檢測角對健康立木中應力波傳播速度的影響1)

劉澤旭 邸向輝 王立海 孫天用

(森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

檢測角對健康立木中應力波傳播速度的影響1)

劉澤旭 邸向輝 王立海 孫天用

(森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)

以東北林業(yè)大學實驗林場中水曲柳、白樺、落葉松等3種含水率為飽和狀態(tài)的活立木為研究對象，利用Arbotom應力波測試儀研究了不同檢測角度(0°、15°、45°和75°)對應力波傳播速度的影響。利用Excel和SPSS軟件包，對所得實驗數據進行含水率、胸徑等因素與應力波傳播速度的相關性分析。結果表明，當只有含水率對應力波傳播速度影響較大時，檢測角為45°可大幅減少含水率對應力波傳播速度的影響；當只有胸徑對應力波傳播速度影響較大時，檢測角為75°可大幅減少胸徑對應力波傳播速度的影響。當含水率和胸徑對應力波影響都較大時，根據不同樹種采用不同的檢測角度來減小含水率和胸徑對應力波傳播速度的影響；白樺選取檢測角為75°，水曲柳和落葉松選取檢測角為45°。

應力波；檢測角度；傳播速度；活立木

Stress wave; Detection angle; Propagation velocity; Standing trees

20世紀60年代，應力波無損檢測技術被應用到林業(yè)工程領域，經過50 a多的研究，應力波無損檢測技術在活立木質量評價方面得到了廣泛的應用[1-4]。應力波活立木無損檢測方法具有簡單便捷、快速準確、成本低廉、不受檢測環(huán)境影響等適合野外檢測的特點。它能夠評估活立木的剛度和強度等力學性質，進而評價活立木等級[3-5]。然而，應力波在活立木內部傳播是一個復雜的過程，而活立木本身是不均勻物體，因此，應力波傳播速度受活立木自身的多種因素影響。國內外很多學者對溫度、含水率、凍結與非凍結等影響因素做了廣泛的研究，但很少有對檢測過程中檢測角度這一影響因素對活立木中應力波傳播速度進行分析研究[6-7]。筆者以健康的水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)、落葉松(LarixgmeliniiRupr)活立木為研究對象，利用Arbotom應力波測試儀，研究了不同檢測角度對應力波在活立木徑向、縱向同側和異側傳播速度的影響變化，確定在采用應力波技術對活立木物理性能或腐朽狀況進行試驗研究時的工作檢測角度范圍，同時，采集得到的飽和含水率、健康的活立木中應力波傳播速度數據能作為活立木質量評價的參考數據。

1 試驗地概況

試驗地位于黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學實驗林場，地理坐標為東經127°35′～127°39′，北緯45°42′～45°44′，海拔136～140 m，土地總面積48.83 hm2。研究區(qū)屬溫帶半濕潤季風氣候區(qū),年均溫3.6 ℃，7月份最高溫36.4 ℃，1月份最低溫-38.1 ℃，無霜期136 d，≥10 ℃年積溫2 757 ℃，年降水量600 mm左右。土壤為黑土，原生植被為溝谷榆樹疏林草原[8]。

2 材料與方法

2.1 材料

采用目視直觀法選取健康的水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk)、落葉松(LarixgmeliniiRupr)各10株活立木進行測試，胸徑范圍為20～35 cm。林場內環(huán)境溫度范圍為6～10 ℃，濕度范圍為60%～75%。

德國RINNTECH公司生產Arbotom應力波測試儀，用于測試活立木中應力波的傳播時間；型號為ST-300的電阻法木材含水率測試儀，用于檢測活立木邊材含水率。

2.2 方法

對每株活立木采用4個不同檢測針入角度(0°、15°、45°和75°)進行測量，采集胸高部位徑向應力波傳播時間及胸高部位縱向100 cm以下同側和異側應力波傳播時間；不同檢測角試驗見圖1。

0°檢測角 15°檢測角 45°檢測角 75°檢測角

圖1 不同檢測角試驗示意圖

應用德國RINNTECH公司生產的Arbotom應力波測試儀對試驗活立木進行檢測。傳感器通過鋼釘與活立木木質部緊密結合，鋼釘按照圖1所示不同角度釘入立木中，透過樹皮接觸到木質層。徑向檢測時在胸高處胸徑方向布置2個傳感器對徑向應力波傳播時間進行采集；縱向檢測時，活立木同側檢測時布置2個傳感器，間距100 cm；活立木異側檢測時布置2個傳感器，垂直距離100 cm；分別對縱向傳播時間進行采集。多次采集徑向和縱向數據，保證數據誤差小于3%。

3 結果與分析

3.1 不同檢測角度應力波傳播速度

采用Arbotom應力波測試儀對活立木測試，經數據處理軟件處理后應力波傳播速度見表1—表3。

表1 應力波在水曲柳中傳播速度

3.2 應力波傳播速度與含水率、檢測角度等相關性分析

應用Excel軟件對試驗所得數據進行整理，通過SPSS軟件包進行相關性分析，以各速度為因變量(y)，分別以含水率(Mc)和胸徑(D)作為自變量，建立線性回歸方程，并求出各速度與含水率的相關系數(RMc)和與胸徑的相關系數(RD)，再建立各速度與含水率和胸徑的線性回歸方程，并計算出相關系數(R)。分析在各個檢測角條件下，傳播速度與含水率和胸徑的相關性(見表4)。

表3 應力波在落葉松中傳播速度

表4 傳播速度回歸方程及相關系數

續(xù)(表4)

對應力波傳播速度與含水率相關性進行分析，在檢測角為0°和75°時，3種活立木中徑向應力波傳播速度與含水率的相關系數比15°和45°時相關系數大；在檢測角為0°、15°和75°時，3種活立木中應力波縱向同側、異側傳播速度與含水率的相關系數比45°時相關系數大。

對應力波傳播速度與胸徑相關性進行分析，在檢測角為15°和45°時，3種活立木中徑向應力波傳播速度與胸徑的相關系數比0°和75°時相關系數較大；在檢測角為0°、15°、45°時，3種活力木應力波縱向同側、異側傳播速度與含水率的相關系數比75°時相關系數大。

對應力波傳播速度與含水率和胸徑相關性進行分析，在檢測角為0°、15°、75°時，水曲柳和落葉松中各傳播速度與兩個影響因素的相關系數都比45°時相關系數大；在檢測角為0°、15°、45°時，白樺中各傳播速度與兩個影響因素的相關系數比75°時相關系數大。

4 結論

利用Arbotom應力波測試儀檢測活立木時，根據活立木胸徑和含水率對應力波實驗的影響大小，選擇檢測角。當只有含水率對應力波傳播速度影響較大時，檢測角為45°可大幅減少含水率對應力波傳播速度的影響；當只有胸徑對應力波傳播速度影響較大時，檢測角為75°可大幅減少胸徑對應力波傳播速度的影響。當含水率和胸徑對應力波傳播速度影響都較大時，根據不同樹種采用不同的檢測角度來減小對應力波傳播速度的影響；白樺選取檢測角為75°，水曲柳和落葉松選取檢測角為45°。通過這種方式，采集的數據受其他因素影響小，相關模型的建立會更為可靠和科學。反之，結果的可靠性、可比性較差。

[1] 王立海,楊學春,徐凱宏.木材無損檢測技術的研究現(xiàn)狀與進展[J].森林工程,2001,17(6):1-3.

[2] 楊學春,王立海.應力波技術在木材性質檢測中的研究進展[J].森林工程,2002,18(6):11-12.

[3] 孫天用,王立海.基于應力波與X射線二維CT圖像原木內部腐朽無損檢測[J].森林工程,2011,27(6):26-29.

[4] 徐華東,王立海,游祥飛，等.應力波在旱柳立木內的傳播規(guī)律分析及其安全評價[J].林業(yè)科學,2010,46(8):145-150．

[5] 徐華東,王立海.溫度和含水率對紅松木材應力波傳播速度的影響[J].林業(yè)科學,2011,47(9):123-128.

[6] 王立海,高珊,王洋，等.應力波在凍結狀態(tài)白樺活立木中傳播速度的試驗[J].東北林業(yè)大學學報,2008,36(11):36-38.

[7] 林文樹,楊慧敏,王立海.超聲波與應力波在木材內部缺陷檢測中的對比研究[J].林業(yè)科技,2005,30(2):39-41.

[8] 孫景波,佟靜秋,牟長城,等.哈爾濱城市人工林天然更新組成結構與年齡結構[J].東北林業(yè)大學學報,2009,37(2):16-21.

1) 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項重大項目資助(201104007)。

劉澤旭，男，1990年1月生，森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，碩士研究生。

王立海，森林持續(xù)經營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學)，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年5月2日。

S718.51; S792 153

Effect of Different Detection Angle on Propagation Velocity of Stress Wave in Health Standing Trees/Liu Zexu, Di Xianghui, Wang Lihai, Sun Tianyong(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microoranism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-105～108

責任編輯：戴芳天。

The experiment was conducted to study the effect of different detection angles (0°, 15°, 45° and 75°) on propagation velocity of stress wave in standing trees (FraxinusmandshuricaRupr.,BetulaplatyphyllaSuk andLarixgmeliniiRupr) with saturated water content. With stress wave testing equipment, the detection angle should be limited according to the variance of the trees’ diameter at the breast height (DBH) and wood moisture content. When the wood moisture contents of trees influence the propogation velocity of stress wave greatly, the detection angle of 45° is the optimal angle, and it can reduce the influence of wood moisture content on stress wave velocity in trees. When the influence of trees’ DBH is great, the detection angle of 75° is the best angle that can reduce the influence of DBH on stress wave velocity in trees. When DBH and wood moisture contents of trees have a great influence on stress wave velosity, the optimal detection angle depends on tree species. The best detection angle forB.platyphyllaSuk is 75°, and 45° forF.mandshuricaRupr. andL.gmeliniiRupr.