活立木木材密度預(yù)測(cè)方法研究概述

摘 要：文章介紹了七種活立木木材密度預(yù)測(cè)方法，分析了七種方法的由來(lái)，以及每種方法的特點(diǎn)，希望該介紹和總結(jié)對(duì)未來(lái)的研究起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：活立木木材密度預(yù)測(cè)方法；特點(diǎn)；概述

1 Pilodyn法

Pilodyn法的原理是把提前預(yù)定好的能量通過pilodyn將3mm的鋼針打入木材內(nèi)部，而通過打入深度來(lái)判斷木材內(nèi)部情況，密度越大、鋼針?biāo)茏枇υ酱螅M(jìn)入深度越小，反之，就越大。2009年，茹廣欣等使用pilodyn對(duì)青海云杉活立木進(jìn)行密度及木材材性的探測(cè)，從而表明北向Pilodyn值與胸徑之間相關(guān)關(guān)系顯著，青海云杉的南北向Pilodyn探測(cè)值與整株木材的基本密度有著極大的負(fù)相關(guān)關(guān)系。同年，朱景樂等人也使用pilodyn對(duì)日本落葉松活立木進(jìn)行材性指標(biāo)預(yù)測(cè)的研究，并使用pilodyn探測(cè)值與實(shí)際密度建立了相關(guān)回歸方程，利用對(duì)方程進(jìn)行模型檢驗(yàn)和預(yù)測(cè)其他阻抗值對(duì)應(yīng)的密度，從而表明日本落葉松南、北方向的Pilodyn探測(cè)平均值以及總平均值與外側(cè)木材的平均基本密度有著很明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且與整株木材的平均基本密度的相關(guān)系數(shù)小于此相關(guān)系數(shù)。以上表明，pilodyn能夠良好的估測(cè)日本落葉松活立木外側(cè)木材基本密度，并能夠預(yù)測(cè)整株活立木木材密度。但Pilodyn鋼針能打入活立木深度有限，不能完全的對(duì)整株活立木直徑上的密度進(jìn)行估測(cè)。

2 近紅外光譜技術(shù)

近紅外光譜技術(shù)的原理是通過使用NIR光譜儀對(duì)木材粉末樣品進(jìn)行掃描，進(jìn)而反映出C-H、O-H、N-H、S-H等化學(xué)鍵的信息，結(jié)合化學(xué)計(jì)量法來(lái)確定其各有機(jī)物含量，從而確定木材密度。

張鴻福等人在2009年利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)研究綜述，通過大量的研究資料總結(jié)出：近紅外光譜技術(shù)可以對(duì)木材的物理力學(xué)性質(zhì)，如密度、含水率、MOE、MOR、微纖絲角等進(jìn)行快速，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。此外，江澤慧等人也使用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行了木材密度的研究，分別對(duì)單個(gè)不同切面的近紅外光譜信息建立與對(duì)應(yīng)的木材密度的關(guān)系。以上表明利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材密度的方法是可行的，結(jié)果是準(zhǔn)確的。但近紅外光譜技術(shù)對(duì)于活立木木材密度的估測(cè)需要制作粉末樣品，對(duì)活立木會(huì)造成一定的破壞，因而影響活立木的使用。

3 應(yīng)力波法

應(yīng)力波法是木材的一端施加一個(gè)沖擊力，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力波傳播，通過測(cè)量應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播速率的變化來(lái)獲取木材材料信息（如彈性模量、有無(wú)缺陷等）。

1994年，Ross等對(duì)一定形狀的木材進(jìn)行應(yīng)力波技術(shù)對(duì)估測(cè)的研究，在沒有缺陷的木材中應(yīng)力波傳播時(shí)長(zhǎng)小于在有缺陷的木材中應(yīng)力波傳播的時(shí)間，進(jìn)而可以通過在相同外形的木材試樣中傳播時(shí)間的差異或平均傳播速率的大小老判定木材試樣是否存在缺陷，這種技術(shù)在有不同的木材材質(zhì)和有不同程度的缺陷的木材上的精確度也有差異。2007年，李光輝等人在研究中建立了應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播方式的模型，以及數(shù)值模擬方法，討論了目前的數(shù)據(jù)處理方法。應(yīng)力波法測(cè)量時(shí)不受被測(cè)木材大小、形狀等限制，并且在被測(cè)木材內(nèi)部可傳播距離較遠(yuǎn)，傳播能量大，有效提高了此方法的抗干擾能力強(qiáng)。沒有公害，對(duì)環(huán)境影響很小，不會(huì)誤傷工作人員，安全可靠，儀器小而簡(jiǎn)單，方便使用，但是受到系統(tǒng)估測(cè)精度等的影響，應(yīng)力波法僅限用于研究木材腐朽、空洞、潰爛等缺陷以及木材材性等。到目前為止，還不能夠單獨(dú)使用應(yīng)力波法進(jìn)行活立木木材密度預(yù)測(cè)。

4 振動(dòng)法

振動(dòng)法的原理是對(duì)試件施加力，使其產(chǎn)生振動(dòng)，通過傳感器測(cè)得的自由振動(dòng)頻率和自由振動(dòng)的減幅程度及試件質(zhì)量，根據(jù)木材試件的振動(dòng)特性與彈性模量之間的相關(guān)關(guān)系，得出試樣的彈性模量。

2009年，張厚江等人研究了基于橫向振動(dòng)原理的木材動(dòng)彈性測(cè)量方法。研制出一款便攜式動(dòng)態(tài)彈性模量測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橫向振動(dòng)法能夠有效地測(cè)量木材的固有頻率，通過傳統(tǒng)靜態(tài)彎曲法測(cè)量得到的靜彈性模量值略小于采用橫向振動(dòng)法測(cè)量得到的動(dòng)彈性模量值。且這二者間存在良好的相關(guān)關(guān)系。振動(dòng)法研究操作簡(jiǎn)單、效率高，但由于是人工敲擊，產(chǎn)生了人工干擾因素，故而對(duì)檢測(cè)結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性有所影響。并且振動(dòng)法還沒有應(yīng)用于活立木木材密度研究。

5 超聲波法

超聲波法的原理是根據(jù)超聲波在木材介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生衰減現(xiàn)象，在測(cè)出超聲波速度后，計(jì)算出木材的彈性模量。進(jìn)而對(duì)木材力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

2003年，李華等人對(duì)大型木結(jié)構(gòu)鐘架的彈性模量進(jìn)行了超聲波技術(shù)測(cè)量的研究，研究中，對(duì)木結(jié)構(gòu)的物理學(xué)力學(xué)強(qiáng)度的變化進(jìn)行了評(píng)估，這一研究為后續(xù)超聲波在古建筑木結(jié)構(gòu)中的無(wú)損檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。此方法的特點(diǎn)是超聲波的聲束能在某個(gè)特定的放心上聚集，沿直線在介質(zhì)中傳播，指向性十分良好，能夠傳播的能量較大，穿透木材能力強(qiáng)，探測(cè)深度大，速率快，低成本，但是很容易受外在因素干擾。而且需要良好地耦合劑才能夠進(jìn)行測(cè)量。但目前還沒有先例超聲波技術(shù)應(yīng)用于活立木木材密度估測(cè)。

6 X射線法

X射線法的原理是以X射線透射木質(zhì)材料后，用射線接收傳感器在透射的小范圍內(nèi)直接測(cè)量射線強(qiáng)度透射試樣前后的衰減變化，根據(jù)射線衰減程度和試樣的平均吸收系數(shù)推算出木質(zhì)材料的密度，根據(jù)密度與木質(zhì)材料力學(xué)性能之間的相關(guān)關(guān)系，推導(dǎo)出木材的基本力學(xué)性質(zhì)。

2003年，馬麗娜等人使用X射線對(duì)人工林木材密度的變異規(guī)律進(jìn)行了研究，通過X射線對(duì)楊林木材的微密度進(jìn)行測(cè)定。從而定性分析了不同高度、不同生長(zhǎng)地、不同年輪上的木材密度的差異。2012年，余樂等人，采用X射線掃描法對(duì)木材含水率進(jìn)行了研究，研究表明：干燥過程中的木材平均含水率可以采用X射線掃描法測(cè)量，其所得到的測(cè)量值和用傳統(tǒng)稱重法得到的含水率測(cè)量值幾乎相同，相關(guān)關(guān)系系數(shù)接近1.00，絕對(duì)偏差在0.002以內(nèi)，沿著弦向掃描時(shí)的含水率測(cè)量精度稍低于沿著木材縱向和徑向掃描時(shí)平均含水率的測(cè)量精度，但其偏差很小，在實(shí)際測(cè)量中可以忽略不計(jì)。在實(shí)際測(cè)量中，采用X射線掃描法測(cè)量木材內(nèi)部含水率時(shí)，可以忽略紋理方向?qū)y(cè)量精度的影響。X射線光密度能夠進(jìn)行高精度的木材密度，已成功地用來(lái)評(píng)估商業(yè)人工林木材質(zhì)量。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其能夠清楚地獲得木材密度值在不同密度的區(qū)域之間的半徑相同的樹，樹與樹之間的密度比較在同一個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)之間的平均密度值。然而，X射線法成本相對(duì)較高，因此，X射線法不滿足立木木材密度的快速和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的要求。

7 阻抗儀法

阻抗儀法其測(cè)定原理是勻速加力將一根直徑3mm的鋼針穿入木材內(nèi)部，采用計(jì)算機(jī)磁盤或者攜帶的記錄紙記錄下鋼針進(jìn)入木材內(nèi)部時(shí)所受到的阻力曲線，根據(jù)阻力曲線可以較直接地判斷木材內(nèi)部早晚材密度、應(yīng)力木和年輪分布等情況，為判斷木材內(nèi)部腐爛或空洞情況、材質(zhì)狀況、生長(zhǎng)狀況（年輪分析）提供有效、可靠的依據(jù)。根據(jù)阻力曲線判斷木材材性。

2008年，安源等人，使用阻抗儀和應(yīng)力波技術(shù)對(duì)木結(jié)構(gòu)立柱腐朽分布進(jìn)行了勘查，建立了立柱內(nèi)部缺陷分布的三維仿真模型；最后采用無(wú)損的阻抗儀方法對(duì)該三維仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，確定立柱內(nèi)部缺陷的比較精確的分布狀況，進(jìn)而為保護(hù)立柱木結(jié)構(gòu)提出了解決方案。

8 結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)現(xiàn)有幾種方法進(jìn)行了評(píng)述，對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)分析，針對(duì)傳統(tǒng)的活立木木材基本密度測(cè)定方法，需要采取用生長(zhǎng)錐在胸高處鉆取錐芯等對(duì)樹木有破壞的方式，且比較繁瑣，程序多，耗時(shí)長(zhǎng)，費(fèi)用也高，甚至?xí)绊懙侥静脑谝院蟮募庸ず褪褂谩Ｒ约搬槍?duì)pilodyn法的打入距離短，振動(dòng)法的不精確，超聲波法的易受干擾等。針對(duì)其問題所在可以研究探索出更為快速、無(wú)損、準(zhǔn)確估測(cè)活立木木材密度的方法。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：趙建軍，工程師，研究方向：森林經(jīng)營(yíng)。