿構(gòu)件縱向，膠合完整區(qū)每3 cm（一個(gè)探頭直徑）采集一個(gè)點(diǎn)，膠縫缺陷區(qū)每1 cm采集一個(gè)點(diǎn)，每根構(gòu)件采集28個(gè)點(diǎn)。共繪制了5個(gè)構(gòu)件的PSD（斜率）、V（波速）、A（波幅）及其臨界值曲線圖。采用PSD-V-A綜合法判別膠縫缺陷區(qū)的位置、范圍（大?。┘皣?yán)重性。通過試驗(yàn)分析，可得到如下結(jié)論：

（1）PSD-V-A綜合法用于判別膠合木膠縫缺陷的邊界位置、范圍與嚴(yán)重性，是完全可行的，比采用波速、波幅或聲時(shí)斜率等單一聲學(xué)參數(shù)法判別，可靠性好、準(zhǔn)確度高。可避免誤判或漏判問題。

（2）PSD-V-A曲線圖中，波速V與波幅A低于其臨界值的兩條曲線相交點(diǎn)與曲線相交范圍，可判為膠縫缺陷的邊界位置與膠縫缺陷的范圍。

（3）綜合波幅曲線及PSD值的變化，可判別缺陷的嚴(yán)重性，波幅曲線及PSD值變化越大，缺陷越嚴(yán)重。

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Research on application of PSD-V-A comprehensive criterion in testing on glue laminated timber with glue line defects

WANG Jie-jun, HUANG Jia, CHEN Xiao, LIU Yan-ge
(Central South University of Forestry Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Xing-an larch is used to make the simulation of glue laminated components with single and double glue line defects in this paper. By the method of ultrasonic, the sound velocity amplitude and waveform of glue laminated components has been carried on detailed tests and analysis. And the PSD-V-A has been presented to be used to distinguish the position, boundary and severity of the glue line defect. This way can avoid possible misjudgment made by single acoustic parameter analysis, improving the accuracy of the discriminant.

glue laminated timber; glue line defect; ultrasonic method; sound velocity; amplitude; PAD-V-A comprehensive criterion

S781.65

A

1673-923X(2016)06-0079-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.06.016

2015-12-04

國(guó)家林業(yè)局科研專項(xiàng)“木結(jié)構(gòu)工程材制造及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（201304504）子項(xiàng)3：木結(jié)構(gòu)工程材質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)與評(píng)定（201304504-3）；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2014B34）

王解軍，教授，博導(dǎo)；E-mail：274983669@qq.com

王解軍，黃 佳，陳 曉，等. PSD-V-A綜合判別法在膠合木膠縫缺陷測(cè)試中的應(yīng)用研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(6): 79-83.

[本文編校：吳 彬]