СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИСПЫТАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАСТУЩИХ ДЕРЕВЬЕВ Российский патент 2004 года по МПК A01G23/00 G01N33/46 

Изобретение относится к способам экологического мониторинга территории свойствами растущих деревьев и может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесном хозяйстве при сертификации качества отдельных деревьев и лесных насаждений по учетным деревьям, например в ходе лесоустройства, отводе участков леса под ландшафтное обустройство территории и для обоснования рубок ухода за лесом.

Известен способ ультразвукового испытания древесины на стандартных образцах, полученных от растущих деревьев после их валки, механической разделки и последующей обработки резанием, размерами 20×20×300 мм (последний размер вдоль волокон), включающий закрепление образца, наклейку ферромагнитных пластинок на соответствующих местах образца древесины по ГОСТ 16483.31-74, включение электромагнитного возбудителя, изменение частот колебания для приведения образца в резонансное состояние (см. например, книгу: Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М.: МГУЛ, 2001. - С.131).

Недостатком является высокая трудоемкость изготовления стандартных образцов прямоугольного сечения, одноразовость испытания растущего дерева, что не позволяет применить этот способ в инженерной экологии, экологическом мониторинге и также в лесном хозяйстве.

Известен также способ ультразвукового испытания несущей способности центрифугированных железобетонных стоек опор контактной сети (см. данные в публикации: научная статья В.Н.Козлов, В.И.Подольский, А.А.Самокрутов, В.Г.Шевалдыкин), включающий измерение скорости распространения продольных ультразвуковых волн в теле стойки в продольном и поперечном направлениях. При поверхностном прозвучивании материала железобетонной стойки в двух взаимно перпендикулярных направлениях (поперек и вдоль оси стойки) испытание проводится в одном или нескольких ее местах. Причем способ поверхностного прозвучивания позволяет вести контроль прочности около повреждений в любых местах стоек.

Недостатком является то, что прототип разработан применительно к конкретной области применения в виде железобетонных стоек и поэтому применительно к растущим деревьям требует учета существенно новых отличительных признаков. Причем само понятие “несущая способность” нами расширяется и механическая прочность для растущего дерева становится только частным случаем. Для растущего дерева несущая способность нами понимается прежде всего как динамическая способность нести потоки физиологических растворов: питательных веществ в камбиальном слое, расположенном между первым годичным слоем и корой, а также минерального сока в первых нескольких годичных слоях заболонной древесины и продуктов фотосинтеза в прилегающих к камбию слоях коры. Причем в коре и годичных древесных слоях потоки питательных растворов разнонаправлены. Кроме того, недостатком является также и то, что по прототипу необходимо обеспечить сухой точечный контакт датчиков ультразвукового тестера, что невозможно для растущего дерева, влажность которого в камбиальной зоне достигает 250% и более.

Таким образом, необходим новый способ, позволяющий нанести небольшую рану в коре в испытуемом месте растущего дерева: причем последовательно, вначале до луба, потом до камбия, а потом и до первого годичного слоя заболонной древесины растущего дерева (после этого возможен отрыв и первого годичного слоя древесины, например, в конце вегетационного периода). Причем прототип применяется в зависимости от типа и места поверхностного повреждения, а испытуемое место на растущем дереве принимается из необходимости реализации экологических, технических или иных целей (например, для изучения гидравлических параметров потоков продуктов жизнедеятельности дерева). Вместе с тем, важное значение приобретает изучение различных механических травм дерева (трещины морозобойные, капы, наросты, места активных выделений смолы, развилки ствола и пр.), а также места поражения различными вредителями и болезнями коры и древесины.

Технический результат - расширение технологических возможностей ультразвукового испытания несущей способности конструкции, экологических свойств коры, камбия и древесины, питательных потоков продуктов жизнедеятельности растущего дерева, а также повышение точности измерений при различной влажности коры, камбия и первого годичного слоя заболонной древесины растущего дерева.

Этот технический результат достигается тем, что в периферийной части растущего дерева в испытуемом месте выполняется по крайней мере одно углубление вдоль оси этой части до прозвучиваемого слоя от поверхности коры, включая первые годичные слои заболонной древесины растущего дерева в испытуемом месте.

Углубление выполняется квадратной формы для размещения датчиков короткобазового ультразвукового тестера.

Наклонные части растущих деревьев испытываются в нескольких местах: для оценки экологического состояния на боковой стороне от поверхности наклона, для оценки технической древесины место прозвучивания выбирают по наклону, а для оценки физиологических процессов растущего дерева - против наклона.

Для сопоставления со стандартными образцами вдоль части дерева выполняют два углубления, расположенных друг от друга не менее 300 мм.

Для санитарной оценки растущих деревьев места для прозвучивания выбирают около пороков древесины, причем дно углубления не должно иметь трещин и других механических повреждений.

Дополнительно измеряют влажность поверхности дна углубления электронным влагомером.

Для длиннобазового ультразвукового тестера размеры квадратного углубления принимают по одному датчику тестера.

Для сопоставления со стандартными образцами замеры на одном и том же углублении проводят до стабилизации равновесной влажности коры, луба, камбия или заболонной древесины по мере естественного высыхания клеток.

Сущность изобретения заключается в том, что измерения ультразвуковым прибором при поверхностном озвучивании переносятся непосредственно на конкретные и характерные места растущего дерева, причем как на стволе, так и на ветвях и корнях. Поэтому все дерево нет нужды валить и уничтожать. Это значительно повышает информативность измерений, а также оперативность и точность экологического мониторинга свойствами отдельных слоев коры и годичных слоев живой заболонной древесины в растущем состоянии.

Сущность технического решения заключается также в том, что в ходе экологического мониторинга растущему дереву наносится рана только один раз и образованные углубления позволяют выполнять многократные замеры, после стабилизации влажности прозвучаемой поверхности в выбранном месте растущего дерева, например в течение суток, лунного цикла, сезона, вегетационного периода, а также выявить многолетние циклические закономерности изменения свойств древесины в растущем состоянии. В этом случае один раз изготовленное, например, с помощью скальпеля углубление используется многократно. В будущем появляется возможность выявления причин образования сухостойных деревьев, а также причин заболеваний и поселения вредителей на растущем дереве.

Важным является то, что объект измерения при повторных наблюдениях геометрически не меняется, а измерение свойств коры, камбия и первичных годичных слоев древесины в зоне замера, например в ходе экспериментов, возможно учесть поправочными коэффициентами по результатам наблюдений, полученных от начала изготовления углублений. По этим же данным вводятся поправки на изменение влажности коры и древесины.

Таким образом, одно и то же учетное дерево становится носителем множества биоиндикаторов в виде различных мест поверхностного озвучивания, а также экологического и физиологического состояния растущего дерева и его частей (известно, что каждая ветвь является отдельным организмом) с учетом запаздывания ответных физиологических реакций древесного растения на различные естественные (температура и влажность воздуха, солнечный свет, уровень грунтовых вод, болезни, вредители, травмы и пр.) и искусственные (вредные химические вещества, гниль, повреждения, способы лесоводственных воздействий, рубки ухода, ошмыг коры и пр.) раздражители.

При хорошем обращении с поверхностными углублениями для ультразвуковых измерений, с момента их изготовления, экологический мониторинг возможен вплоть до полного старения учетного дерева как биологического индикатора экологических и технологических (в лесном хозяйстве) условий. При этом такие малые искусственно выполненные и обработанные специальными веществами раны не наносят вреда организму данного учетного дерева, поэтому не влияют на физиологические процессы.

Положительный эффект заключается в том, что одноразовое поранение позволяет проводить долговременный экологический мониторинг территории, на которой произрастают учетные деревья. При этом возможно применение существующих типов переносных ультразвуковых приборов, например карманного тестера типа УК-1401, и других современных приборов (например, применяемых в медицине) с точечным контактом датчиков.

Углубления не наносят вреда крупным и средним деревьям. Поэтому предлагаемый способ ориентирован на взрослые деревья, а экологический мониторинг проводится за текущий или прошедший год по периферии ствола, ветви или корня. А по этим углублениям легко можно найти само учетное дерево, однако маркировка его не может быть нанесена на поверхность углубления из-за высокой чувствительности способа. Поверхность углубления не должна содержать и царапин, поэтому изготовление прозвучаемой поверхности на дне углубления возможно только подрезкой волокон по краям углубления и аккуратным снятием отдельных слоев коры, луба, камбия или древесины по годичным слоям только острым инструментом, например, медицинским скальпелем.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, новизной и положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну данного изобретения, нами не обнаружено.

На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа на стволе растущего взрослого дерева, вид спереди; на фиг.2 - сечение А-А по фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - схема квадратного углубления на наклонном стволе дерева или на его ветви сбоку плоскости наклона; на фиг.5 - схема прозвучивания ультразвуком поверхности дерева со стороны наклона; на фиг.6 - схема прозвучивания поверхности ствола со стороны, противоположной наклону дерева; на фиг.7- схема реализации способа двумя углублениями; на фиг.8 - схема реализации способа с длиннобазовым ультразвуковым тестером, датчики которого расположены не менее чем на 300 мм вдоль ствола дерева; на фиг.9 - сечение В-В по фиг.8; на фиг.10 - схема прозвучивания поверхности корки березы короткобазовым ультразвуковым тестером; на фиг.11 - схема поверхностного прозвучивания после удаления куска бересты; на фиг.12 - продолжение углубления до камбия; на фиг.13 - схема углубления и испытания несущей способности поверхности ствола березы без коры и камбия; на фиг.14 - схема испытания древесины березы после удаления первого годичного слоя.

Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев включает в себя следующие действия.

На стволе 1 (аналогично ветви или корня) растущего дерева в выбранном для испытания месте выполняется углубление 2, например, квадратной формы. В точках 3 контакта прижимаются датчики ультразвукового тестера 4 и тем самым выполняются измерения времени и скорости распространения скорости ультразвука по поверхности дна углубления. При этом измерения проводят поперек и вдоль оси ствола.

Короткобазовые тестеры выполняются, например, с расстоянием между точками контакта 50 мм, что позволяет испытывать стволы, ветви или корни диаметром более 120-160 мм.

При необходимости сопоставления с результатами испытания с применением стандартных образцов, вдоль ствола (ветви или корня) выполняют квадратные углубления меньших размеров (фиг.8 и фиг.9) для размещения одного датчика, а расстояние между точками 3 контакта принимаются не менее 300 мм, при этом ультразвук проходит по поверхности годичного слоя с учетом внутреннего распространения ультразвуковых волн вдоль годичного слоя.

На молодых деревьях с диаметром стволов 120 мм и менее рекомендуется испытывать несущую способность только вдоль оси ствола.

Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев реализуется, например, на стволе взрослой березы следующим образом.

Вначале выбирается учетное дерево, которые способно своим поведением характеризовать экологическое состояние территории. Затем на стволе 1 учетного дерева выбирается место для изготовления углубления 2. Вначале выполняется прозвучивание бересты, на предварительно очищенной в месте измерения поверхности.

При изготовлении углубления, например скальпелем, вначале подрезаются волокна бересты поперек волокон по границам примерно квадратного углубления. Затем этим же скальпелем выполняется подрезка углубления по бокам. После этого аккуратно удаляется кусок бересты и открывается дно углубления в виде коры березы. Измерения выполняют вдоль и поперек оси ствола в точках 3 контакта ультразвуковым тестером 4. При необходимости выполняется дальнейшее углубление места замеров до камбиального слоя, до поверхности ствола без коры и даже со снятием первого или нескольких годичных слоев в свежем их состоянии.

Замеры на любом уровне повышения глубины углубления проводят то тех пор, пока не наступит условно равновесное состояние влажности коры, луба, камбия или поверхности заболонной древесины. Таким образом, возможны различные сочетания экспериментальных исследований, зависящие от целей исследования. При необходимости возможно дополнительно измерять влажность в месте контакта электромагнитным влагомером.

Предлагаемый способ позволяет выполнять измерения показателей экологического состояния и сопоставлять их со скоростью ультразвука, изменяющего свое значение в зависимости от физиологического состояния учетного дерева. Причем измерения можно выполнять и без изготовления углублений, на чистой поверхности коры. Однако наиболее надежные данные получатся при измерениях на некоторой глубине коры и заболонной древесины. Статистическим моделированием динамики данных выявляются закономерности как процессов физиологии данного дерева, так и изменения экологического состояния территории в течение суток, недель, нескольких месяцев и 2-5 лет.

Изобретение относится к способам экологического мониторинга территории свойствами растущих деревьев и может быть использовано в инженерной экологии, а также в лесном хозяйстве при сертификации качества отдельных деревьев и лесных насаждений по учетным деревьям, например, в ходе лесоустройства, отводе участков леса под ландшафтное обустройство территории и для обоснования рубок ухода за лесом. В периферийной части растущего дерева в испытуемом месте выполняется по крайней мере одно углубление вдоль оси этой части до прозвучиваемого слоя от поверхности коры, включая первые годичные слои заболонной древесины растущего дерева в испытуемом месте. Изобретение позволяет расширить технологические возможности ультразвукового испытания несущей способности конструкции, а также повысить точность измерений при различной влажности коры, камбия и первого годичного слоя заболонной древесины растущего дерева. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев, включающий выбор учетного дерева, поверхностное прозвучивание в двух взаимно перпендикулярных направлениях вдоль и поперек оси ствола или другой части дерева, отличающийся тем, что в периферийной части растущего дерева в испытуемом месте выполняется по крайней мере одно углубление вдоль оси этой части до прозвучиваемого слоя от поверхности коры, включая первые годичные слои заболонной древесины растущего дерева в испытуемом месте.2. Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что углубление выполняется квадратной формы для размещения датчиков короткобазового ультразвукового тестера.3. Способ ультразвукового испытания несущей способности древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что наклонные части растущих деревьев испытываются в нескольких местах: для оценки экологического состояния на боковой стороне от поверхности наклона, для оценки технической древесины место прозвучивания выбирают по наклону, а для оценки физиологических процессов растущего дерева - против наклона.4. Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для сопоставления со стандартными образцами вдоль части дерева выполняют два углубления, расположенные друг от друга не менее 300 мм.5. Способ ультразвукового испытания несущей способности древесины растущих деревьев по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для санитарной оценки растущих деревьев места для прозвучивания выбирают около пороков древесины, причем дно углубления не должно иметь трещин и других механических повреждений.6. Способ ультразвукового испытания несущей способности древесины растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют влажность поверхности дна углубления электронным влагомером.7. Способ ультразвукового испытания несущей способности растущих деревьев по п.1, отличающийся тем, что для длиннобазового ультразвукового тестера размеры квадратного углубления принимают по одному датчику тестера.8. Способ ультразвукового испытания несущей способности древесины растущих деревьев по пп.1, 2, 4 и 6, отличающийся тем, что для сопоставления со стандартными образцами замеры на одном углублении проводят до стабилизации равновесной влажности коры, луба, камбия или заболонной древесины по мере естественного высыхания клеток.