Endüstride yaygın olarak kullanılan doğal ahşapların elektriksel özelliklerinin tahribatsız yöntemler kullanılarak tahmin edilmesine yönelik ampirik matematiksel modellerin geliştirilmesi
The empiric mathematical models to predict electrical properties of widely used natural woods in the industry by usi̇ng non-di̇stracti̇ve methods
Yazar: SINAN SAEED JASIM AL-SAADI
Danışman: PROF. DR. SELÇUK HELHEL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda endüstriyel alanda birçok uygulama doğal kaynaklara ilgi duymaya başlamıştır. Doğal ahşap gibi ham maddeler, mikrodalga ısıtma ve kurutma sistemlerinde, sürdürülebilir elektroniklerde ve mercek uygulamalarında birçok uygulamada yer almaktadır. Bu nedenle malzeme bilimi mühendisliğinin doğal ahşabın fiziksel özelliklerine yönelik bu tür araştırmalara kritik bir ihtiyacı vardır.
Bu çalışma için yaygın olarak kullanılan toplam dokuz doğal ahşap hazırlanmıştır. Seçilen doğal ahşap üç yumuşak ağaç (Sedir, Ardıç ve Çam) ve altı sert ağaç (Ceviz, Çınar, Titrek kavak, Kestane, Meşe ve Okaliptüs) olarak sınıflandırılabilir. Her numune düğümsüz olarak özenle seçilmiştir. Hazırlanan ahşap malzemelerin mekanik kesime bağlı olarak 0,4 mm ile 0,6 mm arasında kalınlık değişimi sağlanmıştır. Ayrıca ölçüm düzeneğinde kullanılacak dalga kılavuzu adaptörleri için her ahşap malzeme benzer boyutlarda üç numuneden oluşturulmuştur. Ancak endüstri için en önemli amaç, hem nem içeriği hem de yoğunluk koşullarındaki değişimler altında elektriksel özelliklerin tepki davranışıdır.
Bu çalışmada, seçilen dokuz ağaç örneğinin incelenen elektriksel özellikleri [2,17–6,0 GHz] frekans aralığında belirlenmiştir. Ölçümler, VNA ve üç dalga kılavuzu adaptörü (WR340, WR229 ve WR159) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her numunenin ölçümünün 500 ham veri noktası içerdiği toplam 49.500 yumuşak ağaç ve 99.000 sert ağaç S parametresi toplanmıştır. Toplanan s-parametreleri, ahşap numunelerin MATLAB ile dielektrik özelliklerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Farklı nem ve yoğunluk koşulları altında elde edilen dielektrik özellikleri belirten, her ölçümün ortalama veri sonuçlarından ampirik bir matematiksel model oluşturmak için kullanıldı. Oluşturulan ampirik matematiksel modeller, yumuşak ağaç dielektrik veri sonuçları kullanılarak oluşturulmuş toplam 36 ampirik matematiksel modele ve sert ağaç dielektrik veri sonuçlarını kullanan 72 ampirik matematiksel modele sahiptir. Sunulan doğal ahşap örneklerinin ampirik matematiksel modelleri, hem geçirgenlik hem de tanjant kaybının dielektrik veri sonuçları için üretildi. Geçirgenlik veri sonuçlarından elde edilen ampirik modelde, R2'nin 0,9'un üzerinde olduğu hesaplanırken, kayıp Tanjant sonuçlarında ise R2'nin 0,7'nin üzerinde olduğu sonucuna varılmıştır. Buna göre elde edilen modellerin tahmin kabiliyetlerinin yüksek olduğu tespiti yapılabilir. Elde edilen modellerin performansını incelemek için ampirik matematiksel değerlendirmeler de yapıldı. Değerlendirme için farklı kalınlıklarda ve farklı yoğunluk koşullarında yeni bir ahşap numune seti hazırlandı. Bu ampirik model performans incelemesinin farklı koşullar altında değerlendirilmesine olanak sağlayacaktır. Doğal ahşap malzemelerin dielektrik geçirgenliğinin tahmin edilmesinde ampirik model performans değerlendirme sonuçlarının %85'lik doğruluk oranına sahip olduğu değerlendirildi. Oluşturulan ampirik modellerin tahmin sonucuna, bu ampirik modellerin oluşturulmasında kullanılan önceden hazırlanmış ahşap numune setlerinden bu kadar farklı koşullar altında bile güvenilebilir.
Bu çalışmanın amacı, seçilen doğal ahşapların farklı nem içeriği ve yoğunluk seviyelerindeki elektriksel özelliklerinin değişimlerini mikrodalga tahribatsız muayene teknikleri ile detaylı bir şekilde analiz etmek ve analiz sonuçlarına göre oluşturulan ampirik modeller yardımı ile elektriksel özelliklerin matematiksel olarak belirlenmesine olanak sağlamaktır.

Abstract:
In recent years, many applications in the industrial field have taken an interest in natural resources. Raw materials such as natural wood have been involved in many applications in microwave heating/drying systems, sustainable electronics, and lens applications. Therefore, material science engineering has a critical need for such research on the physical properties of natural wood.
A total of nine commonly used natural woods have been prepared for this study. The selected natural wood can be classified into three softwoods (Cedar, Juniper, and Pine) and six hardwoods (Walnut, Sycamore, Aspen, Chestnut, Oak, and Eucalyptus). Each specimen has been carefully selected, without knots. The prepared wood materials were provided with a thickness variation between 0.4 mm and 0.6 mm, depending on the mechanical cut. Also, each wood material consisted of three samples with similar dimensions for the waveguide adapters that will be used in the measurement setup. However, the most important goal for industry is the response behavior of electrical properties under the variation of both moisture content and density conditions.
In this study, the investigated electrical properties of the selected nine wood specimens were determined in the [2.17–6.0 GHz] frequency range. The measurements were illustrated in a suitable setup using VNA and three wave guide adapters (WR340, WR229, and WR159). A total of 49,500 softwood and 99,000 hardwood S-parameters have been collected, in which each specimen's measurement contains 500 raw data points. The collected s-parameters have been used in the wood specimen's dielectric properties calculations with MATLAB. The dielectric properties data results under different moisture and density conditions were used in generating an empirical mathematical model from the average data results of each measurement. The generated empirical mathematical models have a total of 36 empirical mathematical models constructed using softwood dielectric data results and 72 empirical mathematical models using hardwood dielectric data results. The presented natural wood specimens' empirical mathematical models were generated for both dielectric data results of permittivity and tangent loss. The empirical model from permittivity data results was generated with R2 over 0.9, which is considered to have a great prediction capability, while models from tangent loss results had R2 over 0.7, which is also considered a good prediction capability. Empirical mathematical evaluations were also performed to examine the performance of the generated models. For evaluation, a new set of wood specimens has been prepared with different thicknesses and different density conditions. This will allow the empirical model performance examination to be evaluated under such conditions. The evaluation results of empirical models performance in predicting the dielectric permittivity of natural wood materials were considered to be very good, with an accuracy of 85%. This prediction result of the generated empirical models can be relied on even under such different conditions from the previously prepared wood specimen sets that were used in generating these empirical models.
The aim of this study is to have a detailed analysis of the selected natural woods and their electrical property variations with different moisture content and density levels, while the generated empirical models will provide the possibility of determining electrical properties without requiring any additional or destructive microwave measurement methods.