О методах интерпретации результатов акустической томографии древесины сосны

УДК

DOI:

Аннотация

Акустическая томография основана на измерениях времени прохождения звуковых импульсов. Скорость прохождения звуковых импульсов позволяет получить информацию о состоянии древесины. Акустическая томография может успешно применяться для оценки не только состояния дерева, но и качества древесины. Звуковая волна распространяется быстрее в древесине с большей плотностью.
Основная задача, которая стала перед нами, — разработать методику интерпретации результатов установки Арботом для оценки качества древесины. В качестве объекта исследования выбрана сосна в связи с тем, что она меньше, чем другие породы, подвержена грибным заболеваниям и является ценной хозяйственной породой.
Акустическую томографию ствола проводили с помощью установки Арботом на высоте 1,3 м и у шейки корня. Использовали от 6 до 12 сенсоров в зависимости от диаметра дерева. Качество здоровой древесины оценивали по среднему значению скорости прохождения звука между сенсорами. Для того чтобы уменьшить влияние внешних повреждений ствола (механические повреждения, морозобойные трещины) на средние значения прохождения звукового импульса в древесине, исключали данные от смежных сенсоров. При обработке полученных результатов анализировали применение различных опций, предложенных программным обеспечением. Чтобы избежать завышения скорости звука, в 2-D изображении деактивировали опцию «Use better mean value». Программа в 2-D изображении и в шкале распределения скорости по цвету использует более высокие значения по встречным направлениям между двумя сенсорами, при этом низкие значения отбрасывает.
Установлено, что для получения более четкой картины изменения структуры древесины в поперечном сечении следует активировать автоматическую градуировку цвета в программе обработки данных. Тогда шкала будет не фиксированной («плавающей»), показывающей минимальное и максимальное значения, встреченные в поперечном сечении дерева. В нашем случае, красный цвет указывает на изменение структуры древесины, однако это не означает наличие гнили. Следовательно, при интерпретации результатов акустической томографии, полученных с помощью установки Арботом, необходимо учитывать активацию различных опций программного обеспечения и подбирать определенные опции для конкретных целей. Методы интерпретации результатов акустической томографии необходимо указывать в материалах исследований для исключения разночтений при анализе результатов, полученных разными исследователями.

Сведения об авторах

• © О.Н. Тюкавина, канд. с.-х. наук, доц.
  Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,
  наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002;
  е-mail: tyukavina@agtu.ru

Ключевые слова

Литература

1. Мельничук И.А., Йассин М.Й.С., Черданцев О.А. Диагностика внутреннего состояния деревьев Tilia Cordata Mill. с использованием комплекса аппаратуры акустической ультразвуковой томографии «Арботом» // Вестн. РУДН. Сер. Агрономия и животноводство. 2012. № 55. С. 25–32.
2. Силкин П.П., Екимова Н.В. Теоретическая оценка влияния содержания кальция в клеточных стенках годичных колец хвойных на результаты рентгеновской денситометрии // Лесн. журн. 2012. № 3. С. 25–30. (Изв. высш. учеб. заведений).
3. Bucur V. Nondestructive characterization and imaging of wood. Springer, Berlin, 2003. P. 246–252.
4. Catena A. Thermography reveals hidden tree decay // Arb. J. 2003. 27. Р. 27–42.
5. Deflorio G. Wood decay dynamics in the sapwood of trees — in vitro and in vivo studies on the role of the wood substrate in decay development. Goettingen Cuvillier, 2006. Р. 158–164.
6. Deflorio G., Fink S. Detection of incipient decay in tree stems with sonic tomography after wounding and fungal inoculation // Wood Sci Technol. 2008. 42. Р. 117–132.
7. Liang S., Fu F. Relationship analysis between tomograms and hardness maps in determining internal defects in euphrates poplar // Wood Research. 2012. 57 (2). Р. 221–230.
8. Lonsdale D. Principles of tree hazard assessment and management. Stationery Office Ltd, Publications Centre, London, 1999. Р. 38–46.
9. Luo J., Yang X. Study on the correlation between mechanical characteristics and nondestructive testing of stress wave in larch logs // Advanced Materials Research. 2012. 433–440. Р. 2135–2141.
10. Rinn F. Technische Grundlagen der Impuls-Tomographie. Baumzeitung 8, 2003. Р. 29–31.
11. Rust S., Gocke L. PICUS sonic tomograph — a new device for nondestructive timber testing. In: Backhaus G.F., Balder H., Idczak E. (Eds.) // International Symposium on Plant Health in Urban Horticulture, Braunschweig, Germany, 2000. Р. 67–74.
12. Schwarze FWMR, Fink S. Ermittlung der Holzzersetzung am lebenden Baum // Neue Landshaft. 1994. 39. Р. 182–193.
13. Shigo Al. Microorganisms isolated from wounds inflicted on red maple, paper birch, American beech, and red oak in winter, summer and autumn // Phytopathol. 1976. 66. Р. 559–563.
14. Wang L., Xu H., Zhou C., Li L., Yang X. Effect of sensor quantity on measurement accuracy of log inner defects by using stress wave // Journal of Forestry Research. 2007. 18 (3). Р. 221–225.
15. Yang X.a, Luo J. Study on stress wave non-destructive testing of bending resistance characteristics of logs // World Automation Congress Proceedings. 2012.

Ссылка на английскую версию:

UDC 674.032.475.4

About Interpretation Methods of Acoustic Tomography Results of Pine Wood

O.N. Tyukavina, Candidate of Agriculture, Associate Professor

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russia; e-mail: tyukavina@agtu.ru

Acoustic tomography is based on measurements of the propagation time of sound impulses. Velocity of sound impulses characterizes the state of the wood. Acoustic tomography is used for wood assessment and to determine the quality of the wood. Because the sound wave propagates more rapid in high density wood. The main objective of this work was to develop interpretation methods of the Arbotom results to estimate the quality of the wood. The object of research is pine, because it is less amenable to fungal diseases than other species of trees and it is a valuable specie. Acoustic tomography was carried with the Arbotom machine at tree height 130 cm above ground. From 6 to 12 sensors was used, depended on the diameter of the tree. Healthy wood quality was evaluated on the average velocity of sound transmission between sensors. In order to reduce the influence of external damage of stem (mechanical damage, winterkilling cracks) on the average velocity of sound transmission in wood, data from neighboring sensors was excluded. Different options, proposed by the software, were analyzed while result processing. The option «Use better mean value» overstates of the velocity of sound in 2 -D image, so it was we deactivated. It is necessary to activate automatic color calibration in 2 -D image for clearer picture of changes in the structure of wood in the cross-section. Then the scale will not be fixed ("floating"), that shows minimum and maximum value, found in the cross-section of wood. In this case, the red color indicates on change in the wood structure but it does not indicate decay. Therefore, option activation by the software must be considered and certain options must be selected in interpreting the results of acoustic tomography, collected by Arbotom. Methods of interpreting of the acoustic tomography results must be indicated in researches to exclude differences in results, received other researchers.

Keywords: acoustic tomography, wood quality, pine, velocity of sound pulses

REFERENCES

1. Mel'nichuk I.A., Yassin M.Y.S., Cherdantsev O.A. Diagnostika vnutrennego sostoyaniya derev'ev Tilia Cordata Mill. s ispol'zovaniem kompleksa apparatury akusticheskoy ul'trazvukovoy tomografii «Arbotom» [Diagnosis of Internal State of Trees Tilia Cordata Mill. with Using Complex of Acoustic Equipment of Ultrasonic Tomography «Arbotom»]. Vestnik Rossiyskogo universiteta druzhby narodov. Seriya: Agronomiya i zhivotnovodstvo, 2012, no. 55, pp. 25–32.

2. Silkin P.P., Ekimova N.V. Teoreticheskaya otsenka vliyaniya soderzhaniya kal'tsiya v kletochnykh stenkakh godichnykh kolets khvoynykh na rezul'taty rentgenovskoy densitometrii [Theoretical Assessment of Effect of Calcium Content in the Cell Walls of Annual Rings of Coniferous Species on the x-ray Densitometry Results]. Lesnoy zhurnal, 2012,
no. 3, pp. 25–30.

3. Bucur V. Nondestructive characterization and imaging of wood. Springer, Berlin, 2003, pp. 246–252.

4. Catena A. Thermography reveals hidden tree decay. 2003, pp. 27–42.

5. Deflorio G. Wood decay dynamics in the sapwood of trees – in vitro and in vivo studies on the role of the wood substrate in decay development. Cuvillier, Goettingen, 2006, pp. 158–164.

6. Deflorio G., Fink S. Detection of incipient decay in tree stems with sonic tomography after wounding and fungal inoculation. Wood Science Technology, 2008, no. 42, pp. 117–132.

7. Liang, S., Fu, F. Relationship analysis between tomograms and hardness maps in determining internal defects in Euphrates poplar. Wood Research, 2012, no. 57 (2), pp. 221–230.

8. Lonsdale D. Principles of tree hazard assessment and management. London, 1999, pp. 38–46.

9. Luo J., Yang X. Study on the correlation between mechanical characteristics and nondestructive testing of stress wave in larch logs. Advanced Materials Research, 2012, no. 433–440, pp. 2135–2141.

10. Rinn F. Technische Grundlagen der Impuls-Tomographie. Baumzeitung, 2003, 8, pp. 29–31.

11. Rust S., Gocke L. PICUS sonic tomograph – a new device for nondestructive timber testing. In: Backhaus G.F., Balder H., Idczak E. (Eds.), International Symposium on Plant Health in Urban Horticulture, Braunschweig, Germany, 2000, pp. 67–74.

12. Schwarze FWMR, Fink S. Ermittlung der Holzzersetzung am lebenden Baum. Neue Landshaft 39, 1994, pp. 182–193.

13. Shigo Al. Microorganisms isolated from wounds inflicted on red maple, paper birch, American beech, and red oak in winter, summer and autumn. Phytopathol, 1976,
N 66, pp. 559–563.

14. Wang L., Xu H., Zhou C., Li L., Yang X. Effect of sensor quantity on measurement accuracy of log inner defects by using stress wave. Journal of Forestry Research, 2007, N 18 (3), pp. 221–225.

15. Yang X.a , Luo J. Study on stress wave non-destructive testing of bending resistance characteristics of logs. World Automation Congress Proceedings, N 6321170, 2012, pp. 496–502.

Received on April 23, 2014