Акустическая томография древесины липы

Исследования скорости звука в древесине актуальны в лесном хозяйстве, так как позволяют оценить состояние дерева, а также в лесопромышленном комплексе - для выявления скрытых дефектов в древесине. Исследования находятся на стыке наук: биологии, физики, математики, информатики. Актуальность исследований обусловлена необходимостью оценки качества древесины растущих деревьев. Несмотря на многочисленные исследования качественных характеристик древесины [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8], до сих пор не выработана методика быстрого, точного и простого способа определения внутреннего состояния древесины. Для оценки состояния деревьев могут применяться различные методы и устройства [9, 10, 11, 12]. Акустическая томография оказалась одной из эффективных методик для выявления внутренних дефектов древесины [13, 14, 15].

Для широко применения акустической томографии необходимо разработать корректную интерпретацию полученных данных и составить шкалу скоростей древесины разных пород деревьев.

Цель – исследовать скорости прохождения звуковых импульсов в древесине липы мелколиственной (Tilia cordata Mill.).

Исследования проводили в сквере вблизи 1 и 2 корпуса Северного Арктического федерального университета города Архангельска.

Внутренную диагностику состояния деревьев оценивали с помощью импульсного томографа Арботом. Основой Арботома являются сенсоры (рис.1). В каждом сенсоре Арботома имеется виброметр и электронная схема для фиксации и преобразования сигналов, полученных от удара молотком по штифту, в цифровую форму, а затем определения реального времени прохождения поступающих импульсов с учетом расстояний между сенсорами. На основании зафиксированных программой данных рассчитываются скорости прохождения этих импульсов, которые затем собираются в матрицу и с помощью компьютера могут быть представлены в виде линейных или плоскостных графических построений.

Рис.1. Основные компоненты Арботома: А – сенсор; Б – блок питания

Липа мелколистная широко применяется в озеленении города Архангельска. Присутствие в сквере составляет 30% от всех деревьев.

Акустическую томографию проводили у деревьев с диаметром 10-20см (мелкие), 30-40 см (средние), 50-60 см (крупные деревья). Всего обследовано 20 деревьев

В категории «мелкие деревья» все деревья имеют равномерную окраску в поперечном сечении ствола, что указывает на отсутствие патологии (рис.2). При этом скорость звукового импульса составляет около 900 м/с.

Рис. 2. Изображение акустической томографии поперечного сечения ствола липы диаметром 18см.

Среди деревьев средней категории крупности встречаются здоровые (с равномерной окраской плоскостного изображения) (рис.3). Скорость прохождения звукового импульса в их древесине составляет около 900 м/с. Деревья с начальными стадиями гнили (начало деструкции древесины) на плоскостном изображении характеризуются наличием пятен со скоростью звукового импульса менее 700 м/с, для деревьев с гнилью - менее 500м/с.

У деревьев, относящихся к крупным, не встречаются равномерные окраски плоскостного изображения акустической томографии (рис.4). Но можно сделать вывод, что при формировании дупла (последняя стадия гнили) скорость звукового импульса в древесине может снижаться до 160 м/с.

Рис. 3. Изображения акустической томографии поперечных сечений стволов липы средней категории крупности.

Рис. 4. Изображения акустической томографии поперечных сечений крупных стволов липы.

Проанализируем данные матриц акустической томографии (табл.1).

Таблица 1. Скорости звукового импульса в древесине липы, м/с

У мелких здоровых деревьев скорость прохождения звукового импульса в древесине липы ниже, чем у деревьев средней категории крупности. Различие достоверно (достоверность различия более 2,5). Это объясняется большими радиальными приростами у деревьев в молодом возрасте. С наличием деструкции средняя скорость прохождения звукового импульса в древесине снижается, коэффициент изменчивости возрастает.

В результате исследования оценили скорость прохождения звука в древесине липы, характеризующейся разными категориями крупности и разными категориями состояния.