Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
APPLICATION OF ACOUSTIC EMISSION METHOD IN THE AREA OF ARBORICULTURE AND WOODWORKING VYUŽITÍ METODY AKUSTICKÉ EMISE V OBLASTI PċSTOVÁNÍ A ZPRACOVÁNÍ DěEVA Pavel MAZAL*, Michal ýERNÝ**, Filip HORT*, František VLAŠIC* *Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství **Mendlova univerzita Brno
Abstract Cultivation and processing of wood represent a significant branch of industry. One great advantage of this sector is the recoverability of sources of raw materials. In this paper we present a brief overview of works devoted to the problems of application of acoustic emissions method in the area of plant cultivation and processing of wood. There are also some examples of the results achieved in joint experiments implemented at Brno University of Technology and Mendel University in Brno Key words: acoustic emission, wood, plants Abstrakt PČstování a zpracování dĜeva tvoĜí významné prĤmyslové odvČtví. Velkou výhodou tohoto odvČtví je obnovitelnost zdrojĤ surovin. V pĜíspČvku je podán struþný pĜehled prací, které se vČnovaly problematice aplikace metody akustické emise v oblasti pČstování rostlin a zpracování dĜeva. Jsou zde prezentovány ukázky výsledkĤ dosažených pĜi spoleþných experimentech realizovaných pracovišti VUT FSI v BrnČ a Mendlovy univerzity Brno. Klíþová slova: akustické emise, dĜevo, stromy
1. Úvod DĜevní hmota je jedním z nejvýznamnČjších materiálĤ, které lidská populace využívá prakticky po celou dobu své existence. Zdrojem tohoto materiálu je stále pĜedevším les. Funkce lesa je však pro þlovČka vysoce interdisciplinární a do popĜedí našeho zájmu se dostávají i jeho další funkce. Nenahraditelná je napĜíklad krajinotvorná funkce lesa. V souvislosti se záplavami v posledních letech se stále více vyzdvihuje funkce vodohospodáĜská. PĜipomenout je nutné zdravotní funkce lesa (vazba na biologii, zdravovČdu) a to, že centrem zájmu þlovČka, tedy spotĜebitele je dĜevo a výrobky ze dĜeva. Jako domácí, stále se obnovující energetický zdroj a surovina, která má mnohostranné využití, již není dĜevo chápáno pouze jako obyþejná surovina, ale stává se surovinou strategickou. Jako látka je dĜevo oblastí výzkumu pro fyziky (vlastnosti dĜeva), pĜiþemž geografie mĤže zdĤraznit prostorové rozdíly v rozšíĜení lesĤ i vzhledem ke kvalitČ dĜeva (fyziky zajímá napĜ. tvrdost, hmotnost, opracovatelnost apod.). DĜevo má široké uplatnČní ve výrobČ umČlých hmot – napĜ. celulóza (vazba na chemii). Vazbu na historii lze nalézt ve vývoji užití dĜevČných výrobkĤ až po souþasné nahrazování dĜeva umČlými hmotami, pozorování zmČn v jeho tČžbČ, ve využívání moderní techniky a napĜíklad v pĜípadČ odlesĖování krajiny. Vazbu
DEFEKTOSKOPIE 2010
301
na biologii lze sledovat u základní myšlenky lesa jako prostĜedí pro život þlovČka a rĤzné druhy zvíĜat. Spojitost s ochranou životního prostĜedí lze najít i pĜi sledování nebezpeþí lesních požárĤ, drancování lesa, jejich neúmČrného kácení ve svČtČ apod. 2. Diagnostika stavu lesního porostu a dĜeva Je samozĜejmé, že význam lesa se odráží i v pozornosti, kterou mu vČnují výzkumníci z mnoha oborĤ. Stav lesa závisí na ĜadČ parametrĤ, jakými jsou napĜ. pĤdní pomČry, hydrogeologické a klimatické pomČry, zneþištČní prostĜedí, pĜípadnČ i struktura a stav živoþichĤ v nČm žijících atd. PodobnČ jako v klasické NDT diagnostice je i v této oblasti základem vizuální hodnocení, avšak tímto zpĤsobem mnohdy není možné spolehlivČ posoudit nČkteré z defektĤ, natož stanovit jejich vliv na hodnocenou rostlinu. V minulých dekádách se dostalo do popĜedí fyzikální hodnocení stavu nosných þástí kmene a koĜenového systému. Využití diagnostických pĜístrojĤ je nejnovČjším krokem pĜi posuzování míry rizika, kterým je existence defektních stromĤ na hodnocené ploše. PĜíkladem sofistikovanČjšího studia kvality dĜevin jsou mechanické testy, které pĜímo zkouší defektní þásti kmene þi odebrané vzorky dĜevní þásti, hodnocením pomocí Presslerova nebozezu (pĜírĤstomČru), nebo fraktometru, který je založen na principu mČĜení pevnostních parametrĤ dĜeva z radiálních a tangenciálních vývrtĤ. Tímto zpĤsobem lze zmČĜit pevnost dĜeva v tlaku kolmo na smČr vláken radiálnČ a tangenciálnČ, ohybovou pevnost (radiální) a smykovou pevnost. Do oblasti mechanických zkoušek lze zaĜadit i penetrometry, které mČĜí výsledky penetrace elastické jehly, definované smČrem prĤniku, vlhkostí a mechanickými vlastnostmi dĜeva. Další oblastí hodnocení dĜevin jsou pĜístroje založené na principu rychlosti šíĜení zvuku, které zjišĢují stav dĜevního válce uvnitĜ kmene pomocí vyhodnocení rychlosti šíĜení zvukových vln dĜevem. Zvukové vlny se šíĜí nejkratší cestou pĜes intaktní bunČþné stČny dĜeva. Je tak odhalena existence dutin, trhlin nebo pĜítomnost dĜeva infikovaného dĜevokaznými houbami, které nutí zvukové vlny tato místa „obcházet“, což je následnČ možné zjistit srovnáním namČĜených rychlostí šíĜení s rychlostmi referenþními. K ovČĜení vlastností dĜevní hmoty jsou využívány samozĜejmČ další fyzikální i elektrické metody, napĜ. metody elektrofyziologie. MČĜící zaĜízení ukáže v podobČ elektrické veliþiny koncentraci iontĤ ve zkoumané þásti pletiva. VyjádĜení tzv. vitality dĜevin je založeno na objevu fytoelektrických proudĤ, které vznikají mezi rostoucími stromy a jejich životním prostĜedím. Tyto fytoelektrické proudy souvisí se zdravotním stavem sledovaného organismu a vytváĜí tak spolehlivý znak vitality stromĤ. Fytoelektrické proudy se mČĜí mezi uzemnČním a rostoucími stromy pomocí zemnící a snímací sondy a elektrického mČĜicího pĜístroje. Zemnící sonda se umísĢuje do vlhké pĤdy. Snímací sonda se zavádí vpichem do pletiva v pĜízemní þásti rostoucího stromu. PomČrnČ novou metodou, která umožĖuje posouzení uvedených postupĤ, je metoda verifikace vitality stromĤ metodou výpoþetní tomografie. Ta je založena na mČĜení absorpce paprskĤ gama v úzké vrstvČ pĜíþného Ĝezu kmenem rostoucího stromu, kde jsou rozhodujícími þiniteli hustota dĜeva a rozložení vlhkostního obsahu. Tomografické zobrazení vyšší vlhkosti v širší bČlové vrstvČ je znakem zdravého stromu, je-li však tomograficky zobrazena snížená vlhkost a zúžená bČla, svČdþí to o narušeném vodním transportu, resp. o ovlivnČní transpiraþního proudu. Pro stanovení aktuálního objemu tohoto tzv. sap flow jsou aplikovány techniky základních fyzikálních metodik z oblasti elektrických zákonĤ, nukleárních poznatkĤ nebo právČ z oblasti tomografie þi magnetické rezonance, prĤniku radioaktivních izotopĤ þi magnetohydrodynamického efektu. Za prioritní však v souþasné dobČ lze považovat metodu, která je založena na termodynamickém chování sledovaného objektu. Z metod, u kterých je
302
DEFEKTOSKOPIE 2010
aplikován termodynamický princip, lze uvést pĜíklady jako: metoda tepelného pulsu, disipaþní metoda, metoda tepelné bilance kmene nebo metoda deformace tepelného pole v kmeni. Projev intenzity transpiraþního toku (proudu) a jeho závislost na uvedených evaporaþních podmínkách, které zĜejmČ zpĤsobují kolísání právČ velikosti a dynamiky prĤtoku v kapilárách xylému, je základní myšlenkou aplikace mČĜení jeho akustické odezvy z pohledu akustické emise (AE). S ohledem na velikost diskontinuity tlakových pomČrĤ v xylému lze s ohledem na citlivost piezoelektrických sond pĜedpokládat možnost sledování transpiraþního toku bČlou. TČžištČm uvádČné metodiky mČĜení toku metodou AE je urþení již uvedené diskontinuity transpiraþního proudČní, pĜíp. zjištČní razantnosti pĜerušujícího se objemu toku, nebo jeho znovunastolení, tj. obnovení prĤtoku. ýetnost emisních událostí na vybraných hladinách a energetická hodnota signálĤ, resp. tvar signálĤ a jejich frekvenþní struktura, to je pĜíští vývoj v oblasti aplikace AE v této oblasti, jež v sobČ obsahuje zvládnutí metodiky snímání, urþení nejaktivnČjších frekvenþních oblastí jednotlivých událostí a jejich detailní matematickou analýzu. Všechny tyto oblasti jsou mimoĜádnČ nároþné s ohledem na již uvedenou interdisciplinárnost problematiky mČĜení, která v sobČ zahrnuje oblast akustickou, elektrickou i biologickou, navíc s úzkou vazbou na meteorologické podmínky. Metoda akustické emise se mimo uvedenou oblast hodnocení rĤstových parametrĤ dĜevin, využívá zejména pro oblast využití dĜeva jako konstrukþního materiálu. Mimo práce citované v našem pĜíspČvku na loĖské konferenci Defektoskopie [1] byly v roce 2010 publikovány nové výsledky postupĤ hodnotících mechanické parametry. Zde se jedná o obdobu postupĤ již standardnČ používaných v oblasti kovových, pĜípadnČ kompozitních materiálĤ. V této souvislosti jsou dále propracovávány postupy, které také na základČ šíĜení vln hodnotí kvalitu (pĜíp. napadení) dĜeva [2]. S hodnocením kvality materiálu velmi úzce souvisí využití metody AE pro sledování procesu sušení dĜeva [3]. PomČrnČ netradiþní bylo využití metody AE pro popis a hodnocení procesu výroby tepelnČ upraveného dĜeva tzv. thermowood [4]. 3. Metodika experimentĤ Ve spolupráci s Ústavem lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie Mendlovy univerzity v BrnČ, kde se kolektiv odborníkĤ pod vedením prof. ýermáka zabývá mČĜením hodnoty transpiraþního proudu metodou deformace tepelného pole, bylo provedeno mČĜení zmČny signálu akustické emise v prĤbČhu nČkolika dnĤ. V tomto pĜípadČ byly objektem mČĜení borovice Douglaska a lípa srdþitá. Výsledky získané zmínČnými postupy by po vzájemném porovnání a detailní analýze mČly sloužit k rozvoji obou metod, prohloubení obou mČĜících metodik a jejich vyšší objektivnosti a verifikovatelnosti. MČĜení navazovala na pĜedchozí experimenty na borovici, topolu a javoru. První ukázky výsledkĤ byly prezentovány již na loĖské konferenci NDE for Safety/Defektoskopie 2009 v Praze [1]. Cílem letošních experimentĤ bylo pĜedevším ovČĜení možnosti zmČny technologie snímání signálu AE. V pĜedchozích experimentech byly do kmene stromu zaraženy tenké þepele z nerezového plechu, na nČž byly umístČny snímaþe AE – viz obr. 1 a obr. 3. V souþasné etapČ jsme se pokusili tyto þepele nahradit, dle našeho názoru ménČ invazivními, ocelovými vlnovody o prĤmČru 4 mm, s bĜitem na konci, které byly opČt zaraženy do hloubky cca 2 cm do kmene stromu. Na rozšíĜené þásti vlnovodu byl umístČn piezoelektrický snímaþ AE s magnetickým upínáním (obr. 1). S ohledem na možnosti výroby byly použity vlnovody s kónickou úpravou pĜechodu [6]. VýhodnČjší tvar rotaþního hyperboloidu by do mČĜení vstoupil pĜípadnČ až po verifikaci nových výsledkĤ a jejich porovnání s pĤvodními výsledky, které byly získány pomocí vlnovodĤ ve tvaru þepele i s výsledky získanými z mČĜení metodou deformace tepelného pole. Pro výrobu vlnovodĤ (obrázek) byla použita feritická nerezavČjící
DEFEKTOSKOPIE 2010
303
ocel, u které lze využít magnetické snímací sondy pro dokonalejší dosednutí sondy na þelo jemnČ broušeného vlnovodu (Ra 0,4).
Obr. 1 Vzhled ocelové þepele a magnetického snímaþe se snímatelným vlnovodem
Obr. 2 Snímací a záznamové zaĜízení použité pĜi experimentech
Obr. 3 Ukázka pĜipevnČní snímaþĤ AE pĜi zkouškách na lípČ
Obr. 4 UspoĜádání experimentĤ na borovici a lípČ.
Vlastní metodika mČĜení byla v podstatČ shodná s mČĜením z pĜedchozího roku [1]. Do borovice i lípy byly zaraženy ocelové þepele i válcové vlnovody. NáslednČ byly pĜipevnČny piezoelektrické snímaþe AE – na þepelích standardní pomocí mechanických úchytĤ a na válcových vlnovodech snímaþe magnetické. Snímání signálu probíhalo soubČžnČ na analyzátorech Dakel Xedo – obr. 2. Vzhledem k dostupnému poþtu snímacích kanálĤ byly dvČ dvojice snímaþĤ upevnČny na lípČ a kontrolní dvojice na borovici. 4. PĜíklady experimentálních výsledkĤ V prĤbČhu nČkolika cca týdenních mČĜení byly získány rozsáhlé datové souboru – v jarním i letním období, pĜi rĤzných klimatických podmínkách, za bouĜek i v relativnČ suchém období. Soubory se stále ještČ zpracovávají, nicménČ pĜíklady výsledkĤ jsou uvedeny na obr. 5 a 6. Na obr. 5 jsou ukázky záznamĤ zmČn signálu AE v prĤbČhu cca 5ti denní zkoušky na lípČ srdþité z období 3. - 8. þervna 2010. Záznamy jednak potvrzují urþitou periodicitu v intenzitČ signálu AE s maximy ve veþerních a ranních hodinách. Zejména se však potvrdilo, že záznamy získané na válcových vlnovodech (dolní záznam – slot 2) jsou plnČ srovnatelné se záznamy z ocelových þepelí (horní záznam – slot 1). Záznamy a) jsou výsledkem vícehladinové analýzy (cca 6 hladin), záznamy b) pak klasické analýzy dvojhladinové se zobrazením RMS. Na obrázku 6 je pĜíklad pokroþilejšího zpracování signálu AE – rozložení frekvencí v rámci hodinových mČĜení realizovaných v rĤzných denních dobách.
304
DEFEKTOSKOPIE 2010
a) b) Obr. 5. Srovnání záznamĤ signálu AE v prĤbČhu cca 5ti denní zkoušky na lípČ srdþité. NahoĜe je signál snímán pomocí standardních snímaþĤ na ocelové þepeli. Dole jsou záznam snímaþĤ na vlnovodech. Záznamy a) jsou výsledkem vícehladinové analýzy (cca 6 hladin), záznamy b) pak klasické analýzy dvojhladinové se zobrazením RMS.
a)
b)
Obr. 6 a) pĜíklady záznamĤ frekvence vs. intenzita signálu z hodinových mČĜení na lípČ v rĤzných denních obdobích (cca v 18 hodin, 6 hodin a ve 24 hodin), b) totéž jako obr. a ve 3D zobrazení – þasové vyjádĜení frekvenþního spektra.
DEFEKTOSKOPIE 2010
305
5. ZávČr V tomto pĜíspČvku je popsána þást záznamĤ snímání signálu AE, jejichž zmČny by mohly odpovídat promČnám životních projevĤ nČkterých dĜevin v prĤbČhu denního cyklu. PĜedstavené hodnoty, získané na lípČ srdþité, plnČ odpovídají již dĜíve prezentovaným výsledkĤm, namČĜeným na borovici douglasce, javoru a topolu. I v tomto pĜípadČ docházelo k periodickým zmČnám snímaného signálu akustické emise s maximy ve veþerních a þasných ranních hodinách. Zde se pĜímo nabízí souvislost s pĜerušováním a opČtovným zahajováním toku živin kmenem stromu tzv. sap flow. Svoji roli samozĜejmČ mohou hrát i teplotní zmČny a tím dilatace dĜevní hmoty, pĜípadnČ vítr apod. V nČkterých záznamech byly zaznamenány pĜímé vlivy aktuálních povČtrnostních podmínek – napĜ. bouĜky. Hlavním cílem mČĜení však bylo další propracování technologie a parametrĤ snímání signálu s pomocí tenkých válcových vlnovodĤ, které pĜedstavují menší zásah do kmene stromĤ oproti dĜíve používaným þepelím. Možnost využití této technologie snímání byla potvrzena a výsledky mají naprosto shodný charakter. V nynČjší etapČ budou namČĜené výsledky dále analyzovány a korelovány s mČĜeními prof. ýermáka s cílem nalezení pĜíþiny periodických zmČn signálu AE, pĜíp. na potvrzení vlivu velikosti transpiraþního proudu a jeho závislosti na teplotČ a radiaþních podmínkách. Získané výsledky mČĜení budou dále objasĖovány z hlediska klimatologického, hydrologického i materiálového. Aplikaci výsledkĤ všech typĤ mČĜení lze využít pro optimalizaci porostní struktury, zhodnocení vitality a funkþní stability porostĤ z hlediska nových, ale zcela zásadních návrhĤ v životnČ dĤležitých procesech. PodČkování: práce pĜedstavené v tomto pĜíspČvku vznikly díky pochopení prof. ýermáka a jeho spolupracovníkĤ z Ústavu lesnické botaniky, dendrologie a geobiocenologie Mendlovy univerzity v BrnČ a v rámci projektu MPO TIP þ. FRR-TI1/371 „Integrated system of monitoring of selected
machine parts”. Literatura 1) MAZAL, P.; ýERNÝ, M.; HORT, F.; VLAŠIC, F.: Odezva transpiraþního proudu v signálu AE. In NDE for safety / Defektoskopie 2009. 2009. Praha, ýeská spol. pro NDT. 2009. p. 275 - 282. ISBN 978-80-214-3973-3. 2) TIITTA,M., TOMPPO,L, VAN DER BEEK,J., LAPPALAINEN, R.: Acoustic and electromagnetic methods for wood. In: 29th Europ. Conference on AE Testing, Vienna, 2010, EWGAE, CD edition, ISBN 978-3-200-01956-0. 3) KAWAMOTO,S., KIGUCHI, M., KATAOKA,Y., MATSUNAGA, M., KOBAYASHI, M., ROSNER,S., OKUMURA, S.: Propagation of Acoustic Emission and Acousto-ultrasonic Waves in Wood Materials. In: 29th Europ. Conference on AE Testing, Vienna, 2010, EWGAE, CD edition, ISBN 978-3-200-01956-0. 4) ROSNER,S., KAWAMOTO,S.: Acoustic emission of conifer sapwood becomes weaker after each dehydration-rewetting cycle. In: 29th Europ. Conference on AE Testing, Vienna, 2010, EWGAE, CD edition, ISBN 978-3-200-01956-0. 5) VAN DER BEEK,J, TIITTA,M.: Monitoring the Thermowood process by means of Acoustic Emission technology. In: 29th Europ. Conference on AE Testing, Vienna, 2010, EWGAE, CD edition, ISBN 978-3-200-01956-0. 6) ýERNÝ, M.; MAZAL, P, FILÍPEK,J. Vliv délky a tvaru vlnovodĤ na snímání akustického signálu. Acta Universitatis Agricultuarae et Silviculturae Mendelianae Brunensis. 2008. 56(1). p. 43 - 53. ISSN 1211-8516.
306
DEFEKTOSKOPIE 2010
