УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИКСАЦИИ ОБРАЗЦА ПРИ ДЕНДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ПО РАННЕМУ ВЫЯВЛЕНИЮ РЕЗОНАНСНЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ НА КОРНЮ
DEVICE FOR SAMPLE FIXATION DURING DENDRO-ACOUSTIC TESTS FOR EARLY DETERMINATION OF RESONANCE PARAMETERS OF STANDING WOOD

Изобретение относится к области раннего выявления резонансных свойств древесины на корню для дальнейшего ее целевого выращивания в целях получения высококачественного лесоматериала, для изготовления основной звукоизлучающей детали музыкальных инструментов - деки.
дин
Понятие «резонансная древесина» является комплексным и характеризуется акустической константой излучения звука К, впервые сформулированной акад. Н.Н. Андреевым как производная от динамического модуля Юнга Е и плотности материала ρ в следующем соотношении:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mn>3</mn></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
4
Пороговым значением для категории резонансной древесины является К≥12 м/кг·с.
Определение плотности древесины ρ производится общепринятыми способами согласно ГОСТ 16483.1 «Древесина. Метод определения плотности» и не представляет больших технических трудностей.
дин
Более сложным процессом является определение показателя Е, хотя для этого имеются несколько способов, а основным является установленный по ГОСТ 16483.31 «Древесина. Резонансный метод определения модулей упругости и сдвига и декремента колебаний».
W
Сущность метода заключается в возбуждении у образца со свободными концами продольных колебаний основной гармоники и изгибных колебаний второго обертона. Модуль упругости (E) образцов с влажностью W в момент испытания определяют по частотам резонансных колебаний с точностью до 25 МПа согласно формуле
где b, h, l - соответственно ширина, высота и длина образца, м (см);
m - масса образца без пластинок, кг;
пр
f - резонансная частота продольных колебаний основной гармоники образца, Гц;
-2
β - поправка на массу прикрепленных пластинок, равная отношению массы образца с пластинками к массе образца без пластинок и рассчитываемая с погрешностью не более 0,5·10.
Недостатком данного способа является то, что он основан на возбуждении и анализе продольных вибраций, для чего потребуются обязательная рубка дерева, отбор материала и изготовление стандартных образцов в виде реек размерами 20×20×300 мм согласно ГОСТ 16483.21. Следовательно, способ помимо большой трудоемкости, сложности и низкой производительности в принципе не может быть применим для неразрушающей диагностики акустического качества древесины на корню.
дин
Известен метод звукового резонанса, конкретнее частотно-амплитудный метод, который является наиболее удобным и точным для определения Е на малых образцах древесины (Х. Линдстрем, П. Харрис, Р. Накада. Методы измерения жесткости молодых деревьев (Lindstrom, H.; Harris, P.; Nakada, R. 2002: Methods for measuring stiffness of young trees. Holz als Roh-und Werkstoff 60: 165-167).
дин
Метод основан на выявлении собственной (резонансной) частоты образца, f, и определении Е с учетом его длины, толщины (радиуса), а также плотности материала.
Для практической реализации метода звукового резонанса имеются специальные технические средства - акустические анализаторы, которые позволяют создавать электромагнитное поле с помощью громкоговорителя (либо обычного, либо пьезокерамического), соответствующего весу (т.е. плотности) и участку поперечного сечения образца, одновременно обнаруживая и фиксируя результирующую вибрацию внутри образца. Спектральные характеристики образца определяются напрямую от резонансных режимов.
Недостатком способа является то, что он основан также на возбуждении и анализе продольных вибраций относительно волокон древесины, а для акустического анализа требуется изготовление цилиндрических образцов путем их выпиливания из стволовой части дерева по междоузлиям, что лишает возможности диагностировать подрост на корню сохранением его жизнеспособности.
Главный недостаток: этот способ позволяет выявить только один показатель древесины, динамический модуль упругости, а резонансные свойства при этом вообще не определяются.
Прототипом является способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню, преимущественно подроста путем определения дендроакустических свойств исследуемого образца в виде черенка длиной 50-65 мм, взятого у подроста с южной стороны от середины боковых веток, исключая последние трехлетние приросты; резонансным способом определяют собственную частоту колебаний отобранных черенков, а посредством персонального компьютера с полнодуплексной звуковой платой в автоматическом режиме получают частотно-амплитудную гистограмму с дальнейшим ее идентифицированием с ранее полученной эталонной гистограммой с учетом плотности и фактической толщины черенка; по результатам идентифицирования с заданной степенью вероятности не ниже 0,95 определяют резонансные свойства подроста (Патент №2439561, авторы: Федюков В.И, Салдаева Е.Ю, Васенев А.Л. «Способ ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню»).
Недостатком известного способа является то, что при существующем методе консольного типа крепления с тремя прижимными кулачками испытуемый образец древесины из молодых побегов с мягкой тканью, к тому же, не всегда округлой формы, зажимается неравномерно по своей окружной поверхности и, главное, из-за отсутствия фиксатора нагрузки на зажимное устройство при его закручивании практически невозможно установить необходимую силу зажима, при которой достигалась бы стабильность частотно-амплитудных показателей, поэтому в повторных измерениях даже одного и того же образца наблюдается большая вариация значений (Табл.1).
Табл. 1
Частота колебаний одного и того же образца при повторных испытаниях без фиксатора нагрузки, Гц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
117
117
116
108
117
117
108
117
117
108
Технический результат - повышение точности измерений для ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню.
Технический результат достигается тем, что способ фиксации образца при дендроакустических испытаниях по раннему выявлению резонансных свойств древесины на корню, заключающийся в том, что образец зафиксирован в фиксирующем устройстве с усилием затяжки 1,0 Нм через ленту из резины общего назначения твердостью в пределах 50-60 условных единиц, проложенную в зоне контактов кулачков зажима, с техническим зазором между концами ленты 1,0-2,0 мм.
Пример фиксации образца поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид установки, на фиг.2 представлена консоль для фиксации образца, на фиг.3 представлен поперечный срез консоли, на фиг.4 представлено изображение ленты из резины
На один конец испытуемого образца (1) в виде черенка длиной 50-65 мм устанавливается слой ленты (2) из резины общего назначения твердостью в пределах 50-60 условных единиц по ГОСТ 263-75; во избежание образования «гармошки» при зажиме ленты ее длину l подбирают так, чтобы оставался технический зазор Δ (3) между концами ленты величиной 1,0-2,0 мм, а сам зазор устанавливается между кулачками зажима (4), при этом минимальный показатель зазора устанавливается при измерении черенков с малым диаметром в пределах 4,0 мм, а максимальный - при d, равном 4,0-8,0 мм; для определения длины ленты пользуются следующей рабочей формулой:
Толщина ленты в пределах 1,0-1,5 мм, ее ширина соответствует глубине гнезда консоли, куда вертикально вставляется черенок и равномерно по всей его окружности сжимается с помощью фиксирующего устройства и, ориентируясь по показаниям динамометрического ключа, строго на определенную величину усилия затяжки, равную 1,0 Нм.
Так как резиновый фиксатор частично поглощает колебания и, соответственно, понижает собственную частоту образца, полученные благодаря фиксирующему устройству стабильные результаты измерений умножаются на поправочный коэффициент 1,08 и получают истинное значение частоты колебаний испытуемого образца древесины (табл.2).
Табл. 2
Частота колебаний одного и того же образца при повторных испытаниях с устройством для фиксации, Гц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Частота измеренная с фиксатором
108
108
108
108
108
108
108
108
108
108
Частота, с учетом поправочного коэффициента
117
117
117
117
117
117
117
117
117
117