Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 11
1.1 Общие вопросы оценки качества резонансной древесины 11
1.2 Анализ нормативных документов оценки резонансной древесины и исследования ее свойств 18
1.3 Анализ научно-практической информации о способах диагностики резонансной древесины на корню 26
1.4 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 30
2 Теоретическое исследование способа оценки резонансных свойств древесины на корню 32
2.1 Теоретическое обоснование способа оценки резонансных свойств древесины ели на корню в раннем возрасте 32
2.2 Разработка метода ранней неразрушающей диагностики резонансных свойств древесины 2.2.1 Описание метода ранней неразрушающей диагностики резонансных свойств древесины 41
2.2.2 Математическое описание метода диагностики резонансных свойств древесины ели на корню в раннем возрасте 43
2.3 Выводы по главе 2 46
3 Характеристика объекта, методика экспериментальных исследований 47
3.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 47
3.2 Объект исследования 47
3.3 Методика экспериментальных исследований
3.3.1 Выбор варьируемых факторов и уровней их варьирования 52
3.3.2 Планирование эксперимента и определение числа наблюдений 54 в опыте
3.3.3 Порядок проведения экспериментальных работ 58
3.4 Устройство для неразрушающей диагностики резонансных свойств древесины в стадии молодняка 64
3.5 Выводы по главе 3 71
4 Результаты экспериментальных исследований диагностики резонансных свойств древесины на корню 72
Результаты экспериментальных исследований акустических по
4.1 казателей древесины на корню 72
4.2 Исследование влияния усилия зажима образца в устройстве на акустические показатели древесины 78
4.3 Исследование влияния геометрических размеров образца на акустические показатели древесины 80
4.4 Исследование акустических показателей резонансной ели плантационного выращивания и обычный формы ели 85
4.4 Выводы по главе 4 87
5 Разработка рекомендаций по стандартизации неразрушающего способа ранней диагностики резонансных свойств древесины на корню и его экономическое обоснование 88
5.1 Разработка рекомендаций по стандартизации неразрушающего метода диагностики резонансных свойств древесины на корню в раннем возрасте 88
5.2 Экономическое обоснование методики проведения ранней диагностики резонансных свойств подроста ели 91
5.4 Выводы по главе 5 100
Основные выводы и практические рекомендации 101
Библиографический список
- Анализ научно-практической информации о способах диагностики резонансной древесины на корню
- Математическое описание метода диагностики резонансных свойств древесины ели на корню в раннем возрасте
- Выбор варьируемых факторов и уровней их варьирования
- Исследование влияния геометрических размеров образца на акустические показатели древесины
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение деревообрабатывающей отрасли страны высококачественным сырьем, в том числе для изготовления сортиментов специального назначения с высокими физико-механическими свойствами древесины, было и остается одной из приоритетных задач. В этом аспекте по-настоящему острой проблемой не только в России, но и во многих странах мира является нахождение новых перспективных путей по обеспечению музыкальной промышленности резонансной древесиной с особыми акустическими свойствами, необходимой для изготовления деки - основной зву-коизлучающей детали многих видов музыкальных инструментов.
Запасы резонансной древесины в лесах планеты катастрофически сокращаются, а во многих странах вообще отсутствуют. Цена 1 м3 сертифицированных сортиментов (заготовок для дек) сегодня превышает 50-70 тыс. долларов США.
Одним из реальных путей решения данной проблемы является необходимость организовать перспективный объект деревопереработки в рассматриваемой отрасли, то есть создать необходимую базу сырья с прогнозируемым качеством. Для этого должна быть разработана ранняя неразрушающая диагностика резонансных свойств древесины на корню, позволяющая из естественного подроста или лесных культур отобрать уникальные экземпляры.
В России до настоящего времени не проводится диагностика технических свойств древесины на корню, не говоря уже в раннем возрасте; для этого в лесной отрасли полностью отсутствует необходимая материальная и методическая база.
Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и отличается практической направленностью.
Работа выполнена по теме «Проведение научно-исследовательских работ по разработке способов рационально-целевого использования и воспроизводства древесины с уникальными физико-механическими и акустическими свойствами» в рамках ФЦП «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» в соответствии с госбюджетной темой Поволжского государственного технологического университета (№ 16.518.11.7094), и в рамках Гранта РФФИ №13-01-97045 рповолжьеа «Разработка системы вибродиагностики композитных конструкций и способов идентификации физико-механических свойств её элементов». Также, по своей актуальности работа была удостоена Гранта «У.М.Н.И.К-2010» в рамках Программы Федерального фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Степень разработанности проблемы. Изучению акустических, упруго-вязких и других физико-механических свойств древесины, которые предо-
4 пределяют качество резонансных сортиментов, посвятили свои работы: Н.Н. Андреев, И. И. Кузнецов, Б.Н. Уголев, В. И. Мелехов, В.А. Баженов, Н.И. Миронов, В.Д. Никишов, И.И. Пищик, В.Г. Санаев, Т.А. Макарьева, Г.С. Корсаков, А.В. Киселева, В.В. Тулузаков, В.И. Федюков, А. А. Колесникова, В. Букур, Манди, Ф.Кольманн, Д.Хольц; 3. Девиде, Э. Райчан; М. Бари-ска, Р. Илле, Г. Бльскова и др.
По сравнению с исследованиями зрелой древесины, особенно в сортиментах и конструкциях, объем научных работ по неразрушающеи оценке технического качества древесины в раннем возрасте весьма незначителен. Важную роль в этом направлении играют работы зарубежных ученых: Т. Аоки, Н. Наканура, Линдстрем, Н. Линда, Н. Кинг, Харисс, Накада. Однако они не затрагивают резонансные свойства древесины.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка нераз-рушающего метода для ранней диагностики резонансных свойств ели на корню на основе исследования физико-механических и акустических показателей древесины в раннем возрасте.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить анализ нормативно-правовой и научно-практической
информации о методах диагностики древесины на корню для оперативного
выявления резонансных свойств подроста в возрасте 3-10 лет;
2) разработать математическую модель расчета акустической константы
древесины резонансным методом;
-
разработать методику неразрушающе го определения резонансных свойств древесины ели на корню в раннем возрасте;
-
создать устройство для выявления резонансных свойств древесины на образцах древесины боковых побегов в раннем возрасте;
5) установить критерии отличия древесины молодых елей резонансной от
обычной формы по акустическим и физико-механическим показателям;
6) разработать практические рекомендации по стандартизации метода
ранней неразрушающеи диагностики резонансных свойств древесины ели на
корню и провести его экономическое обоснование.
Объект исследования - древесина ели резонансной в раннем возрасте.
Предмет исследования - вариативность физико-механических и акустических показателей древесины боковых побегов ели.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. В процессе проведения исследований были использованы методы физического и математического моделирования, морфологического анализа, теории планирования эксперимента, математической статистики, а также акустические методы определения резонансных свойств древесины.
5 Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается использованием современных методик, приборов и программного обеспечения на базе аккредитованной на техническую компетентность в системе ГОСТ Р лаборатории Квалиметрии резонансной древесины, методов математической статистики при обработке результатов, а также достаточным объемом экспериментального материала на базе архивно-маточной плантации резонансной ели на территории Учебно-опытного лесхоза Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ). Научная новизна работы:
-
впервые разработана математическая модель, описывающая зависимость акустической константы от собственной (резонансной) частоты, отличающаяся установлением влияния на них плотности и геометрических размеров образца;
-
разработана методика определения резонансных свойств древесины, отличающаяся проведением испытаний древесины боковых побегов ели на корню в раннем возрасте;
3) разработано устройство, отличающееся выявлением резонансных
свойств древесины на образцах древесины боковых побегов по собственной
частоте изгибных колебаний. Новизна подтверждена Патентами РФ на изо
бретение №. 2439561, №2523033;
-
установлены критерии отличия древесины молодых елей резонансной от обычной формы, отличающиеся по акустическим и физико-механическим показателям;
-
разработан Проект национального стандарта «Резонансная древесина. Ранняя неразрушающая диагностика акустических свойств на корню», отличающийся включением дополнительных акустических показателей при оценке резонансных сортиментов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в разработке математической модели, описывающей зависимость акустической константы от собственной (резонансной) частоты и установлении влияния геометрических размеров образца и усилия его зажима при консольном креплении в устройстве, а также выявлению критериев отличия древесины молодых елей резонансной от обычной формы.
Практическая значимость работы заключается в разработке устройства для выявления резонансных свойств в раннем возрасте и рекомендаций по его эксплуатации, а также стандартизации метода ранней неразрушающей диагностики резонансных свойств древесины ели на корню.
Предложенный метод, основанный на выявлении динамического модуля упругости, предназначен как для создания потенциальных объектов де-ревопереработки, так и для получения других сортиментов специальных назначений.
6 Результаты исследований внедрены в Учебно-опытном лесхозе Поволжского государственного технологического университета (г. Йошкар-Ола), а также в учебный процесс ПГТУ.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
математическая модель, позволяющая произвести расчет акустической константы по резонансной частоте с учетом плотности и размеров образца;
-
методика оценки технических свойств древесины ели, позволяющая определять ее резонансные свойства в раннем возрасте, сохраняя жизнеспособность дерева;
-
устройство, позволяющее на основании выявления собственной (резонансной) частоты поперечных колебаний древесины в виде черенков от боковых побегов определить динамический модуль упругости и акустическую константу, характеризующие резонансные свойства древесины у молодой ели на корню;
-
критерии отличия древесины молодых елей резонансной от обычной формы, позволяющие по акустическим и физико-механическим показателям осуществлять раннюю неразрушающую диагностику резонансных свойств древесины ели;
-
рекомендации по стандартизации и внедрению метода ранней диагностики в производство, позволяющие повысить точность и эффективность определения резонансных свойств древесины на корню в раннем возрасте.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)» паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» (технические науки).
Личный вклад автора. Исследования выполнены при непосредственном участии автора на всех этапах: постановка цели и задач, выбор методики и разработка программы исследований, сбор и обработка полевого и экспериментального материала, подготовка научных отчетов и публикаций. Автором проведен литературный обзор и патентный поиск, анализ и интерпретация данных, предложен новый способ диагностики резонансных свойств (Пат. 2439561 РФ, Пат. 2523033 РФ), разработана методика оценки резонансных свойств древесины ели в стадии подроста и соответствующий проект стандарта.
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались в ежегодных научных конференциях 111 1С Поволжского государственного технологического университета (Йошкар-Ола, 2009; 2010; 2012; 2013), Международной научной конференции по естественнонаучным и
7 техническим дисциплинам (2009; 2013), Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2012), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2012, 2013), Международной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес: проблемы, перспективы, интеграция» (Москва, 2013), Международной междисциплинарной научной конференции «Человек, общество, природа в эпоху глобальных трансформаций - Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола, 2013, 2014).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 32 работах. В изданиях, рекомендованных ВАК России, опубликовано 8 статей,
-
работа в зарубежном научном журнале, входящем в базу Scopus. Получено
-
Патента Российской Федерации на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций; включает 26 ил., 17 таблиц, 10 приложений; список использованной литературы в количестве 132 наименования; общий объем работы - 157 страниц, включая 116 стр. основного текста.
Анализ научно-практической информации о способах диагностики резонансной древесины на корню
Анализ имеющейся научной и технической литературы в этом аспекте показывает, несмотря на достаточно большой разброс мнений специалистов, существуют общетехнические критерии к резонансному лесоматериалу, некоторые из которых закреплены Техническими условиями и даже национальными стандартами.
Порода. Для этой цели во всем мире мастерами признана ель с особыми акустическими свойствами древесины, хотя в некоторых странах допускаются пихта кавказская и даже кедр сибирский [8, 70]. Следует отметить, что материал из кедра чаще используется в тех инструментах, где дека находится внутри, так как сравнительно большое содержание смолы (появление крапинок) может снизить эстетические показатели скрипок, гитар и т.д.
Макроструктура является диагностическим признаком древесины, широко используемым при оценке многих физико-механических показателей [37, 90], в том числе резонансных свойств. Такие характеристики макроструктуры, как ширина и равнослойностъ годичного слоя, содержание поздней древесины, приняты за основной критерий при отборе резонансной древесины и включены в соответствующие стандарты. Например, абсолютное большинство мастеров предпочитают для деки сравнительно равную, узкослойную древесину шириной годичных слоев 1-4 мм, а содержание в них так называемой поздней древесины не должно превышать 30 %. Принято считать, что более широкослойная древесина придает инструменту приглушенный звук, а узкослойная - жесткий.
Однако встречаются смычковые инструменты, скрипки (и даже у Страдивари), у которых в соответствии с требованиями стандартов верхние деки изготовлены из более широкослойной древесины. Таким образом, независимо от этого параметра макроструктуры мастера могли добиться положительных результатов за счет изменения конструкции инструмента. По особенностям макроструктуры на радиальном разрезе отечественные мастера различали три сорта резонансной древесины ели: струистую, пламенистую, краснослойную [103]. Микроструктура резонансной ели также имеет свои характерные особенности, хотя по известным причинам (отсутствие приборов) до настоящего времени на практике этому не уделяется достойного внимания.
Одной из основных работ, выполненных отечественными учеными, являются исследования микроскопического строения резонансной древесины ели европейской из лесов Чувашии [5]. Интересен и важен для практики вывод автора Н.В. Атуриной (1937 г.) о том, что определить резонансную древесину можно с помощью комбинирования микроскопических и макроскопических методов диагностики.
Более поздними исследованиями таких отечественных ученых, как Н. И. Лайранд, А. А. Яценко-Хмелевский, установлено, что акустические показатели качества древесины ели выше в случае, когда содержание поздней древесины превышает объем ранней древесины [41]. Интересна работа по микростроению резонансной ели выполнена группой ученых под руководством Е.С. Чавчавадзе [105].
Современные представления зарубежных ученых о резонансной древесине по ее анатомическому строению сводятся, главным образом, к взаимопроницаемости клеток, которые расположены вдоль и поперек ствола, то есть сердцевинных лучей и трахеид. Здесь можно выделить работу ученого Рудольфа Илле (Чехия), который представил информацию об особенностях резонансной древесины, применяемой в изготовлении скрипок итальянскими мастерами XVII-XVIII столетий [120]. В этом аспекте основной новой теорией качества резонансной древесины является следующая закономерность: решающим фактором для данного материала является внутреннее трение и скорость затухания колебаний. Внутреннее трение должно быть малым, чтобы не препятствовать распространению звука, а скорость затухания колебаний, наоборот, должна быть наибольшей, чтобы один тон, возникающий на струне, мог быстро сменить другой. Именно ель в особых условиях чаще формирует древесину с таким сочетанием указанных свойств, благодаря чему и поддерживается чистота и тембр звука. Физико-технические требования. Основная суть физических требований к качеству деки заключается в том, чтобы она могла обеспечить наилучшее излучение звуков всех частот, передаваемых от струн. Следовательно, необходимо определить физико-механические показатели, характеризующие максимальное излучение звуковой энергии древесины при заданной конструкции деки.
Основную роль в формировании акустического качества инструмента играют соответствующие показатели исходного материала, включающие: упругость (динамический модуль Юнга - Един), скорость затухания колебаний (логарифмический декремент колебаний - д), звукопроводность (скорость звука в древесине - С).
При этом древесина должна обладать максимальной упругостью, звукопроводностью и в то же время наименьшей плотностью -р. Одним из комплексных показателей, характеризующих резонансную древесину в зависимости от упругости и плотности, является акустическая константа, предложенная акад. Н.Н. Андреевым [4]. Причем, пороговым значением для резонансного материала является К 12 м4/(кгс). Данный показатель вошел в справочники по древесине не только у нас [12], но и за рубежом, хотя далеко не все мастера учитывают его при отборе резонансного материала.
Чтобы получить древесину со значениями акустической константы К \2 м4/(кгс), процент поздней древесины должен составить 18-20 %, а средняя ширина годичного слоя должна быть равна 1,5-2,5 мм. Исследования Рудольфа Илле, проведенные звуковым методом, показали, что максимальный акустический эффект и малое внутреннее трение имеет древесина с годичными слоями в 1,5 мм и небольшой долей поздней древесины [119]. Резонансная древесина имеет среднюю ширину годичных слоев менее 2 мм с коэффициентом вариации ниже 36 %, содержание поздней древесины 20-36 %.
Математическое описание метода диагностики резонансных свойств древесины ели на корню в раннем возрасте
Точность ультразвукового метода зависит от таких параметров, как геометрические размеры образца, частота колебаний применяемых преобразователей, неоднородность строения древесины, контакт образца с преобразователем и других факторов. В зависимости от поперечного сечения образца и частоты колебаний может произойти пространственная дисперсия (рассеивание) звуковых волн. Затухание ультразвука в древесине обусловлено также её разностью, вызванной резким различием в свойствах ранней и поздней зон годичного слоя. Поэтому при длине волны колебаний, большей ширины годичных слоев, наблюдается меньшее затухание ультразвука. Для исключения интерференционных явлений длина образца должна превышать длину волны в 1,5 раза [21, 35]. Более быстрым и точным является способ измерения акустических параметров древесины с применением вынужденных колебаний. При воздействии на образец периодически изменяющейся силы наибольшая амплитуда её колебаний возможна при совпадении собственной и вынужденной частот, то есть при условии резонанса (отсюда часто употребляемое название «резонансный метод»).
Резонансный (вибрационный) метод позволяет определять динамический модуль упругости образцов по частоте собственных изгибных колебаний [28]. Данный метод стандартизирован в ГОСТ 16483.31-74 «Древесина. Резонансный метод определения модулей упругости сдвига и декремента колебаний». Это в своем роде единственный стандарт, позволяющий определить акустические показатели древесины. Принципиальная схема измерения представлена на рисунке 2.3. - генератор сигналов; 2 - электромагнитный возбудитель колебаний;
Сущность метода заключается в возбуждении у образца со свободными концами продольных колебаний основной гармоники и изгибных колебаний второго обертона. По частотам резонансных колебаний определяют модуль упруго сти и модуль сдвига, а по ширине резонансных пиков - логарифмический декремент колебаний.
Поскольку все физико-механические свойства древесины зависят от ее влажности, в этом же стандарте приводятся соответствующие формулы для пересчета модуля упругости образца к нормализованной влажности (12%). В том случае, когда древесина имеет влажность в пределах от 8 до 20%, пересчитывают к влажности 12% с точностью до 25 МПа по формуле (2.9):
Определив динамический модуль упругости резонансным методом по ГОСТ 16483.31 - 74 «Древесина. Резонансный метод определения модулей упругости сдвига и декремента колебаний», а плотность древесины по ГОСТ 16483.1 «Древесина. Метод определения плотности» [26], можно рассчитать акустическую константу исследуемого сортимента: лесоматериала круглого, пиленого или заготовки (полуфабриката для изготовления деки музыкального инструмента).
Однако данный метод является разрушающим. Сложность и большая трудоемкость в реализации данного метода связана с изготовлением опытных (стандартных) образцов из сортиментов, для чего требуется предварительная рубка дерева. Этот фактор является большим препятствием для внедрения способа в широкую практику по отбору резонансной древесины, особенно на корню. Таким образом, данный стандартный способ не походит для ранней диагностики резонансных свойств древесины у молодняков и подроста.
Для такого материала, как древесина, обладающего свойством пластичности, особенно в раннем возрасте, характерно явление остаточной деформации.
Для исключения этого фактора следует использовать динамический модуль упругости. В ряде случаев динамический модуль упругости определяется быстрее и проще, чем статический. К тому же использование динамического модуля упругости для характеристики упругих свойств дает больше возможности для исследования влияния различных факторов, в том числе влажности и температуры. Поскольку образцы древесины при испытаниях не разрушаются, что дает возможность использовать их для других испытаний, подвергать многократному увлажнению и высушиванию [9].
Наиболее простым и удобным является определение динамического модуля упругости резонансным методом по собственной (резонансной) частоте образца. Данным методом исследовались образцы зрелой древесины стандартной формы и размеров, а также были проведены исследования на кернах [55,112, 103]. Но для изучения резонансных свойств древесины неразрушающим методом в раннем возрасте целесообразно проводить испытания на боковых побегах. В связи с этим возникает необходимость расширить исследования резонансных свойств древесины, определив значение акустической константы через динамический модуль упругости древесины резонансным методом.
На основе анализа существующих методов исследования оценки резонансных свойств древесины, нами предлагается новый неразрушающий метод, который относится к области диагностики резонансных свойств древесины у молодых деревьев в возрасте подроста и старше, может быть использован в плантационном лесовыращивании для выявления качественного материала с предсказуемыми характеристиками для изготовления музыкальных инструментов.
Способ позволяет провести раннюю диагностику резонансных свойств древесины подроста на корню с неодинаковым диаметром черенков, посредством амплитудно-частотных показателей.
Прототипом является способ определения собственной резонансной частоты колебаний образца древесины в виде поперечно-радиальных кернов длиной от 70 до 150 мм и диаметром 4 мм, путем определения акустических свойств исследуемого образца [57, 103]. Недостатком данного способа является невозможность извлечения кернов из молодых деревцев или их боковых побегов.
Новый метод заключается в том, что у елового подроста с южной стороны от серединных боковых веток, исключая последние трехлетние приросты, берут образцы в виде черенков длиной 50-100 мм, посредством персонального компьютера с полнодуплексной звуковой платой и специальной программой в автоматическом режиме получают частотно-амплитудную гистограмму в результате чего определяют собственную частоту колебаний отобранных черенков резонансным ме тодом, с дальнейшим расчетом акустической константы с учетом плотности и фактической толщины черенка, с заданной степенью вероятности не ниже 0,95 определяют наличие резонансных свойств подроста. Данный способ защищен патентом РФ № 2439561 [58].
Для реализации данного способа предлагается устройство, принципиальная схема которого представлена на рисунке 2.4. - монитор; 2 - компьютер, включающий: 2.1- вход звуковой платы, 2.2 - выход звуковой платы; 3 - вибратор типа ТК-67-Н; 4 - датчик типа ТК67-Н; 5 - образец; 6 - ферромагнитный "колпачок" Рисунок 2.4 - Структурная схема резонансного метода
Устройство представляет собой систему из электромагнитного вибратора (3), возбуждающего колебания исследуемого образца (5) с помощью "колпачка" (6) из ферромагнитного материала и электромагнитного датчика (4), регистрирующего амплитуду и частоту колебаний образца. С выхода звуковой платы (2.2) гармонический сигнал по соединительному кабелю подаётся на вибратор (3). Сигнал с датчика поступает на вход звуковой платы компьютера (2.1).
Для создания электромагнитного поля и возбуждения колебаний образца из древесины на его свободный конец устанавливается колпачок, представляющий собой цилиндр из «мягкого» ферромагнитного материала, позволяющий менять диаметр в зависимости от размера образца.
Предлагаемый метод может быть использован для проведения предварительной ранней диагностики резонансных свойств древесины подроста на корню без спиливания дерева и изготовления стандартных образцов.
Выбор варьируемых факторов и уровней их варьирования
Для того, чтобы определить влияние геометрических размеров исследуемого образца на акустические показатели древесины найдем значения резонансной частоты согласно уравнению регрессии (4.13) и произведем расчет акустической константы по формуле (2.21) на диаметре образца 0,002...0,01 м и рабочей длине 0,03...0,11 м при постоянном усилии крепления Шм. Полученные значения приведены в Приложении Д.
По результатам исследований построены графики зависимости резонансной частоты и акустической константы от исследуемых факторов.
На рисунках 4.4 и 4.5 представлены зависимости резонансной частоты и акустической константы от рабочей длины образца. 1400
График зависимости акустической константы образца от рабочей длины при усилии зажима 1 Нм Из графиков видно, что резонансная частота образцов разного диаметра совпадает лишь на рабочей длине 0,08 - 0,09 м, в тоже время стабильность значений акустической константы наблюдается при рабочей длине менее 0,07 м. Соответственно для исключения влияния диаметра на акустическую константу следует проводить измерения на рабочей длине в диапазоне 0,04 - 0,07 м.
График зависимости акустической константы образца от диаметра при усилии зажима 1 Нм. Из рисунка 4.7 видно, что у графиков для рабочих длин 0,05 и 0,07 м наблюдается практически полное совпадение значений акустической константы при диаметрах образцов более 0,005 м. При этом выпадение из общей тенденции графика для рабочей длины 0,03 м обусловлено увеличением внутренних потерь на колебания образца; это приводит к резкому снижению значения акустической константы. Соответственно, минимальный диаметр образцов для испытаний составляет 0,005 м, а максимальный ограничивается техническими характеристиками прибора и составляет 0,01 м [78].
Рисунок 4.8 - График отклика резонансной частоты образца от его диаметра и рабочей длины Рисунок 4.9 - График отклика акустической константы образца от его диаметра и рабочей длины
Поверхность отклика (рисунок 4.8 и 4.9), полученная на основе теоретических данных в программной среде Statistica [13] показывает, что геометрические размеры, такие как диаметр и рабочая длина образца, существенное влияние на резонансную частоту и акустическую константу исследуемого образца, представляющего собой отрезок боковой ветви цилиндрической формы. Акустическая константа выше у образца с большим диаметром. Дело в том, что тонкие образцы обладают большей гибкостью, и для того чтобы создать вибрацию этих образцов, необходимо меньшее усилие, т.е. частота подаваемая с генератора и соответственно собственная резонирующая частота образца по значению будут меньше, чем у толстых черенков. С увеличением рабочей длины собственная частота образца уменьшается.
Таким образом, для исключения влияния геометрических размеров образцов на акустическую константу следует проводить измерения на образцах диаметром 0,005 - 0,01 м при рабочей длине в диапазоне 0,04 - 0,07 м. 4.4 Исследование акустических показателей резонансной ели плантационного выращивания и обычный формы ели
В качестве пробной площадки была выбрана архивно-маточная плантация резонансной формы ели Учебно-опытного лесхоза Поволжского государственного технологического университета (ПГТУ) Республики Марий Эл, где был произведен отбор боковых побегов деревьев ели, привитых от резонансных маточников и деревьев естественного происхождения.
Проведем сравнительный анализ экспериментальных исследований акустических показателей боковых побегов древесины ели, обладающей резонансными свойствами и обычной формы ели в раннем возрасте на корню. Результаты проведенных экспериментальных исследований на образцах, отобранных от елей резонансной и обычной формы, по предложенному способу, представлены в приложении Е. Сравнительный анализ акустических показателей приведен в таблице 4.4.
В результате мониторинговых исследований древесины ели архивно-маточной плантации ПГТУ, выполненных в рамках ФЦП «Исследование и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (№ 16.518.11.7094) было установлено, что значение акустической константы древесины стволовой части маточников, откуда взяты черенки для прививки (привой) находится в пределах 12 - 14,7 м4/(кг-с). Это говорит о наличии резонансных свойств исследуемых деревьев [72].
Результаты многолетних наблюдений ученых R. Hsu Linda C.-Y., Chauhan Shakti S. свидетельствуют о достоверности того, что выявленные у молодняков свойства древесины проявляются и у взрослых деревьев. Коэффициент корреляции показателя модуля упругости «молодой» и зрелой древесины составляет 0,8-0,9 [117, 118, 127]. Lindstrom, Н., Nakada в своих работах также доказывают взаимосвязь модуля упругости бокового побега и стволовой части дерева [122].
К тому же, опираясь на доказанные наукой и подтвержденные практикой общеизвестные законы генетики, можно отметить главное - при вегетативном размножении в потомство передаются и практически полностью сохраняются признаки и свойства материала маточника, то есть в данном случае физико-механические (резонансные) свойства древесины ствола; понятно, при соблюдении в дальнейшем соответствующей лесоводственной технологии и экологических условий (в тему настоящих исследований рассмотрение этих вопросов не входит).
Следовательно, в рассматриваемой архивно- маточной плантации привитые деревья к возрасту технической спелости (120 и более лет) могут формировать стволовую древесину с уникальными резонансными свойствами, то есть идентичную с маточником и иметь акустическую константу К не менее 12 м4/ кг-с.
Исследование влияния геометрических размеров образца на акустические показатели древесины
Производство лесной продукции занимает в структуре экономики России одно из ведущих мест по объемам внутреннего валового продукта и экспорта. Весомой составляющей конкурентоспособности лесопродукции является ее высокое качество. Отсутствие стабильного качества, соответствующего требованиям потребителей, не позволяет рационально интегрировать национальную экономику в мировое пространство и занять в нем достойное место. Особенно остро проблема качества встает в свете вступления России в ВТО. Процессы интеграции в современных условиях развития мирового сообщества объективно необратимы, поэтому внедрение современной концепции управления качеством лесопродукции должно носить приоритетный характер [2, 3, 20].
В России отсутствует научно-обоснованная система управления качеством и контроля качества древесного сырья в процессе его лесовыращивания и воспроизводства. Качество древесины оценивается преимущественно на этапе лесосечных работ и первичной переработки, где лесоматериалы классифицируются по внешним признакам в соответствии с нормами национальных стандартов. Определение качества выращиваемой древесины ассоциируется с изучением товарной структуры древостоев [52]. Такой подход основан на разделении запаса по назначению, категориям крупности и сортам (преимущественно с использованием то варно-сортиментных таблиц), что не позволяет в полной мере оценивать качественное состояние формирующейся древесины. Назрела острая необходимость разработки системы формирования и оценки качества древесного сырья в процессе лесовыращивания. Без этого в строгом смысле нельзя говорить о целевом лесо-выращивании [46, 66, 67].
Концепция развития национальной системы стандартизации на период до 2020 года, принятая Правительством РФ 24.09.2012 г., предусматривает коренную модернизацию всех отраслевых стандартов и их гармонизацию с международными требованиями.
Реализация данной Концепции в лесном хозяйстве страны сегодня имеет особую актуальность и сопряжена с необходимостью решения многих сложных задач. Вопросы стандартизации в этой приоритетной отрасли российской экономики не рассматривались более десяти лет и предстоит ежегодно не только обновлять до 15 процентов имеющихся, но и разрабатывать и внедрять новые стандарты путем их гармонизации с международными, как того требуют условия ВТО и Таможенного союза [34, 71, 97, 98].
Поставленная задача усложняется еще тем обстоятельством, что в рамках принятого Правительством РФ другого основополагающего документа - Программы развития лесного хозяйства до 2020 года - предусматривается широкое распространение международных систем лесной сертификации (преимущественно по FSC) как инструмента оценки соответствия ведения лесного хозяйства критериям сохранения и устойчивого управления лесами в рамках Программы ООН по окружающей среде и развитию, которую подписала и Россия (Рио-де-Жанейро, 1992; 2002; 2012 «РИО+20») [62,75, ПО, 115].
Эффективность лесной сертификации также во многом будет определяться уровнем полноты и качества нормативно-методической базы.
Все сказанное выше должно быть направлено сегодня на решение и другой глобальной проблемы - сохранение не только в лесах России, но и на планете в целом генофонда резонансной ели с уникальными акустическими свойствами древесины, необходимой для изготовления деки - основной звукоизлучающей детали многих видов музыкальных инструментов.
В России до настоящего времени не проводится диагностика резонансных свойств древесины на корню, тем более в стадии подроста. Для этого в лесной отрасли полностью отсутствует необходимая нормативно-техническая база. Так действующие ГОСТы предусматривают только визуальную оценку по размерно-качественным характеристикам, но не учитывают технические свойства, определяющие резонансную способность древесины.
Чтобы восполнить данный пробел в качестве рекомендаций по стандартизации предлагается проект стандарта «Резонансная древесина. Ранняя неразрушаю-щая диагностика акустических свойств на корню» (Приложение Ж).
Объектом стандартизации является метод и устройство для проведения испытаний по определению акустических свойств древесины на корню с целью выявления на раннем этапе роста дерева наличие резонансных свойств.
Данный метод позволит создать условия для полной оценки резонансной древесины на корню при определении акустических свойств, а также повысить производительность процесса испытаний и точность измерений.
Предлагаемый метод способствует уменьшению себестоимости выполняемых работ, снижению времени проведения исследований при соблюдении всех норм по технике безопасности и санитарной безопасности.
Предполагаемый конечный результат - повышение эффективности и качества проведения исследований по выявлению акустических параметров древесины и оперативное выявление резонансных свойств в производственных условиях для получения сортиментов с уникальными акустическими параметрами.
Внедрение данного метода позволит без спиливания дерева комплексно исследовать древесину, в частности получить максимальное количество показателей, как физических, так и акустических.