应力波无损检测技术：探究木材内部状态的声学方法

木材作为一种历史悠久且性能优异的生物质材料，其声学特性为我们提供了一扇探究其内部健康状况的窗口。应力波无损检测（Stress Wave Nondestructive Testing）正是基于这一物理基础发展而来的技术。其核心原理十分直观：通过在木材一端施加一个轻微的敲击，激发一道应力波（即机械波）在木材内部传播。通过精确测量这道波的传播时间与速度，我们就能像医生听诊一样，判断木材的内部是否存在腐朽、孔洞等缺陷，甚至评估其动态弹性模量等关键力学性能。

目前，木材应力波检测技术主要分为两大类：

• 横向应力波技术：主要用于探测木材内部的腐朽、空洞等缺陷。
• 纵向应力波技术：主要用于测定木材的动态弹性模量。

以业界常用的FAKOPP和ARBOTOM等仪器为例，我们可以更深入地理解其工作原理。

1. 应力波无损检测的基本原理

1.1 横向检测：识别内部缺陷

想象一下，应力波就像一个在木材中赛跑的信使。在健康的木材中，这位信使会沿着直线走最短的路径（见图1）。然而，如果木材内部存在腐朽或空洞，信使就不得不绕道而行，其传播路径变成了曲线，传播时间自然会显著增加。因此，通过测量应力波在木材横截面（径向或弦向）的传播时间，我们就能准确判断其内部的健康状况。

图1 FAKOPP检测木材内部腐朽的原理示意图

经验表明，当应力波的传播时间增加30%时，通常意味着木材的强度已经损失了约50%；而当传播时间增加50%时，则表明木材已遭到严重损害。这一经验法则在古建筑的维护修缮中至关重要，它为工程师们决定是否需要更换旧木构件提供了科学、量化的依据。

1.2 纵向检测：评估力学性能

纵向应力波技术则专注于评估木材的“筋骨”——即其力学性能。如图2所示，将两个传感器以一定角度（通常α ≲ 45°）钉入待测试样。敲击其中一个传感器，应力波便开始沿木材纵向传播。当另一个传感器接收到信号时，仪器便记录下传播时间T。结合两个传感器之间的距离L，我们可以轻易计算出应力波的传播速度 v = L / T。

图2 FAKOPP测定木材动弹性模量的原理示意图

根据木材的声学性质，其动态弹性模量（MOE）与应力波传播速度v及木材密度ρ之间存在一个关键关系：MOE = ρv²。这意味着，只需测得应力波速度和木材密度，我们就能计算出其动态弹性模量。由于木材的抗弯弹性模量、抗弯强度等重要力学指标都与弹性模量密切相关，因此该方法能够对木材的残余力学性能进行有效预测。

2. 在古建筑木结构保护与检测中的应用

2.1 建立健康材的“声学档案”

要准确判断一个木构件是否“生病”，首先需要知道它在“健康”时应该是什么状态。因此，测定不同树种健康材的应力波传播速度，建立一个可靠的基准数据库，是所有检测工作的基础。下表汇总了国内外学者测得的部分健康材应力波传播速度，可供检测时参考。

表1 应力波在健康材中的径向传播速度（FAKOPP提供）

表2 应力波在健康材中的传播速度（美国学者研究结果）

表3 应力波在健康材中的传播速度（日本学者研究结果）

在“古建筑木结构防护和无损检测评价新技术研究”专项中，国内研究团队也测定了部分国产树种健康材的应力波传播速度，为我国古建筑的保护工作提供了宝贵的第一手数据。

表4 国产树种健康材的应力波传播速度

2.2 横向应力波在腐朽与虫蛀检测中的实践

（1）云杉木构件检测（青海塔尔寺） 以健康云杉径向传播速度约1210 m/s为基准，对塔尔寺的房椽进行检测，发现了三种典型的腐朽类型：

• 第一类：内部完全腐朽。 如5号房椽（见表5），虽然表面部分看似完好，但所有测点的应力波速度均远低于健康值，表明其内部已完全腐朽。这凸显了无损检测在揭示“金玉其外，败絮其中”问题上的独特优势。
• 第二类：表里不一。 如1号和7号房椽（见表6），部分区域外表健康，但检测结果显示内部腐朽；反之，部分区域表面有明显腐朽，但应力波速度正常，表明腐朽仅限于表层。
• 第三类：虫蛀材。 如6号房椽（见表7），虫蛀材的损伤形态与腐朽不同，其内部存在大量细小虫眼。应力波技术同样可以检测出虫蛀导致的内部损伤，但相对腐朽而言，判读难度稍大。

表5 塔尔寺大金瓦殿腐朽与虫蚀房橡无损检测结果与现场腐朽分级记录（一）

表6 塔尔寺大金瓦殿腐朽与虫蚀房橡无损检测结果与现场腐朽分级记录（二）

表7 塔尔寺大金瓦殿腐朽与虫蚀房橡无损检测结果与现场腐朽分级记录（三）

（2）杨木、柏木和落叶松木构件检测（西藏布达拉宫、罗布林卡） 以杨木健康材径向传播速度约1022 m/s为基准，对布达拉宫和罗布林卡的杨木房椽进行了相似的分析。结果同样发现了外部健康而内部腐朽（见表8）、以及表面腐朽而内部健康（见表9、表10）等情况。对虫蛀杨木的检测也表明，应力波技术能够有效判断内部的虫蛀或腐朽情况（见表11、表12）。

对柏木（见表13）和落叶松（见表14）的检测也得出了相似的结论，即应力波速度与构件的健康状况高度相关，能够准确反映出构件两端腐朽严重、中间健康的常见损伤模式。

表8 布达拉宫平错堆明殿换下来的杨木腐朽与虫蚀房橡无损检测结果

表9 布达拉宫平错堆朗殿换下来的杨木腐朽房橡无损检测结果

表10 罗布林卡噶厦办公区平房换下来的杨木腐朽房橡无损检测结果

表11 罗布林卡吉美曲溪办公区平房换下来的杨木虫蛀和腐朽房椽无损检测结果

表12 布达拉宫平错堆朗殿换下来的杨木虫蛀和腐朽房椽无损检测结果

表13 布拉达宫和罗布林卡吉美曲溪换下来的虫蛀房椽无损检测结果（柏木）

表14 布达拉宫换下来的落叶松腐朽房橡无损检测结果

（3）检测结论 综合分析表明，应力波无损检测仪是快速、准确判定木材内部腐朽和虫蛀的有力工具。它不仅能发现肉眼不可见的内部缺陷，还能在很大程度上与宏观腐朽分级结果相印证，为古建筑的精准修复提供了关键决策支持。如果您在实际工作中也面临类似的古建筑木结构无损检测挑战，我们非常乐意与您一同探讨解决方案。

2.3 纵向应力波评估古建木构件残余力学性能

对塔尔寺大金瓦殿的脊、檩、梁等多种木构件的残余动态弹性模量（MOE）进行了测定。结果（见表15）显示，不同木构件的残余MOE存在显著差异，其中房椽的MOE最高，而圆檩最低，这与其在结构中承担的力学负荷大小直接相关。

将测得的MOE与实验室测定的健康紫果云杉木材静弹性模量（约10689 MPa）进行比较，可以发现，除房椽外，其他四种主要承重构件的残余MOE均有不同程度的降低。降低的幅度与其承担的负荷大小成正比，例如主要承重的圆檩降低最多。这一结果有力地证明，应力波检测技术能够准确、可行地评价古建筑木构件的残余力学强度。

表15 应力波检测的塔尔寺木构件特征与动弹性模量结果

评估古建筑木构件的健康状况和残余强度，需要精确的设备、可靠的基准数据和丰富的判读经验。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测古建筑木结构无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

3. 在森林培育及立木材性检测中的应用

应力波技术不仅能诊断“已病”的木材，更能用于森林培育中，为活立木进行“体检”。王喜平等人对美国西部铁杉和西茄云杉的现场测试（见图3）表明，立木的应力波检测结果与从其上截取制作的无疵小试件的力学性能具有很好的相关性（见表16）。

图3 立木现场检测装置和制作无疵小试件的木段

更重要的是，研究发现，不同的疏伐措施（一种林业管理技术）对木材性质的影响，可以被应力波技术准确地追踪到（见表17）。这意味着，林业工作者可以利用应力波技术实时监控树木的生长状况和材质变化，从而制定更科学的造林和抚育措施，实现对木材品质的定向培育。

表16 立木及无疵小试件各项力学性能之间的相互关系

表17 不同疏伐程度对动态和静态弹性模量的影响（单位：MPa）

4. 在木桥和木船现场检测中的应用

应力波技术在大型木结构，如木桥和木船的在役检测中也取得了显著成效。对美国俄勒冈州木桥的现场检测表明，现场测定的应力波传播时间与拆卸后在实验室的复测结果具有很高的相关性，准确地定位了腐朽构件和部位（见图4、图5）。

图4 529号木桥应力波测定时间对比

图5 117号木桥应力波测定时间对比

同样，在美国海军最早服役的“宪法号”木船的检测中，横向应力波技术也清晰地标示出了腐朽部位，其传播时间显著增大（见图6）。

图6 木船上取下的腐朽木梁应力波检测结果（黑色区域为严重腐朽部分，应力波传播时间明显增大）

5. 应力波多维成像技术（木材CT）

为了将抽象的传播时间数据转化为直观的内部健康图像，多探头应力波成像技术（常被称为“木材CT”）应运而生。其原理如图7所示，通过在待测木材的横截面周长上均匀布置多个（通常为6个或更多）传感器，并依次敲击每个传感器，计算机软件会自动记录所有传感器两两之间的传播时间。

图7 FAKOPP多维成像技术原理图

基于这些海量数据，软件系统能够重建出一个二维平面图像，用不同的颜色来表示应力波的传播速度。通常，颜色越深（或偏向冷色调），表示应力波速度越慢，该区域的腐朽或缺陷也越严重。这种可视化的结果（见图8-11）为现场工程师提供了极为直观的诊断报告。理论上，传感器数目越多，图像的精度就越高。

图8 杨木截面及成像结果

图9 云杉截面及成像结果（腐朽程度为 10.0%）

图10 栗木截面及成像结果（腐朽程度为 10.3%）

图11 云杉截面及成像结果（腐朽程度为 30.0%）