基于应力波的活立木力学特性无损检测研究进展

张婉婷，王立海

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

进入21世纪以后，社会经济在快速发展的同时也刺激了人们的物资消费观念，当前的木材供应量远远满足不了人们日益增长的生活需求。如何针对现有的木材资源提高木材的利用效率，成为国家林业部门研究人员需要急需解决的问题和难题。而利用木材检测使木材的用途多样化，是非常实用的一个方法。通过木材检测不仅可以提高立木的成活率同时也可以降低生产成本，不仅具有一定的理论研究意义同时还具有可观的经济价值[1]。传统的活立木木材检测主要是借助于在树干上打洞的方法来确定活立木材质。采用这种方法不仅会对树本身造成伤害，而且还会使树木受到真菌感染，导致树木生长缓慢。无损检测(Non-destructive Testing)则克服了这一缺点，尤其是应力波无损检测技术，被广泛的应用于活立木的材质预测和内部腐朽缺陷检测[2-9]。本文介绍了应力波无损检测的原理以及研究进展，分析了影响应力波在活立木中传播的因素，阐述了基于应力波技术的木材力学特性检测的现状和意义，并针对其存在的问题提出了几点建议。

1 应力波无损检测原理

将应力波无损检测方法应用到木材领域源于1959年Jayne[10]提出的假说。应力波在木材中的传播形式主要有轴向波、横向波和表面波3种，其中轴向波传播速度非常迅速，而且所产生的波速对木材的本质传递速度非常快，所以通过轴向波检测完成木材质量的评估是最常用的一种方法。使用应力波技术对木材力学特性进行无损检测的原理是：木材由于冲击力带来的波感，在木材中也会出现同样的波感，根据木材的弹性模量E，应力波速度C和木材密度ρ之间的关系：E=C2ρ，因此采用应力波技术对木材力学特性进行检测其实主要是通过测量应力波的波速来完成的。

应力波无损检测技术是近些年来发展最为迅速的技术之一，被广泛的应用于立木、原木的力学特性评估、内部缺陷检测以及古代木结构建筑的无损检测。这主要是因为应力波相对于其它无损检测方法具有以下特点[11-16]，见表1。

表1 应力波无损检测技术的特点

2 基于应力波的活立木力学特性检测研究动态

2.1 应力波检测活立木力学特性的研究进展

利用应力波技术评价木材质量起于20世纪50年代，国外一些发达国家相继开展了对应力波的研究，通过应力波技术达到评估木材质量的目的[17]。在对活立木应力波的传播速度与木材的强度、刚度和含水率等关系的研究中，Xi ping Wang[18]组成的研究小组对168棵铁杉和云杉进行了刚度和强度的检测研究，经过一系列试验发现，通过应力波技术能够完成活立木力学特性的预测，同时还可以通过应力波检测到木材自身出现的变化。2002年Shih-Yin Wu[19]科研小组发现，应力波法可以实现活立木质量的预测，同时在试验中还发现应力波检测法具有较强的传播能力。2005年 Pilon[20]利用60棵红松、115棵黄松作为研究对象，利用两种设备进行检测，一种设备是实验室的检测装置，一种是在市场上购买的Director ST300检测设备。通过这两种检测方式进行试验以后，接着对得出的数据进行深入分析，最终得知Director ST300可以用于活立木的检测，并且取得了详细的数据，建立了基于应力波技术的活立木应用数据库。林兰英[21]等以4种人工林桉树板材为试验对象，分别采用应力波、超声波和FFT分析法检测四种试验木材的动态弹性模量，结果表明这3种方法都可以较为快速的预测木材的弹性模量。罗彬[22]等运用纵向基频振动、应力波以及超声波3种方法对巨尾桉无疵小样进行了抗压强度和抗弯强度性质预测，试验表明用3种方法获得的静态弹性模量和动态弹性模量均在0.001水平上显著相关。众多的研究试验表明，应力波无损检测技术可以对木材力学特性进行估计[23]。

2.2 影响应力波在活立木中传播的因素研究

应力波在木材中的传播是一个复杂的动态过程，并且受到很多因素的影响，主要包括以下几个方面：①木材的性质；②木材的微观结构；③木材的含水量；④木材的缺陷；⑤木材的形态。现有研究表明：第一，水分是造成木材性质转变的关键因素，Wang[24]通过对白杨与红松的内部水分进行了研究，研究结果是含水率低于纤维饱和点(约为32%)的时候，含水率升高动弹性模量就会降低，当其内部含水率大于纤维饱和点的时候，应力波传播速度放慢，动弹性模量基本没有变化。第二，生长速率也对应力波和活立木性质有一定的影响。应力波和树木的成长有着非常紧密的关系，双方处于相辅相承的状态。第三，活立木表面对应力波的检测也会产生不同效果，假如活立木表面不是很光滑或者很平整的话，那么选取的抽样就必须是2～3个侧面，最终确定平均值。第四，营林措施对活立木性质以及应力波传播速度也有一定的影响。为了取得更为科学合理的试验数据，美国将168棵铁杉作为研究对象进行检测，通过检测得出结果，由于活立木检测方式的不同，对于整个林地的生物数据控制方式也不同，同时还可以改变木材生长结构。由此得知，应力波检测与人们的砍伐次数有着很直接的关系。与国外发达国家相比，我国开展应力波的检测研究还处于初级阶段，但是也取得了比较明显的成果，不仅研究出了砍伐次数和活立木生长之间的关系，同时也对林木的种植，砍伐时间提供了参考依据[25]。虽然对与活立木有关的其他因素还没有进一步开展研究，不过对于应力波的检测技术试验也是下一步主要攻克的方向。

3 基于应力波的活立木力学特性季节动态变化检测

3.1 木材力学特性变化的原理

木材属于变化性很强的非人工高分子材料，它的结构与性质形态各异，并且与林木所处的环境有着很为密切的关系。因此可以得出，木材的质量不仅与自身结构有关系，同时也与木材内部的水分，外界环境的气候和森林覆盖率有着很紧密的联系。

木材含水率对木材力学性质的影响，是指纤维饱和点以下木材水分变化时，给木材力学性质带来的影响。木材内部的水分处于纤维饱和点下，表现出来的强度将会随着内部水分的降低而升高，当木材内部水分增多时，这时候表现出来的则是木材纤维素的增多，主要原因是木材纤维分子增多。当木材内部水分比纤维点高的时候，那么其表现出来的强度就不会再发生变化。

对于木材物理性质来讲温度起到的作用非常重要。通常情况下，因为室内温度比较均衡，因此产生的影响不大。不过，在温度相差较大的情况下，就会产生很大的影响。温度升高的时候，会造成木材内部水分和内部结构发生变化，同时也会给木材内部造成干枯现象并对木材的强度有直接影响，主要原因在于热促使细胞壁物质分子运动加剧，内摩擦减少，微纤丝间松动增加，造成木材强度萎缩。由此可见，木材的质量与温度有着很直接的关系，温度在-20℃造成的结果是：木材内部结构处于固态，木材的韧性发生很大变化，当温度上升的时候其形态也逐渐由固定转向液态。当木材温度降低的时候，木材中包含的水分就转变为固态的冰，促进木材强度的提升[26]。

3.2 基于应力波的活立木力学特性季节动态变化检测

木材力学特性季节动态变化检测可以动态监测活立木的质量，提高木材的利用率，并且为确定采伐作业的时间提供了依据。由于木材的密度、温度和含水率随季节变化而变化，所以木材的力学特性会随着季节变化而呈现动态改变。

早在1964年，comben[27]在研究木材强度和弹性与温度之间的关系时发现：温度由17℃降到-73℃时，12%含水率的木材的弹性模量增加了32%，饱和纤维木材的弹性模量增加了78%，而将木材有23℃加热到55℃时，木材的弹性模量并没有发生明显的变化。Green和Evans[28]检测了在-26～66℃温度范围内的温度对干、鲜木材的弹性模量的影响时得出：无论干木材还是鲜木材的弹性模量都随温度的降低而升高；对于鲜材，在0℃附近弹性模量有明显的转折。

温度和含水率是影响木材的抗弯弹性模量、抗弯强度及顺纹抗压强度等力学性能和应力波传播速度的两个重要因素[29-30]。随温度降低，各力学指标及应力波传播速度均在逐渐增大。不同温度时，木材中应力波传播速度随含水率增加均在逐渐下降。其中，在纤维饱和点(约为32%)以下，随着含水率增大传播速度下降幅度比较大；而在纤维饱和点以上，下降幅度逐渐趋于平缓。当木材含水率不同时，应力波传播速度随温度下降呈逐渐上升趋势。其中，含水率低于50%时，传播速度随温度下降呈线性上升趋势，在0℃附近变化的趋势是连续的；而含水率高于50%时，传播速度在0℃上下有较明显的跳跃，这主要是由于木材中大量自由水发生相变引起的。当然根据树种的不同，树木生长环境的不同，活立木的力学特性的改变也会有所不同。

树木在冬季低温、干旱的环境下停止生长，处于休眠状态，其含水率和密度相对于常温情况有很大的不同，对木材的力学特性也有很大影响。冰点以下，木材的动弹性模量和静弹性模量受温度的影响比较显著，含水率越高，弹性模量相对于常温状态下的变化越明显；冰点以上，木材的动弹性模量和静弹性模量受温度的影响不明显。冻结状态下应力波的传播速度普遍高于常温状态400～600 m/s，且二者之间存在比较强的线性关系，随着常温条件下应力波传播速度的提高，其冻结状态下的传播速度呈上升趋势，且相关系数在0.8左右；冻结状态下的木材顺纹动弹性模量平均高于常温状态46%，径向的动弹性模量平均高于常温状态76%；应力波的纵向传播速度主要受含水率的影响，二者呈负相关；通常处于温度较低的情况下，木材吸收的水分保持在纤维点，由于水分的作用促进了应力波的传播速度，一般数值为0.8上下。不过温度处于常温的时候，木材吸收的水分保持在纤维点上，没有明显的变化。主要原因处于较低温度的时候，水分一般都以结晶的形式储存在木材内部，木材本身有细微的变化，比如说细胞的成分有所提升等，这些因素都会促进应力波传播速度的加快，造成这种情况的方式还需要进一步试验。除以此外，不管是处于固态还是液态的情况下，水分对于应力波的传播速度没有较大的改变[31]。通过比较研究发现，冻结状态下木材的刚性和硬度较好，抗形变能力强。

活立木力学特性季节动态变化检测有很重要的意义。应力波无损检测活立木力学特性虽然已经有了许多的成果，但是对活立木在不同季节力学特性的动态变化检测还缺乏系统全面的研究，所以还有待进一步的研究，为合理规划采伐作业时间提供有效的依据。

4 应力波检测活立木性质存在的问题和建议

4.1 应力波检测活立木性质存在的问题

从国内外的研究现状来看，虽然应力波无损检测已经过了多年的研究发展，取得了很多成果，但还存在着一些问题：

(1)活立木的立地生境、木材特性、树种、生长地区等对应力波的测试有一定的影响。

(2)活立木的力学特性会随着季节而发生动态变化，目前还没有建立相应的基于应力波的活立木力学特性检测模型，使之能够适应这种动态变化。

(3)使用应力波对活立木进行检测的理论模型、质量预测标准等都还需要做比较深入的研究。

4.2 进一步研究的建议

通过对目前应力波检测技术存在的问题进行分析，提出以下几点建议：

(1)进一步研究应力波在木材中的传播机理，建立相应的数学模型。

(2)随着计算机技术和传感器技术的发展以及人工神经网络技术、遗传算法的引入，提高对较小木材检测的精确度。

(3)以活立木在不同温度和含水率的条件下力学特性的变化为依据，建立一个适应不同季节活立木力学特性检测的系统，对活立木在不同季节的力学特性进行实时跟踪。

(4)建立不同地域、不同树种的活立木应力波传播速度数据库，作为应力波检测和评价活立木质量的依据，应用于森林培育、抚育、采伐及木材加工等领域。

5 结束语

木材是具有变异性的天然高分子材料，其结构导致木材的力学性质是各向异性的，并且受温度、含水率等的影响，所以对活立木的力学特性进行检测是十分必要的。利用合理有效的木材检测技术可以辨别不同木材的性能和品质，减少木材的浪费，也有助于减少未成品木材的乱砍滥伐。木材力学特性季节动态变化检测可以动态监测木材的质量，提高木材的利用率，并且为合理规划采伐作业的时间、原木分级和木材高效利用提供了依据。

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