劉澤旭 邸向輝 王立海 孫天用

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

檢測(cè)角對(duì)健康立木中應(yīng)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(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

以東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)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(duì)象，利用Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀研究了不同檢測(cè)角度(0°、15°、45°和75°)對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響。利用Excel和SPSS軟件包，對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行含水率、胸徑等因素與應(yīng)力波傳播速度的相關(guān)性分析。結(jié)果表明，當(dāng)只有含水率對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響較大時(shí)，檢測(cè)角為45°可大幅減少含水率對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響；當(dāng)只有胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響較大時(shí)，檢測(cè)角為75°可大幅減少胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響。當(dāng)含水率和胸徑對(duì)應(yīng)力波影響都較大時(shí)，根據(jù)不同樹種采用不同的檢測(cè)角度來減小含水率和胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響；白樺選取檢測(cè)角為75°，水曲柳和落葉松選取檢測(cè)角為45°。

應(yīng)力波；檢測(cè)角度；傳播速度；活立木

Stress wave; Detection angle; Propagation velocity; Standing trees

20世紀(jì)60年代，應(yīng)力波無損檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用到林業(yè)工程領(lǐng)域，經(jīng)過50 a多的研究，應(yīng)力波無損檢測(cè)技術(shù)在活立木質(zhì)量評(píng)價(jià)方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。應(yīng)力波活立木無損檢測(cè)方法具有簡(jiǎn)單便捷、快速準(zhǔn)確、成本低廉、不受檢測(cè)環(huán)境影響等適合野外檢測(cè)的特點(diǎn)。它能夠評(píng)估活立木的剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而評(píng)價(jià)活立木等級(jí)[3-5]。然而，應(yīng)力波在活立木內(nèi)部傳播是一個(gè)復(fù)雜的過程，而活立木本身是不均勻物體，因此，應(yīng)力波傳播速度受活立木自身的多種因素影響。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)溫度、含水率、凍結(jié)與非凍結(jié)等影響因素做了廣泛的研究，但很少有對(duì)檢測(cè)過程中檢測(cè)角度這一影響因素對(duì)活立木中應(yīng)力波傳播速度進(jìn)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(duì)象，利用Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀，研究了不同檢測(cè)角度對(duì)應(yīng)力波在活立木徑向、縱向同側(cè)和異側(cè)傳播速度的影響變化，確定在采用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)活立木物理性能或腐朽狀況進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)的工作檢測(cè)角度范圍，同時(shí)，采集得到的飽和含水率、健康的活立木中應(yīng)力波傳播速度數(shù)據(jù)能作為活立木質(zhì)量評(píng)價(jià)的參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)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(rùn)季風(fēng)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(jìn)行測(cè)試，胸徑范圍為20～35 cm。林場(chǎng)內(nèi)環(huán)境溫度范圍為6～10 ℃，濕度范圍為60%～75%。

德國(guó)RINNTECH公司生產(chǎn)Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀，用于測(cè)試活立木中應(yīng)力波的傳播時(shí)間；型號(hào)為ST-300的電阻法木材含水率測(cè)試儀，用于檢測(cè)活立木邊材含水率。

2.2 方法

對(duì)每株活立木采用4個(gè)不同檢測(cè)針入角度(0°、15°、45°和75°)進(jìn)行測(cè)量，采集胸高部位徑向應(yīng)力波傳播時(shí)間及胸高部位縱向100 cm以下同側(cè)和異側(cè)應(yīng)力波傳播時(shí)間；不同檢測(cè)角試驗(yàn)見圖1。

0°檢測(cè)角 15°檢測(cè)角 45°檢測(cè)角 75°檢測(cè)角

圖1 不同檢測(cè)角試驗(yàn)示意圖

應(yīng)用德國(guó)RINNTECH公司生產(chǎn)的Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀對(duì)試驗(yàn)活立木進(jìn)行檢測(cè)。傳感器通過鋼釘與活立木木質(zhì)部緊密結(jié)合，鋼釘按照?qǐng)D1所示不同角度釘入立木中，透過樹皮接觸到木質(zhì)層。徑向檢測(cè)時(shí)在胸高處胸徑方向布置2個(gè)傳感器對(duì)徑向應(yīng)力波傳播時(shí)間進(jìn)行采集；縱向檢測(cè)時(shí)，活立木同側(cè)檢測(cè)時(shí)布置2個(gè)傳感器，間距100 cm；活立木異側(cè)檢測(cè)時(shí)布置2個(gè)傳感器，垂直距離100 cm；分別對(duì)縱向傳播時(shí)間進(jìn)行采集。多次采集徑向和縱向數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)誤差小于3%。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同檢測(cè)角度應(yīng)力波傳播速度

采用Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀對(duì)活立木測(cè)試，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后應(yīng)力波傳播速度見表1—表3。

表1 應(yīng)力波在水曲柳中傳播速度

3.2 應(yīng)力波傳播速度與含水率、檢測(cè)角度等相關(guān)性分析

應(yīng)用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過SPSS軟件包進(jìn)行相關(guān)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(guān)系數(shù)(RMc)和與胸徑的相關(guān)系數(shù)(RD)，再建立各速度與含水率和胸徑的線性回歸方程，并計(jì)算出相關(guān)系數(shù)(R)。分析在各個(gè)檢測(cè)角條件下，傳播速度與含水率和胸徑的相關(guān)性(見表4)。

表3 應(yīng)力波在落葉松中傳播速度

表4 傳播速度回歸方程及相關(guān)系數(shù)

續(xù)(表4)

對(duì)應(yīng)力波傳播速度與含水率相關(guān)性進(jìn)行分析，在檢測(cè)角為0°和75°時(shí)，3種活立木中徑向應(yīng)力波傳播速度與含水率的相關(guān)系數(shù)比15°和45°時(shí)相關(guān)系數(shù)大；在檢測(cè)角為0°、15°和75°時(shí)，3種活立木中應(yīng)力波縱向同側(cè)、異側(cè)傳播速度與含水率的相關(guān)系數(shù)比45°時(shí)相關(guān)系數(shù)大。

對(duì)應(yīng)力波傳播速度與胸徑相關(guān)性進(jìn)行分析，在檢測(cè)角為15°和45°時(shí)，3種活立木中徑向應(yīng)力波傳播速度與胸徑的相關(guān)系數(shù)比0°和75°時(shí)相關(guān)系數(shù)較大；在檢測(cè)角為0°、15°、45°時(shí)，3種活力木應(yīng)力波縱向同側(cè)、異側(cè)傳播速度與含水率的相關(guān)系數(shù)比75°時(shí)相關(guān)系數(shù)大。

對(duì)應(yīng)力波傳播速度與含水率和胸徑相關(guān)性進(jìn)行分析，在檢測(cè)角為0°、15°、75°時(shí)，水曲柳和落葉松中各傳播速度與兩個(gè)影響因素的相關(guān)系數(shù)都比45°時(shí)相關(guān)系數(shù)大；在檢測(cè)角為0°、15°、45°時(shí)，白樺中各傳播速度與兩個(gè)影響因素的相關(guān)系數(shù)比75°時(shí)相關(guān)系數(shù)大。

4 結(jié)論

利用Arbotom應(yīng)力波測(cè)試儀檢測(cè)活立木時(shí)，根據(jù)活立木胸徑和含水率對(duì)應(yīng)力波實(shí)驗(yàn)的影響大小，選擇檢測(cè)角。當(dāng)只有含水率對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響較大時(shí)，檢測(cè)角為45°可大幅減少含水率對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響；當(dāng)只有胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響較大時(shí)，檢測(cè)角為75°可大幅減少胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響。當(dāng)含水率和胸徑對(duì)應(yīng)力波傳播速度影響都較大時(shí)，根據(jù)不同樹種采用不同的檢測(cè)角度來減小對(duì)應(yīng)力波傳播速度的影響；白樺選取檢測(cè)角為75°，水曲柳和落葉松選取檢測(cè)角為45°。通過這種方式，采集的數(shù)據(jù)受其他因素影響小，相關(guān)模型的建立會(huì)更為可靠和科學(xué)。反之，結(jié)果的可靠性、可比性較差。

[1] 王立海,楊學(xué)春,徐凱宏.木材無損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].森林工程,2001,17(6):1-3.

[2] 楊學(xué)春,王立海.應(yīng)力波技術(shù)在木材性質(zhì)檢測(cè)中的研究進(jìn)展[J].森林工程,2002,18(6):11-12.

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

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

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

[6] 王立海,高珊,王洋，等.應(yīng)力波在凍結(jié)狀態(tài)白樺活立木中傳播速度的試驗(yàn)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(11):36-38.

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

[8] 孫景波,佟靜秋,牟長(zhǎng)城,等.哈爾濱城市人工林天然更新組成結(jié)構(gòu)與年齡結(jié)構(gòu)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(2):16-21.

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

劉澤旭，男，1990年1月生，森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。

王立海，森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，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(zé)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.