检测角对健康立木中应力波传播速度的影响1)

刘泽旭 邸向辉 王立海 孙天用

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

检测角对健康立木中应力波传播速度的影响1)

刘泽旭 邸向辉 王立海 孙天用

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

以东北林业大学实验林场中水曲柳、白桦、落叶松等3种含水率为饱和状态的活立木为研究对象，利用Arbotom应力波测试仪研究了不同检测角度(0°、15°、45°和75°)对应力波传播速度的影响。利用Excel和SPSS软件包，对所得实验数据进行含水率、胸径等因素与应力波传播速度的相关性分析。结果表明，当只有含水率对应力波传播速度影响较大时，检测角为45°可大幅减少含水率对应力波传播速度的影响；当只有胸径对应力波传播速度影响较大时，检测角为75°可大幅减少胸径对应力波传播速度的影响。当含水率和胸径对应力波影响都较大时，根据不同树种采用不同的检测角度来减小含水率和胸径对应力波传播速度的影响；白桦选取检测角为75°，水曲柳和落叶松选取检测角为45°。

应力波；检测角度；传播速度；活立木

Stress wave; Detection angle; Propagation velocity; Standing trees

20世纪60年代，应力波无损检测技术被应用到林业工程领域，经过50 a多的研究，应力波无损检测技术在活立木质量评价方面得到了广泛的应用[1-4]。应力波活立木无损检测方法具有简单便捷、快速准确、成本低廉、不受检测环境影响等适合野外检测的特点。它能够评估活立木的刚度和强度等力学性质，进而评价活立木等级[3-5]。然而，应力波在活立木内部传播是一个复杂的过程，而活立木本身是不均匀物体，因此，应力波传播速度受活立木自身的多种因素影响。国内外很多学者对温度、含水率、冻结与非冻结等影响因素做了广泛的研究，但很少有对检测过程中检测角度这一影响因素对活立木中应力波传播速度进行分析研究[6-7]。笔者以健康的水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)、落叶松(LarixgmeliniiRupr)活立木为研究对象，利用Arbotom应力波测试仪，研究了不同检测角度对应力波在活立木径向、纵向同侧和异侧传播速度的影响变化，确定在采用应力波技术对活立木物理性能或腐朽状况进行试验研究时的工作检测角度范围，同时，采集得到的饱和含水率、健康的活立木中应力波传播速度数据能作为活立木质量评价的参考数据。

1 试验地概况

试验地位于黑龙江省哈尔滨市东北林业大学实验林场，地理坐标为东经127°35′～127°39′，北纬45°42′～45°44′，海拔136～140 m，土地总面积48.83 hm2。研究区属温带半湿润季风气候区,年均温3.6 ℃，7月份最高温36.4 ℃，1月份最低温-38.1 ℃，无霜期136 d，≥10 ℃年积温2 757 ℃，年降水量600 mm左右。土壤为黑土，原生植被为沟谷榆树疏林草原[8]。

2 材料与方法

2.1 材料

采用目视直观法选取健康的水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)、落叶松(LarixgmeliniiRupr)各10株活立木进行测试，胸径范围为20～35 cm。林场内环境温度范围为6～10 ℃，湿度范围为60%～75%。

德国RINNTECH公司生产Arbotom应力波测试仪，用于测试活立木中应力波的传播时间；型号为ST-300的电阻法木材含水率测试仪，用于检测活立木边材含水率。

2.2 方法

对每株活立木采用4个不同检测针入角度(0°、15°、45°和75°)进行测量，采集胸高部位径向应力波传播时间及胸高部位纵向100 cm以下同侧和异侧应力波传播时间；不同检测角试验见图1。

0°检测角 15°检测角 45°检测角 75°检测角

图1 不同检测角试验示意图

应用德国RINNTECH公司生产的Arbotom应力波测试仪对试验活立木进行检测。传感器通过钢钉与活立木木质部紧密结合，钢钉按照图1所示不同角度钉入立木中，透过树皮接触到木质层。径向检测时在胸高处胸径方向布置2个传感器对径向应力波传播时间进行采集；纵向检测时，活立木同侧检测时布置2个传感器，间距100 cm；活立木异侧检测时布置2个传感器，垂直距离100 cm；分别对纵向传播时间进行采集。多次采集径向和纵向数据，保证数据误差小于3%。

3 结果与分析

3.1 不同检测角度应力波传播速度

采用Arbotom应力波测试仪对活立木测试，经数据处理软件处理后应力波传播速度见表1—表3。

表1 应力波在水曲柳中传播速度

3.2 应力波传播速度与含水率、检测角度等相关性分析

应用Excel软件对试验所得数据进行整理，通过SPSS软件包进行相关性分析，以各速度为因变量(y)，分别以含水率(Mc)和胸径(D)作为自变量，建立线性回归方程，并求出各速度与含水率的相关系数(RMc)和与胸径的相关系数(RD)，再建立各速度与含水率和胸径的线性回归方程，并计算出相关系数(R)。分析在各个检测角条件下，传播速度与含水率和胸径的相关性(见表4)。

表3 应力波在落叶松中传播速度

表4 传播速度回归方程及相关系数

续(表4)

对应力波传播速度与含水率相关性进行分析，在检测角为0°和75°时，3种活立木中径向应力波传播速度与含水率的相关系数比15°和45°时相关系数大；在检测角为0°、15°和75°时，3种活立木中应力波纵向同侧、异侧传播速度与含水率的相关系数比45°时相关系数大。

对应力波传播速度与胸径相关性进行分析，在检测角为15°和45°时，3种活立木中径向应力波传播速度与胸径的相关系数比0°和75°时相关系数较大；在检测角为0°、15°、45°时，3种活力木应力波纵向同侧、异侧传播速度与含水率的相关系数比75°时相关系数大。

对应力波传播速度与含水率和胸径相关性进行分析，在检测角为0°、15°、75°时，水曲柳和落叶松中各传播速度与两个影响因素的相关系数都比45°时相关系数大；在检测角为0°、15°、45°时，白桦中各传播速度与两个影响因素的相关系数比75°时相关系数大。

4 结论

利用Arbotom应力波测试仪检测活立木时，根据活立木胸径和含水率对应力波实验的影响大小，选择检测角。当只有含水率对应力波传播速度影响较大时，检测角为45°可大幅减少含水率对应力波传播速度的影响；当只有胸径对应力波传播速度影响较大时，检测角为75°可大幅减少胸径对应力波传播速度的影响。当含水率和胸径对应力波传播速度影响都较大时，根据不同树种采用不同的检测角度来减小对应力波传播速度的影响；白桦选取检测角为75°，水曲柳和落叶松选取检测角为45°。通过这种方式，采集的数据受其他因素影响小，相关模型的建立会更为可靠和科学。反之，结果的可靠性、可比性较差。

[1] 王立海,杨学春,徐凯宏.木材无损检测技术的研究现状与进展[J].森林工程,2001,17(6):1-3.

[2] 杨学春,王立海.应力波技术在木材性质检测中的研究进展[J].森林工程,2002,18(6):11-12.

[3] 孙天用,王立海.基于应力波与X射线二维CT图像原木内部腐朽无损检测[J].森林工程,2011,27(6):26-29.

[4] 徐华东,王立海,游祥飞，等.应力波在旱柳立木内的传播规律分析及其安全评价[J].林业科学,2010,46(8):145-150．

[5] 徐华东,王立海.温度和含水率对红松木材应力波传播速度的影响[J].林业科学,2011,47(9):123-128.

[6] 王立海,高珊,王洋，等.应力波在冻结状态白桦活立木中传播速度的试验[J].东北林业大学学报,2008,36(11):36-38.

[7] 林文树,杨慧敏,王立海.超声波与应力波在木材内部缺陷检测中的对比研究[J].林业科技,2005,30(2):39-41.

[8] 孙景波,佟静秋,牟长城,等.哈尔滨城市人工林天然更新组成结构与年龄结构[J].东北林业大学学报,2009,37(2):16-21.

1) 林业公益性行业科研专项重大项目资助(201104007)。

刘泽旭，男，1990年1月生，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。

王立海，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，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

责任编辑：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.