應用超音波斷面影像技術評估古蹟古蹟大木構件的內部材質

全文

(1)應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 內政部建築研究所研究報告中華民國 98 年 12 月.

(2)

(3) 計畫編號：9860B001 項. 號：第 2 項. 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 研究主持人：何明錦共同主持人：蔡明哲研. 究. 員：王松永. 研究助理：林振榮. 林蘭東趙庭佑談宜芳謝耀明. 內政部建築研究所研究報告中華民國 98 年 12 月 I.

(4)

(5) 目次. 目摘. 次. 要 ---------------------------------------------------------------------------- X . 第一章. 緒論 ------------------------------------------------------------------- 1 . 第一節研究緣起與背景 ---------------------------------------------------------------------- 1 第二節研究方法及進度說明 ---------------------------------------------------------------- 2 第三節蒐集之資料、文獻分析 ------------------------------------------------------------- 4 . 第二章. 超音波二維斷層影像技術檢測 --------------------------------- 12 . 第一節實驗材料 ----------------------------------------------------------------------------- 12 第二節實驗方法與評估 ---------------------------------------------------------------- 12 第三節研究發現 ----------------------------------------------------------------------------- 16 第四節小結 ----------------------------------------------------------------------------------- 24 . 第三章. 健全及劣化原木的斷層影像技術及抗壓強度檢測 --------- 25 . 第一節實驗材料 ----------------------------------------------------------------------------- 25 第二節實驗方法與評估 ---------------------------------------------------------------- 25 第三節研究發現 ----------------------------------------------------------------------------- 25 第四節小結 ----------------------------------------------------------------------------------- 81 . 第四章. 二維斷層影像技術檢測案例 ------------------------------------ 82 . 第一節實驗材料與檢測之範圍 ----------------------------------------------------------- 82 第二節實驗方法與評估 ---------------------------------------------------------------- 83 第三節研究發現 ----------------------------------------------------------------------------- 89 . I.

(6) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 第五章. 結論與建議 --------------------------------------------------------- 98 . 第一節結論 ----------------------------------------------------------------------------------- 98 第二節建議 ----------------------------------------------------------------------------------- 98 . 附. 錄. 一 ------------------------------------------------------------------- 100 . 附. 錄. 二 ------------------------------------------------------------------- 102 . 附. 錄. 三 ------------------------------------------------------------------- 104 . 附. 錄. 四 ------------------------------------------------------------------- 107 . 參考書目 ---------------------------------------------------------------------- 110 . II.

(7) 表次. 表次表 1-1 應力波偵測孔洞示意表（摘自 WWW.FAKOPP.COM） .................................... 6 表 1-2 應力波多路徑斷層攝影示意表（摘自 WWW.FAKOPP.COM） ........................ 7 表 2-1 PATH A、B、C 和 D 超音波速度與殘餘直徑比值間的迴歸方程式 ........... 17 表 2-2 各偵測點於中央孔洞之徑向對弦向(VRADIAL/VTANGENTIAL)超音波速度比值與孔洞面積比值之間的線性關係.................................................................. 20 表 3-1 健全福州杉材(NO.1)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ........................... 27 表 3-2 健全福州杉材(NO.1)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 27 表 3-3 健全福州杉材(NO.2)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ........................... 29 表 3-4 健全福州杉材(NO.2)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 29 表 3-5 健全福州杉材(NO.3)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ........................... 31 表 3-6 健全福州杉材(NO.3)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 31 表 3-7 健全福州杉材(NO.4)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ........................... 33 表 3-8 健全福州杉材(NO.4)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 33 表 3-9 健全福州杉材(NO.5)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ........................... 35 表 3-10 健全福州杉材(NO.5)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) .......................... 35 表 3-11 健全福州杉材(NO.6)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 37 表 3-12 健全福州杉材(NO.6)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) .......................... 37 表 3-13 健全福州杉材(NO.7)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 39 表 3-14 健全福州杉材(NO.7)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) .......................... 39 表 3-15 健全福州杉材(NO.8)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 41 表 3-16 健全福州杉材(NO.8)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) .......................... 41 表 3-17 健全福州杉材(NO.9)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 43 表 3-18 健全福州杉材(NO.9)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) .......................... 43 表 3-19 健全福州杉材(NO.10)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 45 III.

(8) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質表 3-20 健全福州杉材(NO.10)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 45 表 3-21 健全福州杉材(NO.11)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 47 表 3-22 健全福州杉材(NO.11)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 47 表 3-23 健全福州杉材(NO.12)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 49 表 3-24 健全福州杉材(NO.12)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 49 表 3-25 健全福州杉材(NO.13)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 51 表 3-26 健全福州杉材(NO.13)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 51 表 3-27 健全福州杉材(NO.14)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 53 表 3-28 健全福州杉材(NO.14)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 53 表 3-29 健全福州杉材(NO.15)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 55 表 3-30 健全福州杉材(NO.15)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPA) ........................ 55 表 3-31 健全福州杉 15 個原木在不同路徑的平均超音波速度(M SEC-1) .............. 56 表 3-32 劣化福州杉材(NO.1)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 59 表 3-33 劣化福州杉材(NO.1)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 59 表 3-34 劣化福州杉材(NO.2)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 61 表 3-35 劣化福州杉材(NO.2)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 61 表 3-36 劣化福州杉材(NO.3)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 63 表 3-37 劣化福州杉材(NO.3)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 63 表 3-38 劣化福州杉材(NO.4)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 65 表 3-39 劣化福州杉材(NO.4)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 65 表 3-40 劣化福州杉材(NO.5)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 67 表 3-41 劣化福州杉材(NO.5)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 67 表 3-42 劣化福州杉材(NO.6)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 69 表 3-43 劣化福州杉材(NO.6)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 69 表 3-44 劣化福州杉材(NO.7)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 71 IV.

(9) 表次. 表 3-45 劣化福州杉材(NO.7)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 71 表 3-46 劣化福州杉材(NO.8)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 73 表 3-47 劣化福州杉材(NO.8)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 73 表 3-48 劣化福州杉材(NO.9)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ......................... 75 表 3-49 劣化福州杉材(NO.9)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) .............................. 75 表 3-50 劣化福州杉材(NO.10)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 77 表 3-51 劣化福州杉材(NO.10)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 77 表 3-52 劣化福州杉材(NO.11)在不同路徑的超音波速度(M SEC-1) ....................... 79 表 3-53 劣化福州杉材(NO.11)在路徑 5 的縱向壓縮強度(MPA) ............................ 79 . V.

(10) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 圖次圖 1-1 斷層影像示意圖（MARTINTS ET AL., 2004） .................................................. 8 圖 1-2 斷面影像與鑽孔阻抗圖譜對照圖（SOCCO ET AL., 2004） ............................ 9 圖 1-3 試材與斷面影像對照圖（SOCCO ET AL., 2004） .......................................... 10 圖 1-4 斷面影像分析速度與小試材超音波速對照圖（SOCCO ET AL., 2004） ...... 10 圖 2-1 實驗圓盤上 8 個超音波測量點、56 條傳遞路徑與自圓心及偏心挖洞示意圖.......................................................................................................................... 13 圖 2-2 依據超音波檢測的方位區分成四種路徑類型 .............................................. 14 圖 2-3 超音波 2D 斷面影像圖形利用影像技術轉換量化數值之程序 ................... 16 圖 2-4 PATH A、B、C 和 D 相對超音波速度損失率與直徑殘餘比值之關係 .... 18 圖 2-5 偏心孔洞之正徑向超音波/正弦向超音波速度比值與孔洞面積比值之間的關係...................................................................................................................... 21 圖 2-6 圓盤中央孔洞大小與超音波檢測結果轉換成 2D 斷層影像之比較 ........... 22 圖 2-7 圓盤偏心孔洞大小與超音波量測結果轉換成 2D 斷層影像之比較 ........... 23 圖 3-1 福州杉 NO.1 照片，平均直徑：22.7 CM ....................................................... 26 圖 3-2 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ....................................... 26 圖 3-3 福州杉 NO.2 照片，平均直徑：21.01 CM ..................................................... 28 圖 3-4 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ....................................... 28 圖 3-5 福州杉 NO.3 照片，平均直徑：21.77 CM ..................................................... 30 圖 3-6 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ....................................... 30 圖 3-7 福州杉 NO.4 照片，平均直徑：20.75 CM ..................................................... 32 圖 3-8 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ....................................... 32 圖 3-9 福州杉 NO.5 照片，平均直徑：22.92 CM ..................................................... 34 圖 3-10 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 34 圖 3-11 福州杉 NO.6 照片，平均直徑：21.58 CM ................................................... 36 VI.

(11) 圖次. 圖 3-12 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 36 圖 3-13 福州杉 NO.7 照片，平均直徑：20.69 CM ................................................... 38 圖 3-14 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 38 圖 3-15 福州杉 NO.8 照片，平均直徑：21.9 CM ..................................................... 40 圖 3-16 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 40 圖 3-17 福州杉 NO.9 照片，平均直徑：21.71 CM ................................................... 42 圖 3-18 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 42 圖 3-19 福州杉 NO.10 照片，平均直徑：21.45 CM ................................................. 44 圖 3-20 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 44 圖 3-21 福州杉 NO.11 照片，平均直徑：22.63 CM ................................................. 46 圖 3-22 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 46 圖 3-23 福州杉 NO.12 照片，平均直徑：20.34 CM ................................................. 48 圖 3-24 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 48 圖 3-25 福州杉 NO.13 照片，平均直徑：20.05 CM ................................................. 50 圖 3-26 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 50 圖 3-27 福州杉 NO.14 照片，平均直徑：21.17 CM ................................................. 52 圖 3-28 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 52 圖 3-29 福州杉 NO.15 照片，平均直徑：20.75 CM ................................................. 54 圖 3-30 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 54 圖 3-31 福州杉抗壓強度在樹幹橫向的變異性........................................................ 57 圖 3-32 福州杉 NO.1 照片，平均直徑：30.2 CM ..................................................... 58 圖 3-33 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 58 圖 3-34 福州杉 NO.2 照片，平均直徑：19.7 CM ..................................................... 60 圖 3-35 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 60 圖 3-36 福州杉 NO.3 照片，平均直徑：29.0 CM ..................................................... 62 VII.

(12) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質圖 3-37 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 62 圖 3-38 福州杉 NO.4 照片，平均直徑：28.7 CM ..................................................... 64 圖 3-39 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 64 圖 3-40 福州杉 NO.5 照片，平均直徑：20.1 CM ..................................................... 66 圖 3-41 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 66 圖 3-42 福州杉 NO.6 照片，平均直徑：26.4 CM ..................................................... 68 圖 3-43 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 68 圖 3-44 福州杉 NO.7 照片，平均直徑：19.7 CM ..................................................... 70 圖 3-45 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 70 圖 3-46 福州杉 NO.8 照片，平均直徑：24.5 CM ..................................................... 72 圖 3-47 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 72 圖 3-48 福州杉 NO.9 照片，平均直徑：25.5 CM ..................................................... 74 圖 3-49 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 74 圖 3-50 福州杉 NO.10 照片，平均直徑：19.4 CM ................................................... 76 圖 3-51 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 76 圖 3-52 福州杉 NO.1 照片，平均直徑：19.7 CM ..................................................... 78 圖 3-53 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度 ..................................... 78 圖 4-1 檢測範圍一樓平面圖...................................................................................... 82 圖 4-2 檢測範圍二樓平面圖...................................................................................... 83 圖 4-3 DMP (DIGITAL MICROPROBE) 儀器配件 .......................................................... 84 圖 4-4 鑽孔阻抗力分佈圖.......................................................................................... 84 圖 4-5 ARBOTOM®感應器分布示意圖 ................................................................... 86 圖 4-6 ARBOTOM®脈衝攝影斷層圖 ....................................................................... 87 圖 4-7 STRESS WAVE ANALYSIS 影像分析示意圖 .............................................. 88 圖 4-8 DMP 圖譜，西北鑽向東南 ............................................................................. 89 VIII.

(13) 圖次. 圖 4-9 ABOTOM 圖譜，RANIBOW 色階 .............................................................. 89 圖 4-10 ARBOTOM 圖譜，灰階 ............................................................................... 89 圖 4-11 DMP 圖譜，西北鑽向東南 ........................................................................... 90 圖 4-12 DMP 圖譜，西北鑽向東南 ........................................................................... 91 圖 4-13 DMP 圖譜，西北鑽向東南 ........................................................................... 91 圖 4-14 ARBOTOM 圖譜，RANIBOW 色階 ........................................................... 92 圖 4-15 ARBOTOM 圖譜，灰階 ............................................................................... 92 圖 4-16 Stress Wave Analysis. …….……………………………………………………………………92. 圖 4-17 DMP 圖譜，西北鑽向東南……………………………………………………………………93 圖 4-18 ABOTOM 圖譜，RANIBOW 色階…………………………………………………………93 圖 4-19 ARBOTOM 圖譜，灰階………………………………………………………………………93 圖 4-20 Stress Wave Analysis …………………………………………………...………………………94 圖 4-21 DMP 圖譜，西北鑽向東南…………………………………………………...………………95 圖 4-22 ABOTOM 圖譜，RANIBOW 色階…………………………………………………………95 圖 4-23 ARBOTOM 圖譜，灰階………………………………………………………………………95 圖 4-24 DMP 圖譜，北鑽向南…………………………………………………………………………96 圖 4-25 DMP 圖譜，東鑽向西…………………………………………………………………………96 圖 4-26 ARBOTOM 圖譜，RANIBOW 色階………………………………………………………97 圖 4-27 ABOTOM 圖譜，灰階…………………………………………………………………………97 圖 4-28 STRESS WAVE ANALYSIS……………………………………………………………………… 97. IX.

(14) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 摘. 要. 關鍵詞：古蹟建築、超音波斷面影像技術、微破壞儀技術、非破壞性技術一、研究緣起. 環境保育及文化資產保存的原則下，古蹟大木構件的材質檢測及評估，需要應用非破壞性檢測法作為關鍵的重要技術，但是大部份的非破壞性技術是由檢測的數值，作為評估材質的重要依據，對於一般社會大眾與古蹟保存修復或管理人士而言，較難於理解及運用，拜科技研發的進步，藉由簡便的超音波檢測數值，可以進一步的分析及重整並架構成 2D 斷面影像，藉此提供更快速易理解的木構件內部材質狀況給建築修復與管理者，做為修復與管理的依據。另外，非破壞性技術檢測的結果是理論的預估值，有必要瞭解實際大木構件的現存強度值，並瞭解原貌 (舊)材料的強度折減狀況，此可由微破壞儀技術對取樣的樹蕊小試材進行縱向抗壓強度值檢測，藉此作為材質評估及分析。由於古蹟大木構件長時間的使用過程中，容易受到白蟻及腐朽菌等的攻擊，造成外觀不易檢測的內部腐朽空洞，因此本計畫擬應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件的內部腐朽空洞材質，並應用微破壞儀技術檢測實際材料的現存縱向抗壓強度，以提供古蹟建築在保存修復及管理上的參考。. 二、研究方法及過程. 本研究目的擬收集及分析二維斷面影像及微破壞儀技術評估木質材料的相關文獻，接著，以福杉(杉木)為材料，應用超音波斷面影像及微破壞儀技術評估木材材質，對於古蹟中大尺寸木柱之精確損壞檢測與提供修復之依據扮演關鍵性的角色。（一）研究內容. X.

(15) 摘要. 1. 收集與分析國內外二維斷面影像及微破壞儀技術評估木質材料的相關文獻。 2. 研發超音波斷面影像技術並應用於古蹟大木柱構件的材質評估。 3. 研發微破壞儀技術檢測古蹟舊木料的縱向抗壓強度。（二）研究方法 1.文獻彙整與分析: 彙整分析現有國內外關於二維斷面影像及微破壞儀技術評估木質材料的相關文獻。 2.實驗規劃: （1）選擇以福杉原木為材料，應用超音波斷層技術評估木構件的內部材質及應用微破壞儀檢測部份取樣樹蕊試材，評估其縱向抗壓強度。（2）對古蹟木構件進行取樣，應用研發之超音波斷層技術評估木構件的內部材質及應用微破壞儀檢測取樣之試材，評估其縱向抗壓強度，了解古蹟木構件損壞之情況。 3.專家座談與諮詢:期中與期末報告前召開專家座談與諮詢，彙整專家意見，精進研究成果。 4.重要儀器之配合使用情形本計畫實地量測所需之分析儀器超音波儀、微破壞儀檢測儀等，國立台灣大學與林業試驗所均能支援或向外租借。. XI.

(16) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質（三）研究流程圖. 三、重要發現 1. 本研究的目標是應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質，為了模擬不同程度及種類的缺點，試驗首先選取福州杉圓盤，並在其橫斷面的中央及偏心部位人工鑿洞，然後應用 Sylvatest 超音波儀及軟體系統測定分析並修正在圓盤不同方位的超音波速度，結果顯示在徑向方位檢測時，殘餘圓盤直徑比與超音波速度之間有極顯著的正相關性存在，在相同檢測方向時，超音波相對速度衰減與殘餘圓盤直徑比之間亦有極顯著的負相關性存在，再者，徑向對弦向超音波速度比(VPath D /VPath B)隨著孔洞對圓盤的面積比的增加而降低，然而，在偏心人工鑿洞時，VPath D /VPath B 數值隨著孔洞對圓盤的面 XII.

(17) 摘要. 積比的增加，會因檢測方位的不同而有變化的結果，實驗的結果可以提供關鍵性的資訊作為檢測古蹟大木構件之內部橫斷面的可能缺點及位置。 2. 不同中央孔洞及偏心孔洞大小的圓盤，藉由超音波檢測後，經過軟體、轉置、輸出的結果，可以轉換成 2D 斷層影像，然而，由於轉置斷層影像軟體的關係，2D 影像接近圓盤的外圍區域似乎有低估的現象，須在後續研究中校正，以求得正確的木構件損害 2D 斷層影像。 3. 建全福州杉相對超音波速度在徑向(Path D)為 1173-1667 m/s，4 種檢測路徑平均相對超音波速度有 Path D > Path C > Path B > Path A 的結果，福州杉的邊材相對超音波速度有較心材相對超音波速度低的傾向；以樹芯試材檢測抗壓強度值在 19.7-45.7 MPa，福州杉的邊材抗壓強度值有較心材抗壓強度值低的傾向。 4. 劣化福州杉相對超音波速度值主要視腐朽空洞的程度及位置影響，腐朽空洞愈嚴重相對超音波速度降低愈大；以樹芯試材檢測抗壓強度值在 20.3-36.3 MPa，腐朽部位小於 5 MPa，腐朽愈嚴重抗壓強度值降低愈大。應用超音波斷層技術的 2D 斷面圖符合實際材質及抗壓強度的結果，但是 2D 斷面圖的誤差率約 10%，可藉由增加超音波檢測點提高準確性。四、主要建議事項建議一：立即可行之建議主辦機關：內政部建研所協辦機關：文建會編纂應用非破壞檢測技術評估古蹟大木構件之內部材質之手冊。建議二：長期性建議主辦機關：文建會協辦機關：內政部建研所針對古蹟修復從業人員就應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質舉辦相關研習。建議三：長期性建議 XIII.

(18) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質主辦機關：文建會協辦機關：內政部建研所針對古蹟修復從業人員就應用非破壞檢測技術評估古蹟大木構件之內部材質舉辦相關研習。. XIV.

(19) 摘要. XV.

(20)

(21) 第一章緒論. 第一章. 緒論. 第一節研究緣起與背景目前古蹟修復過程之調查檢測工作，由於對古蹟構件不得進行破壞試驗，大多以目視檢測及仰賴大木匠師之經驗判斷，由於科技發展愈來愈先進，非破壞性檢測技術的儀器研發及使用也愈來愈廣泛，因此應用一些非破壞性檢測法（Nondestructive Testing，簡稱 NDT），例如超音波法、鑽孔抵抗法、木材表面硬度計等來評估古蹟中木構件之損壞狀況，甚至用於新木料之選購上，為可行的關鍵方法。但是，應用這些非破壞性檢測法仍舊具有科學性、技術性及經驗性法則，以致於檢測出的非破壞性評估參數，對一般社會大眾或古蹟修復從業人士而言，並不是容易理解及運用，同時，非破壞性評估參數都是由非破壞性儀器及技術推估計算而出的，因為非破壞性評估參數都不是木構件真正的破壞性強度數值，因此存在這二個盲點。非破壞性檢測技術的研發日新月異，例如可以應用超音波技術透過多個感應器及不同路徑的檢測，可以架構成為二維斷層影像資料，因為 2D 斷層影像可以提供更為完整的資訊，特別對一般社會大眾或古蹟修復從業人士而言，比較容易理解及作後續的古蹟建築的經營維護管理工作，因此，對於古蹟暨歷史建築保存修復與活用有具體可行的建議；其次是微破壞儀的研發是一種半非破壞性技術，檢測微小樹蕊試材的縱向抗壓強度，藉此評估木材強度折減的程度，特別是對於目視健全但可能已存在劣化的材料有較為妥善的材質評估及驗證。為達到保存古蹟及歷史建築木構造之目的，建研所已針對「非破壞性檢測法應用於古蹟及歷史建築大木作損壞之研究」、「大木作非破壞性診斷之操作手冊」、「濕氣與白蟻對古蹟與歷史建築木作破壞鑑定工作手冊」、「木作非破壞性診斷設備建置規劃之研究」、「應用木材表面腐朽偵測儀(Pilodyn)評估古蹟木構件剩餘力學強度之研究」等主題進行過研究。本研究團隊亦已針對上述有系統的研究及調查，為提供(損壞)大木構件的二維斷面影像及評估實際的強度，因此，擬應用超音波斷面影像技術於評估古蹟大木柱構件的內部材質，並以微破壞儀技術檢測古蹟舊木料的實際縱向抗壓強度，以提供古蹟建築保存修復及管理的參考。 1.

(22) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 第二節研究方法及進度說明一、研究方法超音波技術為基礎的影像技術是較為簡單低成本及有效率的，因為波的傳播是基於機械性的現象，常用於監測木材內部缺點，木材超音波傳播時間或衰減已證實是一種有效的參數去檢測評估木材劣化情形。而超音波技術由最初的兩個轉換器，漸漸結合較多的轉換器，並配合分析程式軟體，進而發展斷面影像系統，作為快速、可定位及定量材質評估方法之一，實務上可再結合其它定量性儀器評估材質。另外，小型強度試驗機的微破壞儀是使用徑向樹蕊(5 mm 直徑)為試材，測定其縱向抗壓強度的技術，因此，此種技術，是相對較為快速、容易使用，雖有最小樹蕊試材取樣損害，但最重要的是其直接強度測定的優點。一些研究中，這個設備或利用樹蕊試材測定的方法，已經應用到評估抗壓強度及監測樹木品質。歸納研究計畫的研究方法如下： (1) 彙整及分析現有國內外關於二維斷層影像技術及微破壞技術的材質評估相關文獻。 (2) 選擇以福杉原木為材料，應用超音波斷層技術評估木構件的內部材質及應用微破壞儀檢測部份取樣樹蕊試材，評估其縱向抗壓強度。 (3) 應用微破壞儀檢測造林木的縱向抗壓強度，以瞭解此微破壞儀技術的實用性，俟超音波斷層影像技術及微破壞儀檢測試驗模擬試材的實用性確認之後，採福杉舊大木構件為試材進行檢測，以瞭解超音波斷層影像及微破壞儀技術應用於古蹟暨歷史建築大木構件的實用性。 (4) 期中與期末報告前召開專家座談與諮詢，彙整專家意見，精進研究成果。. 2.

(23) 第一章緒論二、進度說明月(98 年) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. ﹪. ﹪. 12﹪. 21﹪. 33﹪. 45﹪. 55﹪. 64﹪. 73﹪. 10 月. 11 月. 12 月. 83﹪. 89﹪. 100﹪. 備註. 工作項目資料收集超音波二維斷層影像技術檢測模擬圓盤微破壞儀技術檢測樹芯強度. 期中簡報專家學者諮詢應用超音波二維斷層影像技術及微破壞儀技術檢測舊大木構件. 期末簡報編印報告書預定進度 ( 累積數 ) 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總) 除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。. 3.

(24) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 第三節蒐集之資料、文獻分析非破壞檢測(Nondestructive testing, NDT)或稱為非破壞檢驗(Nondestructive Inspection, NDI)、非破壞檢查(Nondestructive Examination, NDE) 、非破壞評估 (Nondestructive Evaluation, NDE)，所謂非破壞性試驗即為不破壞被檢測對象之原有完整性、外觀或可用性而檢知其物理特性、機械特性或品質狀況之檢測方法；Ross and Pellerinet(1991)則指藉由非破壞性方法來評價材料的性質或者內部的構造，在不損害材料既有用途的前提下的一種檢測工作，這項檢測工作的目的，可以用來檢查內在或外在瑕疵、測量厚度、決定材料的結構或組成、測量或檢查物質的性質。亦即在不破壞材料未來有效性之下對材料檢測與檢查之所有測試方法的總稱。Jayne(1959)指出非破壞性檢測的原理，係量測木材中的能量貯存(storage)及散失(dissipation)的性質，這些性質和決定這些材料靜力性質是由同一機制所控制，所以這些性質和靜力性質之間的數學關係，可以用統計迴歸分析加以達成。以微觀來看，能量的貯存受到細胞和結構排列組成的影響，而這些正是影響靜彈性及強度的因子，這個性質可由振動的頻率或是音波傳播速度加以觀測，相反的能量的散失是由內部磨擦控制，通常觀測木材或其它材料之自由振動衰減率或音波衰減得知。 NDT 技術的發展及應用愈來愈先進及廣泛，其中，斷層影像材質評估有很多種技術(Divos and Szalai, 2002; Pellerin and Ross, 2002; Schad et al.1996; Chiu et al., 2004) ，例如超音波影像法 (ultrasonic imaging) 、音響斷層影像 (acoustic tomography)、應力波斷層影像(stress-wave-based tomography)、電腦斷層攝影法 (computer tomography, CT)(Bucur, 2003; Rust, 2000; Wang et al., 2004)。其中，應力波及超音波技術為基礎的影像技術(imaging techniques)是較為簡單低成本及有效率的，因為應力波的傳播(propagation)是基於機械性的現象，常用於監測木材內部缺點，木材應力波傳播(transmission)時間或衰減(attenuation)已證實是一種有效的參數去檢測評估木材劣化(deterioration)情形(Lin et al. 2000; Yamamoto et al. 1998)。而應力波及超音波技術由最初的兩個轉換器，漸漸結合較多的轉換器，並配合分析程式軟體，進而發展斷面影像系統，作為快速、可定位及定量材. 4.

(25) 第一章緒論質評估方法之一，實務上可再結合其它定量性儀器(Mattheck and Breloer, 2003) 評估材質。應力波檢測評估材質的原理，依據 Wang et al. (2004)指出，木材中的應力波傳播是一種動態過程方法，它直接密切關係到木材物理及機械性質，一般，在健全材質及高品質材中，應力波穿透時間比在有劣化狀況及低品質木材中為快，轉換成單位距離的傳播時間(transmission)加以比較，樹木材質可以獲得某一水準的瞭解。應力波檢測樹木腐朽劣化的觀念，它是藉由打擊裝置在樹木上，裝有加速度計(accelerometer)之衝擊設備(如鎚子)上，係產生應力波，第二個加速度計，感應所引導激起的傳播應力波並傳送到停止信號的計時器，這個測定時間，轉變成單位長度為基礎的傳播時間(transmission)(或以傳播速度[單位時間的速度]來表示)，這些可以泛指傳播(propagation)資訊。但傳播時間會因為樹種不同，有不同反應機制外，應力波特性亦會隨著木理(纖維)方向的不同而變化，當木材存在劣化情形時，會影響傳播時間，愈嚴重時，其傳播時間有愈大的趨勢(Sandoz, 1994)。資料分析方面，一般，利用傳播時間的增加率和參考值比較，以作為評估材質的基準(Wang et al., 2004)。Divos and Szalai (2002)指出評估的過程是基於測定一個方向時，比較測定傳播時間及參考值資料間的差異，其假定的學說是，在測定的傳播時間是高於 10%的參考值資料時，則定義為缺點線(defect line)，兩個缺點線交叉可以標示出缺點位置，此區域判定樹幹內部缺點，再從測定影像結果中及實際的腐朽位置重疊現象來看，會有相當的預估水準，影像解析度可以藉由轉換器(transducer, channel)的增加來增高。若以應力波速度觀點來看，則是測定速度低於 90%的健全材質的樹木參考值時(假設值)，或稱為相對速度差異(relative velocity drop)值為基準，可判定樹幹中存在有缺點，當差異愈大時，其缺點愈嚴重。接著，再由程式軟體導算各個傳播速度及其差異性，並利用顏色原理，繪製其斷面影像圖形，以提供評估材質的依據。斷層攝影（Tomography）為針對某個斷面進行全面性的二維或三維之探查，其又稱為斷層攝影、斷層掃瞄、層析成像等。Tomography 這個字是由希臘文 τομοσ 演變而來，在希臘文上原始意義就是指『斷面』（Section）或切出的『薄片』（Slice）的意思。如今我們即可明白地定義斷層攝影為「利用待測物非破壞 5.

(26) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質性質的反應（能量在物體內傳遞的情形），以產生內部斷面組成圖像的顯像技術」（高千平，2001）。Tomography 的概念最早是在 1917 年由 Radon 所提出，當時 Radon 指出「如果知道一組關於待測參數完整的總和或投影（Projection），將可以反求這個待測參數的值」，並且推導出欲求參數與其投影的解析關係式。 1972 年，英人 Hounsfield 研發一種運算投射的逆投影的運算法則，名為 Backprojection method，創造出了第一代的斷層掃瞄系統。所謂 Back projection 數學運算，即是一種逆推的方法，將一個方向的 X 光掃瞄成像結果，逆推它原本的空間分佈，轉換成數位訊號。然後經由把多方向的照射之後得到的所有數據整合的方式，得出原本待測物的立體空間影像。至此以後斷層攝影開始被廣泛的應用。在匈牙利 FAKOPP® 2D Tomography 儀器便是以此方法將原本兩個感應器的線狀應力波儀，利用多通道技術配合斷層攝影技術使其能以 2D 影像圖形顯示出樹幹斷面材質狀況，由表 1-1 可以看出原數據與後來挖了 5 公分的人造孔洞時，其應力波相對速度差異(Relative velocity drop,RVD)可以看的出來只要線狀經過孔洞 RVD 就會增加(如下表 1-1)，利用此原理配合斷層攝影(Tomography)技術則可以降低誤差，當感應器越多時其交叉感應線越多，當感應線越多其能偵測的孔洞面積就越小誤差也越小（如表 1-2 所示）。表 1-1 應力波偵測孔洞示意表（摘自 www.fakopp.com）. 6.

(27) 第一章緒論. 表 1-2 應力波多路徑斷層攝影示意表（摘自 www.fakopp.com）. Setup. Number of test points. 4. 5. 6. 7. 8. Number of measurements. 6. 5. 9. 4. 20. Number of reference velocities. 2. 1. 2. 2. 3. 8%. 6%. 3%. 4%. 1%. Minimum detectable defect. Arbotom®是德國 RINNTECH®公司所製造的多通道應力波儀，與 FAKOPP® 原理相似，但 Arbotom®最多可以到達 24 個通道以上，可進行立體 3D 的材質檢測。 Martints et al. (2004)利用超音波儀結合斷層影像技術，以 16 個偵測點方式檢測有腐朽的櫸木斷面，得知其音速分佈在 460-2350 m/s 之間，其中當音速低於 1000 m/s 時，其內部材質有可能發生腐朽或破壞現象，其斷面可見圖 1-1 對照，在顏色越接近深棕色其速度越快，其相鄰櫸木斷面材質越好，可以發現在斷面 A(Section A)中其右下方發生嚴重腐朽，因此在圖面上速度也降到低於 600 m/s 以下，由此可以發現以斷層影像是可以有效發現腐朽的，但相對的，在斷面影像中亦可以發現其斷面實際腐朽位置與成像影像不完全相符合，有些高估有些低估，故應該進一步校正。. 7.

(28) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 圖 1-1 斷層影像示意圖（Martints et al., 2004）. Socco et al. (2004)研究中將斷面影像結果與利用鑽孔抵抗儀(驗證)所得的結果進行印證分析(圖 1-2)，發現有明顯的相關性，在影像中顯示音速較慢的區域，其鑽孔抵抗值亦偏低，在影像中顯示音速較高的地方，其鑽孔抵抗值亦有較高的傾向。. 8.

(29) 第一章緒論. 圖 1-2 斷面影像與鑽孔阻抗圖譜對照圖（Socco et al., 2004）. 在 Socco et al. (2004)研究中以 16 個檢測方向用 PUNDIT 超音波儀結合斷層影像技術，進行評估林木內部材質，但其影像結果與實際試材（圖 1-3）方式裁切後超音波波速相印證發現在腐朽處，以斷層影像所得的數值偏高，且在最外圍地方所得結果造成低估現象（圖 1-4），因此這學者所使用方式仍須進一步校正與評估。Lin et al. (2008)(團隊成員)以超音波 2D 斷面技術評估柳杉樹幹中的腐朽空洞的位置及大小，具有相當的預估效果。Wang et al. (2009)同樣以超音波 2D 斷層技術檢測黑櫻桃樹(Black cherry tree, Prunus serotina)的內部腐朽及內裂等缺點，並進一步改善檢測軟體提高解析能力。斷層攝影技術已經普遍應用於醫學等領域，但應用於林木檢測中，在其成像技術上，要得正確的內部的影像，仍有諸多討論與改進的空間，本研究之目的即在現有斷層攝影技術中，找出最適合的方法，除了作為未來從事林業相關檢測工. 9.

(30) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質作之參考，再藉由探討相同孔洞情況下不同的運算法則及以同種運算方式不同孔洞下之成像結果，找出最可行之方式。. 圖 1-3 試材與斷面影像對照圖（Socco et al., 2004）. 圖 1-4 斷面影像分析速度與小試材超音波速對照圖（Socco et al., 2004）. 10.

(31) 第一章緒論. 11.

(32) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 第二章超音波二維斷層影像技術檢測第一節實驗材料選擇福州杉(Cunninghamia lanceolata)圓盤，直徑大約在 30～35 公分間，其厚度為 7 公分，無開裂圓盤，作為人工模擬不同孔洞的試材，進行超音波二維斷層影像技術檢測。. 第二節實驗方法與評估一、實驗方法以瑞士製 Sylvatest 超音波儀，該儀器係以兩個壓電性(piezo-electrical)換能器 (transducer) ，一個波動發振器 (pulse generator) 產生，另一個波動接受器 (receiver)接受頻率為 22kHz 之超音波，由音波測定儀讀出所需時間(t)其單位為微秒(Microsecond, μs)精度為百萬分之一秒，測其於木材中之傳播速度，藉以評估木材材質，該儀器同時可測定木材溫度 0-50℃及含水率 0-156%。本實驗採用福州杉圓盤進行實驗，在圓盤的圓周上區分為 8 個等分(圖 2-1)，然後在 8 等分上釘上測試釘以做為超音波探頭的發振端，接著測量目視健全圓盤的超音波穿透時間，因為有 8 個檢測點，以任一點為超音波發振端，因此合計可測得 56 筆檢測數據，區分為中心孔洞及偏心孔洞二種，分別在圓盤中心挖洞，從健全開始測量超音波穿透時間(runtime)，然後逐次挖不同大小的直徑的孔洞後，再測量超音波穿透時間，而另外則在圓盤中心與周邊的二分之一位置挖洞(偏心人工鑿洞)，從健全圓盤開始測量超音波穿透時間，然後逐次挖不同大小直徑的偏心孔洞後，再依相同方式測量超音波穿透時間，由所有穿透時間經過. 12.

(33) 第二章超音波二維斷層影像技術檢測 Arbotom 軟體轉換成 2D 斷層影像，並進行檢測數值的非破壞性參數的分析及評估。. 測試. 中央孔洞. 偏心孔洞. 圖 2-1 實驗圓盤上 8 個超音波測量點、56 條傳遞路徑與自圓心及偏心挖洞示意圖. 二、非破壞性評估參數 1.超音波檢測依據超音波檢測的方位，可以區分為四種類型的路徑(圖 2-2)，根據這些模式之下分別進行以下的評估參數檢定，並進一步分析與校正。. 13.

(34) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 8. 1. 2 3. 7 5. 1. 2. 6. Path A. 5. 4. 3 6. 4. 5. Path B. 1. 8. 2. 8. 3 7. 7. 4. 6. 1. 8. 2. 7. 3 6. Path C. 5. 4. Path D. Path A, two measured points adjacent to each other; path B, a one-point interval between two measured points; path C, a two-point interval between two measured points; path D, a three-point interval between two measured points. 圖 2-2 依據超音波檢測的方位區分成四種路徑類型. (1)超音波速度 V ＝ D/T. (1). V：超音波速度(m/s)，D：兩轉換器間的距離(m)，T：穿透時間(s) (2)直徑殘餘比值直徑殘餘比值 RR ＝（R – d ）/ R. (2). RR：直徑殘餘比值，R：圓盤半徑(cm)，d：孔洞半徑(cm) (3)相對速度損失率 RVD ＝ ( Vf – Vm ) / Vf × 100. (%). (3). RVD：相對速度損失率，Vf：健全原始速度(m/s)，Vm：測量速度(m/s) (4)穿透時間比值 TT ＝ T90 / T180 14. (4).

(35) 第二章超音波二維斷層影像技術檢測 TT：穿透時間比值，T90：90 度傳遞路徑（Type B）穿透時間(s)，T180：180 度傳遞路徑（Type D）穿透時間(s) (5)圓盤徑向對弦向的超音波速度比值. VV = VPath D / VPath B -------(5) VV：超音波速度比值，VPath B ：Path B(弦向)的超音波速度，VPath D：Path D(徑向)的超音波速度 (6)孔洞直徑比值 HR ＝ d / R. (6). HR，孔洞直徑比值，R：圓盤半徑(cm)，d：孔洞半徑(cm) (7)孔洞面積比值 HA ＝π(d ) 2 / π(R) 2. (7). HA：孔洞面積比值，R：圓盤半徑(cm)，d：孔洞半徑(cm). 三、非破壞性診斷之圓盤 2D 超音波斷面影像相關分析首先應用 Sylvatest 超音波儀器檢測圓盤後，將所測得的超音波速度利用軟體輸出成 2D 斷面影像圖形，之後，使用 Ultrasonic Analysis 程式(以 Borland C++ 程式語法寫成)，將 2D 斷面影像圖形匯入程式中擷取成為圓形之灰階點陣圖形，接著縱向及橫向分割 2D 影像成小方格，輸入相關樣本資料，計算小方格內灰階點陣圖的畫素，並轉換成相對應的小方格超音波速度值，再將這些數值匯出成 Microsoft Excel 檔案(如圖 2-3)中。. 15.

(36) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. (a). (b). (c). (d). (a)利用超音波所測量圓盤缺點轉換成 2D 斷面影像圖形 (b)利用 Arbotom 軟體（德國 Rinn Tech 公司生產）將圖(a)轉換成 256 色灰階的影像圖形 (c)本研究中使用 Borland C++ builder 所開發的軟體，將影像圖形轉換成超音波速度表示 (d)利用 Excel 將影像圖形輸出可做為進一步的研究. 圖 2-3 超音波 2D 斷面影像圖形利用影像技術轉換量化數值之程序. 第三節研究發現 1. 殘餘圓盤直徑比值與不同探頭間檢測的超音波速度之關係福州杉圓盤內部孔洞對不同探頭間檢測的超音波速度之影響，直線迴歸統計結果如表 2-1 所示，在 Path A 中，超音波速度與殘餘直徑比值之間沒有顯著相關性存在，顯示 Path A 並不會因為孔洞的大小變化而影響其超音波的傳遞速度。而在 Path B、Path C 和 Path D 中，其超音波速度與殘餘直徑比值之間，均具有顯著正相關性(R2 = 0.88-0.99**)。由此可知，Path B、Path C 和 Path D 即使在較小孔洞的狀況下，也會影響到超音波的傳遞因而造成傳遞時間增加，使得超音波. 16.

(37) 第二章超音波二維斷層影像技術檢測傳遞速度有降低的可能，另外，由 R2 值大小來看，有 Path D 及 Path C ＞ Path B ＞ Path A 的傾向。表 2-1 Path A、B、C 和 D 超音波速度與殘餘直徑比值間的迴歸方程式. 8. Path. Regression equations. R2. F value. Path A. Y=13.35X+821.3. 0.46. 4.72￣. Path B. Y=362.49X+704.4. 0.88. 58.8**. Path C. Y=897.81X+357.1. 0.99. 743.6**. Path D. Y=1210.4X+89.8. 0.98. 212.2**. 1. 2. 8. 3. 7 4. 6 5 Path A. 1. 1. 2. 8. 3 7. 7 6. 4. 5. 3 6 5. Path B. 8. 2. 4. 1. 2. 7. 3 6. Path C. 5. 4. Path D. Path A, two measured points adjacent to each other; path B, a one-point interval between two measured points; path C, a two-point interval between two measured points; path D, a three-point interval between two measured points. R2, Coefficient of determination;. ￣. , ≧0.05; **P<0.01. 2. 殘餘圓盤直徑比值與不同探頭間檢測的相對超音波速度衰減之關係在福州杉中，不同探頭間檢測的相對超音波速度衰減與直徑殘餘比值之間的相關分析，結果如圖 2-4 中所示，在 Path A 中，直徑殘餘比值約在 0.6 以下時，超音波速度開始受到影響，但是並沒有顯著性存在，而在 Path B 中，直徑殘餘 17.

(38) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質比值約在 0.9 以下時，超音波速度開始受到影響，兩者間存在極顯著的負相關，而在 Path C 與 Path D 中，相對超音波速度衰減與直徑殘餘比值之間，有極顯著的負相關(R2 = 0.98-0.99**)。因此，Path C 與 Path D 在孔洞很小時，其相對超音波速度衰減便會受到影響，所以，應用 Path C 與 Path D 方位的檢測點，其相對超音波速度衰減對內部中央孔洞大小的評估有較高的預測水準。. 30 Path B 相對超音波速度損失率 (%). Path A 相對超音波速度損失率(%). 1.4 1.2 1 0.8 0.6. y = -3.67x + 2.50 R 2 = 0.71 F =8.08-. 0.4. y = -0.23x + 0.44 R 2 = 0.02 F =9.16-. 0.2 0 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 25 20 y = -34.92x + 32.14 R 2 = 0.88 F =4.10-. 15 10 5 0. 1.2. 0. 0.2. 直徑殘餘比值(R-d)/R Path A相對速度損失率與直徑殘餘比值之關係. 1. Path D相對超音波速度損失率 (%). 70. 50 40. y = -73.29x + 70.9 R 2 = 0.99 F =6.61*. 30 20 10. 60 50. y = -93.61x + 93.06 R 2 = 0.98 F =8.01*. 40 30 20 10 0. 0 0. 0.2. 0.4 0.6 0.8 直徑殘餘比值(R-d)/R. 1. Path C相對超音波速度損失率與直徑殘餘比值之關係. 1.2. 0. 0.2. 0.4 0.6 0.8 直徑殘餘比值(R-d)/R. 1. Path D相對超音波速度損失率與直徑殘餘比值之關係. 圖 2-4 Path A、B、C 和 D 相對超音波速度損失率與直徑殘餘比值之關係. 3. 圓盤正徑向對正弦向超音波速度比值(VPath D/VPath B)與孔洞面積比值 18. 1.2. Path B 相對超音波速度損失率與直徑殘餘比值之關係. 60 Path C 相對超音速度損失率 (%). 0.4 0.6 0.8 直徑殘餘比值(R-d)/R. 1.2.

(39) 第二章超音波二維斷層影像技術檢測在福州杉中，圓盤正徑向對正弦向超音波速度比值(VPath D/VPath B)與中央孔洞面積比值之間的直線迴歸關係，如表 2-2 所示，中央孔洞面積比值越大，其正徑向對正弦向超音波速度比值會越小，具有極顯著性的負相關性 (R2=0.58-0.96**)。由於孔洞所在位置位於圓盤中心，對各偵測點的徑向超音波速度對弦向超音波速度比值所造成的影響程度差異不大，其線性趨勢也相似，因此，各偵測點的正徑向超音波度對正弦向超音波速度比值可以作為評估孔洞可能的大小及位置的指標。偏心孔洞的實驗中，主要目的在於探知可能孔洞所在位置對各偵測點的徑向超音波速度對弦向超音波速度比值所造成的影響，藉以提供未來評估孔洞所在位置參考，在 V4-8/V3-5、V5-1/V4-6、V7-3/V6-8、V8-4/V7-1 時，隨著孔洞面積比值越大，其正徑向超音波速度對正弦向超音波速度比值分佈越離散，沒有特別的趨勢結果，但是在 V1-5/V2-8 及 V3-7/V2-4 兩部份時，正徑向超音波速度對正弦向超音波速度比值會隨著孔洞面積比值的增加而增加，然而，在 V2-6/V1-3 及 V6-2/V5-7 兩部份時，正徑向超音波速度對正弦向超音波速度比值則會隨著孔洞面積比值的增加而減少，其結果如圖 2-5 所示。其原因在於兩比值的分子 V2-6 與 V6-2 的超音波速度，會隨著孔洞變大而變低，但在 V1-3 和 V5-7 的超音波檢測時，孔洞直徑的增加對超音波速度的影響較小，因而導致正徑向超音波速度與正弦向超音波速度比值逐漸變小，因此，存在偏心孔洞時，在某方位的徑向對弦向超音波速度比值(VPath D/VPath B)，可以推估可能孔洞的位置區域。. 19.

(40) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 表 2-2 各偵測點於中央孔洞之徑向對弦向(Vradial/Vtangential)超音波速度比值與孔洞面積比值之間的線性關係. 迴歸方程式(Y=aX+b) X. 中央孔洞面積比值. Y (超音波速度比值). a. B. R2. F value. V1-5/V2-8. -1.09. 1.00. 0.94. 107.85**. V2-6/V1-3. -1.27. 1.09. 0.85. 39.06**. V3-7/V2-4. -1.58. 1.32. 0.93. 12.65**. V4-8/V3-5. -0.78. 1.10. 0.58. 14.95*. V5-1/V4-6. -1.22. 1.06. 0.96. 156.06**. V6-2/V5-7. -1.35. 1.11. 0.82. 31.41**. V7-3/V6-8. -1.74. 1.34. 0.77. 20.44**. V8-4/V7-1. -1.05. 0.99. 0.75. 20.68**. Combined. -1.24. 1.12. 0.81. 29.12**. 1. Vradial/Vtangential, ratio of the ultrasonic-wave velocity along paths D to B. 2. Ultrasonic-wave velocity of path D (Vradial), including from probes 1 to 5 (V1-5), probes 2 to 6 (V2-6), probes 3 to 7 (V3-7), probes 4 to 8 (V4-8), probes 5 to 1 (V5-1), probes 6 to 2 (V6-2), probes 7 to 3 (V7-3), and probes 8 to 4 (V8-4). 3. Ultrasonic-wave velocity of path B (Vtangential), including from probes 2 to 8 (V2-8), probes 1 to 3 (V1-3), probes 2 to 4 (V2-4), probes 3 to 5 (V3-5), probes 4 to 6 (V4-6), probes 5 to 7 (V5-7), probes 6 to 8 (V6-8), and probes 7 to 1 (V7-1).. 20.

(41) 正徑向超音波速度 /正弦向超音波速度比值. 第二章超音波二維斷層影像技術檢測. 2.25 y = 2.38x + 1.57 R 2 = 0.69 F =9.0**. 2.00 1.75 1.50. y = 2.08x + 1.36 R 2 = 0.95 F =75.6**. 1.25 1.00. y = -4.65x + 1.17 R 2 = 0.90 F =34.4**. 0.75 0.50. (2-6/1-3) (3-7/2-4) (6-2/5-7). y = -4.82x + 1.13 R 2 = 0.94 F =58.0**. 0.25. (1-5/2-8). 0.00 0. 0.05. 0.1. 0.15. 偏心孔洞面積比值偏心孔洞之正徑向超音波/正弦向超音波速度比值與孔洞面積比值之關係. 圖 2-5 偏心孔洞之正徑向超音波/正弦向超音波速度比值與孔洞面積比值之間的關係. 4. 超音波 2D 斷層影像不同中央孔洞及偏心孔洞大小的圓盤，藉由超音波檢測後，經過軟體、轉置、輸出的結果，可以轉換成 2D 斷層影像，詳如圖 2-6、圖 2-7，右邊及下方色棒是顯示 2D 超音波速度的尺度，越偏綠色代表其速度越高，越偏紅色代表速度越低，亦即綠色代表材質相對較佳，紅色代表材質相對較差的情形，在同一斷層影像上顯示出相對的測定值，另外由於轉置斷層影像軟體的關係，2D 影像接近圓盤的外圍區域似乎有低估的現象。. 21.

(42) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 0 cm. 3 cm. 6 cm. 15 cm. 18 cm. 21 cm. 0 cm. 3 cm. 6 cm. 15 cm. 18 cm. 21 cm. 9 cm. 24 cm. 27 cm. 9 cm. 12 cm. 24 cm. 27 cm. 圖 2-6 圓盤中央孔洞大小與超音波檢測結果轉換成 2D 斷層影像之比較. 22. 12 cm.

(43) 第二章超音波二維斷層影像技術檢測. 0 cm. 3 cm. 6 cm. 9 cm. 12 cm. 3 cm. 6 cm. 9 cm. 12 cm. 15 cm. 0 cm. 15 cm. 圖 2-7 圓盤偏心孔洞大小與超音波量測結果轉換成 2D 斷層影像之比較. 23.

(44) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 第四節小結模擬不同孔洞的結果得知，殘餘直徑比值與超音波速度之間，徑向方位檢測時，具有極顯著的正相關存在；相對超音波速度衰減與殘餘圓盤直徑比值之間，在徑向方位檢測時，則具有顯著負相關性。徑向對弦向超音波速度比(VPath D/VPath B)隨著孔洞對圓盤的面積比的增加而降低，然而，在偏心人工鑿洞時，VPath D/VPath B. 數值隨著孔洞對圓盤的面積比的增加，會因檢測方位的不同而有變化的. 結果，但是可以依據檢測方位的不同，判斷缺點可能存在的位置。不同中央孔洞及偏心孔洞大小的圓盤，藉由超音波檢測後，經過軟體、轉置、輸出的結果，可以轉換成 2D 斷層影像，然而，由於轉置斷層影像軟體的關係，2D 影像接近圓盤的外圍區域似乎有低估的現象，須在後續研究中校正，以求得正確的木構件損害 2D 斷層影像。. 24.

(45) 第三章健全及劣化原木的斷層影像技術及抗壓強度檢測. 第三章健全及劣化原木的斷層影像技術及抗壓強度檢測第一節實驗材料為了評估大木構件中的實大梁及圓材的材質，選擇福州杉(Cunninghamia lanceolata)短尺寸原木，直徑大約在 20～30 公分間，其厚度為 20 公分，無開裂圓盤，選擇健全福州杉 15 個及有劣化福州杉 11 個作為超音波二維斷層影像技術檢測相對超音波速度，之後，取樹芯進行微破壞儀檢測抗壓強度。. 第二節實驗方法與評估健全福州杉 15 個及有劣化福州杉 11 個應用超音波技術及二維斷層影像技術檢測相對超音波速度，之後，取樹芯進行微破壞儀檢測抗壓強度，超音波二維斷層影像技術實驗方法及相關分析詳如第二章所示，因此本章節不再重述。微破壞儀抗壓強度技術是應用 Fractometer 檢測樹芯試材的縱向抗壓強度，樹芯試材由選定的樣木中，以 5.15 mm 口徑生長錐鑽取通過髓心之樹芯，在恆溫恆濕箱(溫度 20℃，相對濕度 65%)調濕至含水率 12%，再取出先行標示纖維方向後，使用微破壞儀 (Fractometer ， IML Instrumenta Mechanik Labor GmbH ， Germany)，從樹芯試材之髓心側至樹皮側依序試驗縱向及弦向抗壓強度，其每次檢測試材距離為 6 mm，自髓心至樹皮側獲得縱向抗壓強度數值，並依此變化數據加以記錄分析。. 第三節研究發現 3.1. 健全福州杉健全福州杉 15 個的超音波二維斷層影像及抗壓強度結果分述如下：. 25.

(46) 應用超音波斷面影像技術評估古蹟大木構件之內部材質. 圖 3-1 福州杉 No.1 照片，平均直徑：22.7 cm. 圖 3-2 超音波 2D 斷面圖及各小區域的相對超音波速度. 26.

(47) 第三章健全及劣化原木的斷層影像技術及抗壓強度檢測表 3-1 健全福州杉材(No.1)在不同路徑的超音波速度(m sec-1) 方位. Path A. Position. Path B. Position. Path C. Position. Path D. V12. 893. V13. 1604. V14. 1183. V15. 1329. V23. 865. V24. 966. V25. 1145. V26. 1411. V34. 632. V35. 909. V36. 1227. V37. 1667. V45. 833. V46. 1103. V47. 1329. V48. 1394. V56. 841. V57. 1172. V58. 1280. V67. 882. V68. 1189. V61. 1333. V78. 833. V71. 1156. V72. 1438. V81. 804. V82. 1156. V83. 1384. 平均值. 823. 1157. 1290. 1450. 標準差. 83. 208. 100. 148. 表 3-2 健全福州杉材(No.1)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPa) 方位. 2. 5. 8. 邊材. 23.5. 41.0. 30.7. 心材. 31.0. 34.4. 48.1. 邊材加心材. 28.0. 35.4. 42.9. 標準差. 12.6. 13.5. 9.4. 27.




(51) 第三章健全及劣化原木的斷層影像技術及抗壓強度檢測表 3-5 健全福州杉材(No.3)在不同路徑的超音波速度(m sec-1) 方位. Path A. Position. Path B. Position. Path C. Position. Path D. V12. 714. V13. 940. V14. 1111. V15. 1257. V23. 784. V24. 1019. V25. 1600. V26. 1392. V34. 901. V35. 1074. V36. 1299. V37. 1302. V45. 808. V46. 1034. V47. 1212. V48. 1236. V56. 748. V57. 1027. V58. 1190. V67. 816. V68. 1119. V61. 1258. V78. 901. V71. 1060. V72. 1235. V81. 808. V82. 972. V83. 1124. 平均值. 810. 1031. 1254. 1297. 標準差. 66. 57. 154. 69. 表 3-6 健全福州杉材(No.3)在不同路徑的縱向壓縮強度(MPa) 方位. 1. 3. 6. 邊材. 38.0. 32.5. 32.3. 心材. 35.5. 34.2. 40.9. 邊材加心材. 36.3. 33.7. 38.2. 7.3. 8.9. 6.7. 標準差. 31.























