Способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню

Изобретение относится к области диагностики резонансных свойств древесины у молодых деревьев в возрасте подроста и старше и может быть использовано в плантационном лесовыращивании в целях получения качественного материала с предсказуемыми техническими характеристиками для изготовления музыкальных инструментов.

Качество резонансной древесины определяется несколькими категориями, включая ее макроструктуру - ширину годичных слоев и процентное содержание в них так называемой поздней древесины, а также акустическую константу излучения звука - K_u, которая является комплексным показателем и определяется из следующего соотношения динамического модуля Юнга Е_дин и плотности материала ρ:

Для определения макроструктуры древесины применяются оптические или лучевые устройства (Федюков В.И. Ель резонансная: Отбор на корню, выращивание, сертификация: Научное издание. - Йошкар-Ола, 1998.), а также новые способ и устройство для его осуществления путем определения поверхностей микротвердости по образцу в виде радиального керна, взятого от ствола взрослого дерева (Федюков В.И., Веселов Л.Н., Веселов В.Л. Способ диагностики резонансных свойств древесины и устройство для его осуществления: патент на изобретение №2130611).

Теория строения древесины и достигнутые результаты говорят о том, что такой способ по своим возможностям не отвечают требованиям ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню из-за малого диаметра молодых деревьев и преобладания в них мягкой ткани из ювенильных клеток.

Известен способ диагностики качества древесины на корню путем измерения модуля Юнга через величину прогиба, создаваемого изгибающим моментом на стволе с помощью рычажного приспособления и силы тяжести человека (Koizumi Akio. «Хоккайдо дайгану ногакубу энсюрин кэнкю хококу. Res, Bull, Coll. Exp, Forest Hokkaido Univ», 1987, 44, №4, 1329-1346, в реферате журнала «Технология и оборудование лесозаготовительного, деревообрабатывающего и целлюлозно-бумажного производства», 1988, №3).

Недостатком данного способа помимо большой трудоемкости, сложности и низкой производительности является то, что он применим только для деревьев со стволами диаметром 10-25 см. Тогда как для ранней диагностики подроста оптимальной его толщиной является 3-5 мм.

Главное: таким способом можно выявить только статический модуль упругости Е_ст, а для определения динамического модуля упругости Юнга Е_дин и в дальнейшем акустической константы звука K_u по формуле (1) требуются частотно-акустические характеристики, особенно собственная резонансная частота колебаний f_o.

Известен метод звукового резонанса, конкретнее частотно-амплитудный метод для определения Е_дин на малых образцах древесины с помощью специальных акустических анализаторов, которые позволяют создавать электромагнитное поле с помощью громкоговорителя (либо обычного, либо пьезокерамического), соответствующего весу (т.е. плотности) и участку поперечного сечения образца, одновременно обнаруживая и фиксируя результирующую вибрацию внутри образца. Спектральные характеристики образца определяются напрямую от резонансных режимов (Lindstrom, H.; Harris, P.; Nakada, R. 2002: Methods for measuring stiffness of young trees. Holz als Roh-und Werkstoff 60: 165-167).

Недостатком способа является то, что он основан на возбуждении и анализе продольных вибраций относительно волокон древесины, и для акустического анализа требуется изготовление цилиндрических образцов путем их выпиливания из стволовой части дерева по междоузлиям, что лишает возможности диагностировать подрост на корню сохранением его жизнеспособности.

Главный недостаток: этот способ позволяет выявить только один показатель древесины, динамический модуль упругости, а резонансные свойства при этом вообще не определяются.

Прототипом является способ определения собственной резонансной частоты колебаний образца древесины в виде поперечно-радиальных кернов длиной от 70 до 150 мм и диаметром 4 мм, путем определения дендроакустических свойств исследуемого образца (Федюков В.И. Ель резонансная: Отбор на корню, выращивание, сертификация: Научное издание. - Йошкар-Ола, 1998 стр.71-75).

Способ, позволяющий определить дендроакустические свойства исследуемого образца, заключается в следующем:

- из ствола растущих деревьев ели с помощью возрастного бурава (полового) на высоте 1,3 м берут поперечно-радиальный керн; его диаметр строго соответствует внутреннему диаметру используемого бурава, что составляет 4,0 мм;

- керн после достижения комнатно-сухого состояния подвергается дендроакустическим испытаниям с помощью специального прибора, состоящего из станины консольного типа крепления образца, генератора звуковых частот ГЗ-117, милливольтметра ВЗ-56 и осциллографа.

Данный прибор в таком комплексе представляет собой систему электромагнитного вибратора, возбуждающего колебания вертикально установленного образца; один торец жестко закреплен в держатель станины, а на верхний его торец надет «колпачек» из мягкого железа. Гармонический сигнал от генератора звуковых частот подается на вибратор, а в дальнейшем сигнал с датчика поступает на милливольтметр и осциллограф.

Суть дендроакустических испытаний заключается в том, что путем плавного вращения ручки настройки генератора выполняют развертку по частоте, и одновременно контролируя с помощью осциллографа развернутый вид сигнала колебания, то есть гистограммы, находят резонансную частоту по максимальному отклонению стрелки милливольтметра.

Недостатком является то, что данный способ применим только для технически спелых деревьев с твердой древесиной по всему диаметру ствола. К тому же, процесс взятия керна и его камеральных измерений требует сложной аппаратуры и в целом отличается высокой трудоемкостью. При этом ввиду анизотропности древесины радиальный керн после высыхания эллипсовидный в поперечном срезе, поэтому требуется проводить измерения по двум взаимоперпендикулярным направлениям, что способствует появлению систематических погрешностей и снижению точности результатов измерений.

Главным недостатком известного способа является невозможность брать керны из молодых деревцев и установить частотно-амплитудные показатели подроста с малым, но неодинаковым диаметром слабоодревеснившихся черенков, к тому же с коротким приростом боковых веток и, как следствие, метод кернов невозможно использовать в прогнозировании принадлежности исследуемых экземпляров к категории «источник резонансного сырья».

Технический результат - повышение точности диагностики резонансных свойств древесины на корню.

Технический результат достигается тем, что способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню, преимущественно подроста, осуществляют путем определения дендроакустических свойств исследуемого образца, согласно изобретения у елового подроста с южной стороны от серединных боковых веток, исключая последние трехлетние приросты, берут образцы в виде черенков, определяют собственную частоту колебаний отобранных черенков резонансным методом, в результате чего, посредством персонального компьютера с полнодуплексной звуковой платой и программой в автоматическом режиме, получают частотно-амплитудную гистограмму с дальнейшим ее идентифицированием с ранее полученной эталонной гистограммой с учетом плотности и фактической толщины черенка, по результатам идентифицирования с заданной степенью вероятности не ниже 0,95 определяют наличие резонансных свойств подроста.

На чертеже представлено устройство, иллюстрирующее осуществление предлагаемого способа ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню.

Устройство для ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню представляет собой комплекс взаимосвязанных в определенной последовательности приборов и работает следующим образом.

Сигнал, по диапазону частот и амплитуде заданный оператором исходя из эталонных частотно-амплитудных данных резонансной древесины с близкими размерами и плотностью, поступает от полнодуплексной звуковой платы системного блока компьютера 1 на электромагнитный вибратор 2, возбуждающий поперечные колебания исследуемого образца 3 посредством «колпачка» 4 из мягкого железа с внутренним диаметром, подогнанным по диаметру образца. После фиксации снятый электромагнитным датчиком 2 сигнал поступает на «вход» полнодуплексной звуковой платы 1 и проводится обработка данных по специальной программе ПК, а на экран монитора 5 выводится соответствующая гистограмма с заданной степенью вероятности, подтверждающая или отрицающая резонансные свойства подроста ели.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ СПОСОБА

1. Берем образец 3 в виде черенка у елового подроста с южной стороны от серединных боковых веток, исключая последние трехлетние приросты.

2. Образцы очищаем от коры с помощью ножа.

3. Определяем геометрические размеры образца с точностью до±0,1 мм: длину, диаметр с помощью штангенциркуля ШЦ по ГОСТ 166;

4. Определяем массу образца путем взвешивания на весах с точностью до ±0,01 г.

5. Рассчитываем плотность образца по формуле:

где l - длина образца, м;

r - диаметр образца, м;

m - масса образца, кг.

6. Закрепляем колпачок 4 на верхний торец образца.

7. Плотно устанавливаем образец с закрепленным колпачком вертикально в держатель прибора.

8. Подаем на электромагнитный вибратор 2 сигнал с выхода полнодуплексной звуковой платы, по диапазону и частоте заданный оператором исходя из эталонных частотно-амплитудных данных резонансной древесины с близкими размерами и плотностью. В результате чего возбуждаются поперечные колебания исследуемого образца.

9. В автоматическом режиме электромагнитный датчик фиксирует сигнал, создаваемый колебаниями образца, и передает его на вход полнодуплексной звуковой платы. В результате преобразований, выполняемых специальной программой, на экран монитора 5 выводится соответствующая частотно-амплитудная гистограмма, которая идентифицируется с ранее полученной эталонной гистограммой подтверждающая или отрицающая резонансные свойства подроста с учетом формулы:

исходя из следующих соотношении:

где Е_дин - динамический модуль упругости Юнга, м⁴/кг·с;

ρ - плотность образца, кг/м³;

f - собственная (резонансная) частота образца, Гц;

l - длина образца, м;

r - диаметр образца, м.

Иными словами, сравнение происходит как по величине акустической константы, так и по частотно-амплитудной гистограмме.

Способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню, преимущественно подроста путем определения дендроакустических свойств исследуемого образца, отличающийся тем, что у елового подроста с южной стороны от серединных боковых веток, исключая последние трехлетние приросты, берут образцы в виде черенков, определяют собственную частоту колебаний отобранных черенков резонансным методом, в результате чего посредством персонального компьютера с полнодуплексной звуковой платой и программой в автоматическом режиме получают частотно-амплитудную гистограмму с дальнейшим ее идентифицированием с ранее полученной эталонной гистограммой с учетом плотности и фактической толщины черенка, по результатам идентифицирования с заданной степенью вероятности не ниже 0,95 определяют наличие резонансных свойств подроста.