王解军，黄 佳，陈 晓，刘艳格

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

PSD-V-A综合判别法在胶合木胶缝缺陷测试中的应用研究

王解军，黄 佳，陈 晓，刘艳格

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

使用兴安落叶松，制作了模拟单层与双层胶缝缺陷的胶合木构件，采用超声波法对胶合木构件的声速、波幅及整体波形进行了详细的测试与分析，并提出采用PSD-V-A综合法来判别胶缝缺陷的位置、边界与严重性。该方法可避免以往单一声学参数分析法可能存在的误判现象，提高了判别的准确性。

胶合木；胶缝缺陷；超声波法；声速；波幅；PSD-V-A综合判别法

超声波检测法是目前最为常见的无损检测方法之一，因其具有穿透力强、缺陷定位准确、灵敏度高、速度快、成本低等特点而被广泛应用于各个领域，它已成为现代产品质量检测与控制的重要方法和手段[1]。目前，国内外关于规格锯材或者原木本身的裂缝、节子、腐蚀等缺陷及其弹性模量的无损检测研究较多[2-3]，但对于胶合木胶缝质量检测的研究甚少，仅德国学者G.Dill-Langer[4-5]研究了超声波法对胶合木的胶缝测试。对于超声波检测结果，波速、波幅及整体波形是常用的判别条件，但随着这些判据在实际中的反复使用后，人们发现运用单一的声学参数来分析超声波测试结果存在一定误判和漏判现象。我们在采用超声波法测试胶合木胶缝缺陷的试验过程中确实遇到了此类现象，或称为“掉波”现象。本文基于实测数据，引入混凝土桩基完整性判别的PSD-V-A综合法[6-8]来判别胶缝缺陷的位置、边界与严重性，以解决“掉波”现象的问题，研究其可行性与准确性。

1 试验构件

本试验所选用的构件是3层落叶松胶合木层板，将3块落叶松锯材经过胶合养护制成。试验严格按照规范[10]选材，选取经过锯制、刨光的Id落叶松锯材，尺寸为450 mm×150 mm×24 mm，平均含水率在15%，然后采用水基聚氨酯（质量比为聚氨酯∶固化剂=100∶15～20）作为粘结剂，对层板进行压制。本试验中每个构件上既设置了单面未涂胶的区域（单层胶缝缺陷），也设置了双面未涂胶的区域（双层胶缝缺陷）。构件压制前，在锯材上采用钢直尺画出缺陷位置及长度，标注单层胶缝缺陷及双层胶缝缺陷，然后用宽约1 cm的黑色绝缘胶布作为隔离带，将涂胶区域和不涂胶区域隔离开来。不涂胶区域就是人工模拟的胶缝缺陷区（见图1）。

图1 构件的胶缝缺陷模拟（平面图）Fig.1 The simulated diagram of glue-line defective component

试件采用单面施胶，施胶量为250～300 g/m2，涂胶后将同一组的3块层板叠放在一起，在压机上施加1.2 MPa的面压4～5 h，然后对试件进行24 h的养护。胶合完成的构件尺寸为450 mm ×150 mm×72 mm，其中：单层胶缝缺陷位于左端起15 cm～21 cm，双层胶缝缺陷位于左端起29～35 cm，缺陷长度均设置为6 cm（见图2），共5个相同的构件。

2 试验仪器及方法

本试验采用超声波测试仪JMCS-6001，该设备包含了测试仪1台、平板电脑显示仪1台、数据线2根、直径为3 cm的探头2个及充电器等。试验时，仪器参数设定为发射电压500 V，采样点数为512，触发方式为连续触发。发射脉宽，10 μs；采样间隔，1.0 μs；低通频率，60 KHz；高通频率，10 KHz；零声时修正，35.6 μs。

采用超声波对测法（图2），其中构件完整处每3 cm（一个探头直径）采集一个点，胶缝缺陷区域进行加密测试，每1 cm采集一个点，每根构件沿纵向采集28个点。在绘制曲线图时，构件的长度作为横轴，以探头中心点的位置作为测试点的坐标，其中超声波波速、波幅及PSD值均为纵轴。

图2 构件立面与超声波测试（尺寸单位：mm）Fig.2 The elevation of component and ultrasonic testing

3 超声波实测结果分析

声速判别法和波幅判别法均是超声波测试中常用的方法，PSD法作为一种辅助法，不但能定性还能定量判断缺陷的大小。

（1）声速判别法

超声波在不同介质中的传播速度不一样。通常某测点的声速实测值小于构件的声速临界值时，可认为该点是缺陷可疑点。其中，声速临界值可按公式（1）计算求得。

式中：Vc是声速临界值(m/s)；Vm是完整处测点声速平均值(m/s)；σv是完整处测点声速标准差；n是测点数。

（2）波幅判别法

超声波在穿过有缺陷的胶合木构件时，其声波发生衰减、吸收、散射等而降低，其变化比声速更为敏感，故波幅是判断缺陷的重要参数，其判别公式如式（2）所示。

式中：Am是完整处测点波幅平均值（dB）；Ai是某测点处实测波幅值（dB）；n是测点数。

若Ai＜Am-6时认为该测点为缺陷可疑点，可结合波速与整体波形加以综合判断。因此本文将Am-6的值作为波幅的判别标准，即PSD-V-A曲线图中的波幅临界值。

（3）PSD判据法

PSD判据法也称斜率法，是一种判据的辅助法。当声波经过缺陷位置时，声速会变小，声时就会出现突变，而且声时对缺陷较为敏感。PSD值按式（3）计算。

式中：PSD是声时—深度曲线相邻两点的斜率与相邻时差值的乘积，单位是(μs2/cm)；ti是第i个测点的声时（μs）；ti-1是第i-1个测点的声时（μs）；Zi是第i个测点的横向长度（m）；Zi-1是第i-1个测点的横向长度（m）。

由PSD值计算式可知，其值与声时差的平方成正比，当所测构件内部均匀无缺陷时，声时差几乎不变，PSD值就很小；当构件内部存在缺陷时，声时就会发生突变，将声时差平方后扩大了突变值，PSD值就会很大，所以PSD对缺陷非常敏感。一般将PSD值发生突变的位置视为缺陷可疑点，需进一步进行检测分析。

由于采用单一的声学参数作为判断缺陷的依据，往往存在一定的局限性，阎光辉[7-8]等在混凝土基桩缺陷测试中采用了PSD-V-A综合法来判断基桩的完整性。

本文采用PSD-V-A综合法对木结构胶缝缺陷的实测结果进行分析与判别，并绘制了相应的PSD-V-A曲线图。曲线图中设置了主、次两个竖向坐标轴和一个横向坐标轴，两个竖向坐标轴中的主坐标轴表示波速，从下至上数值增大；次坐标轴表示波幅值，数值由上至下逐渐增大；横坐标轴表示测试点的长度坐标，以构件的测试端为坐标原点，且以第一个测试点的探头中心点离轴端的距离为第一个测点的长度，以此类推得所有测点的横向坐标长度值。图中PSD值以竖向主坐标轴作为数轴表示其数值的大小，超声波波速用V表示，波幅用A表示，其中超声波波速临界值为Vc，波幅临界值为Ac。这里给出5个构件的曲线图（如图3～图7所示）。

图3 1号构件PSD-V-A曲线Fig.3 The PSD-V-A curve graph of the fi rst component

图中左边纵坐标轴为波速坐标轴，单位为m·s-1；右边纵坐标轴为波幅坐标轴，单位为dB，采用逆序坐标；横轴代表的是构件每个测试点的坐标，坐标是以测试点探头中心为坐标所绘制的，单位为cm。图中有五条不同颜色的线代表不同的参数，其中蓝色代表的是波速曲线，藏青色代表的是波速临界值，玫红色代表的是波幅曲线，橘黄色代表的是波幅临界值，红色代表的是PSD值曲线。构件在15～21 cm处设置了单层胶缝缺陷，在29～35 cm处设置了双层胶缝缺陷。

由试验分析结果（图3～图7）可知：

（1）胶缝缺陷处，即图中长度坐标为15.5～21.5 cm 和29.5～35.5 cm的区域段，波速、波幅均低于（或接近）其相应临界值，波速与波幅曲线相交形成封闭面域。

图4 2号构件PSD-V-A曲线Fig.4 The PSD-V-A curve graph of the second component

图5 3号构件PSD-V-A曲线Fig.5 The PSD-V-A curve graph of the third component

图6 4号构件PSD-V-A曲线Fig.6 The PSD-V-A curve graph of the forth component

（2）除个别构件（如5#构件）外，曲线图上波速与波幅的相交点大致为模拟胶缝缺陷的坐标点，其相交区段长度也大致为模拟的胶缝长度6 cm，相差不超过1 cm。单层胶缝缺陷区，波速波幅相交区段长度明显小于6 cm，这可能是构件压制较紧密，近似胶合完好的原因。

（3）波速与波幅曲线相交面域小的区段是单层胶缝缺陷处，相交面域大的区段是双层胶缝缺陷处，这表明可以依据波速波幅曲线相交面域的大小来判别缺陷程度的严重性。

（4）波速在其临界值附近波动较小，而波幅在其临界值附近波动大。表明波幅的敏感程度远大于波速。

图7 5号构件PSD-V-A曲线Fig.7 The PSD-V-A curve graph of the fi fth component

（5）在未设置胶缝缺陷的部位，PSD值曲线基本呈现的很平缓圆滑，而在模拟了胶缝缺陷的区段PSD值曲线多波动，前后差别大。并且，PSD值的变化幅度与波速波幅相交面域的大小是相对应的，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变化要小，在单层胶缝区域内PSD值的波动要比双层胶缝缺陷区的平缓一些。因此，从PSD值曲线也能判断出测试点有无缺陷，且PSD值变化大，缺陷越严重。

概之，根据PSD-V-A曲线图，①波速与波幅曲线相交点，可判为胶缝缺陷的边界坐标点；②波速与波幅均低于临界值的曲线相交形成封闭面域的长度，可判为胶缝缺陷区的长度；③由波速与波幅均低于临界值的曲线相交形成封闭面域的大小和PSD值变化层度，来判别缺陷的严重性。波速与波幅曲线相交面域较大，且PSD值变化也较大的区域，缺陷越严重。

4 结 论

制作了由3层兴安落叶松板组成的胶合木构件，尺寸为450 mm×150 mm×72 mm，进行人工模拟单层与双层胶缝缺陷。采用超声波对测法，沿构件纵向，胶合完整区每3 cm（一个探头直径）采集一个点，胶缝缺陷区每1 cm采集一个点，每根构件采集28个点。共绘制了5个构件的PSD（斜率）、V（波速）、A（波幅）及其临界值曲线图。采用PSD-V-A综合法判别胶缝缺陷区的位置、范围（大小）及严重性。通过试验分析，可得到如下结论：

（1）PSD-V-A综合法用于判别胶合木胶缝缺陷的边界位置、范围与严重性，是完全可行的，比采用波速、波幅或声时斜率等单一声学参数法判别，可靠性好、准确度高。可避免误判或漏判问题。

（2）PSD-V-A曲线图中，波速V与波幅A低于其临界值的两条曲线相交点与曲线相交范围，可判为胶缝缺陷的边界位置与胶缝缺陷的范围。

（3）综合波幅曲线及PSD值的变化，可判别缺陷的严重性，波幅曲线及PSD值变化越大，缺陷越严重。

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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

国家林业局科研专项“木结构工程材制造及应用关键技术研究与示范”（201304504）子项3：木结构工程材质量无损检测与评定（201304504-3）；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目（CX2014B34）

王解军，教授，博导；E-mail：274983669@qq.com

王解军，黄 佳，陈 晓，等. PSD-V-A综合判别法在胶合木胶缝缺陷测试中的应用研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(6): 79-83.

[本文编校：吴 彬]