活立木木材密度预测方法研究概述

摘 要：文章介绍了七种活立木木材密度预测方法，分析了七种方法的由来，以及每种方法的特点，希望该介绍和总结对未来的研究起到借鉴作用。

关键词：活立木木材密度预测方法；特点；概述

1 Pilodyn法

Pilodyn法的原理是把提前预定好的能量通过pilodyn将3mm的钢针打入木材内部，而通过打入深度来判断木材内部情况，密度越大、钢针所受阻力越大，进入深度越小，反之，就越大。2009年，茹广欣等使用pilodyn对青海云杉活立木进行密度及木材材性的探测，从而表明北向Pilodyn值与胸径之间相关关系显著，青海云杉的南北向Pilodyn探测值与整株木材的基本密度有着极大的负相关关系。同年，朱景乐等人也使用pilodyn对日本落叶松活立木进行材性指标预测的研究，并使用pilodyn探测值与实际密度建立了相关回归方程，利用对方程进行模型检验和预测其他阻抗值对应的密度，从而表明日本落叶松南、北方向的Pilodyn探测平均值以及总平均值与外侧木材的平均基本密度有着很明显的负相关关系，且与整株木材的平均基本密度的相关系数小于此相关系数。以上表明，pilodyn能够良好的估测日本落叶松活立木外侧木材基本密度，并能够预测整株活立木木材密度。但Pilodyn钢针能打入活立木深度有限，不能完全的对整株活立木直径上的密度进行估测。

2 近红外光谱技术

近红外光谱技术的原理是通过使用NIR光谱仪对木材粉末样品进行扫描，进而反映出C-H、O-H、N-H、S-H等化学键的信息，结合化学计量法来确定其各有机物含量，从而确定木材密度。

张鸿福等人在2009年利用近红外光谱技术对木材进行无损检测研究综述，通过大量的研究资料总结出：近红外光谱技术可以对木材的物理力学性质，如密度、含水率、MOE、MOR、微纤丝角等进行快速，准确的预测。此外，江泽慧等人也使用近红外光谱技术进行了木材密度的研究，分别对单个不同切面的近红外光谱信息建立与对应的木材密度的关系。以上表明利用近红外光谱技术预测木材密度的方法是可行的，结果是准确的。但近红外光谱技术对于活立木木材密度的估测需要制作粉末样品，对活立木会造成一定的破坏，因而影响活立木的使用。

3 应力波法

应力波法是木材的一端施加一个冲击力，其内部会产生相应的应力波传播，通过测量应力波在木材内部传播速率的变化来获取木材材料信息（如弹性模量、有无缺陷等）。

1994年，Ross等对一定形状的木材进行应力波技术对估测的研究，在没有缺陷的木材中应力波传播时长小于在有缺陷的木材中应力波传播的时间，进而可以通过在相同外形的木材试样中传播时间的差异或平均传播速率的大小老判定木材试样是否存在缺陷，这种技术在有不同的木材材质和有不同程度的缺陷的木材上的精确度也有差异。2007年，李光辉等人在研究中建立了应力波在木材内部传播方式的模型，以及数值模拟方法，讨论了目前的数据处理方法。应力波法测量时不受被测木材大小、形状等限制，并且在被测木材内部可传播距离较远，传播能量大，有效提高了此方法的抗干扰能力强。没有公害，对环境影响很小，不会误伤工作人员，安全可靠，仪器小而简单，方便使用，但是受到系统估测精度等的影响，应力波法仅限用于研究木材腐朽、空洞、溃烂等缺陷以及木材材性等。到目前为止，还不能够单独使用应力波法进行活立木木材密度预测。

4 振动法

振动法的原理是对试件施加力，使其产生振动，通过传感器测得的自由振动频率和自由振动的减幅程度及试件质量，根据木材试件的振动特性与弹性模量之间的相关关系，得出试样的弹性模量。

2009年，张厚江等人研究了基于横向振动原理的木材动弹性测量方法。研制出一款便携式动态弹性模量测量装置。实验结果表明，横向振动法能够有效地测量木材的固有频率，通过传统静态弯曲法测量得到的静弹性模量值略小于采用横向振动法测量得到的动弹性模量值。且这二者间存在良好的相关关系。振动法研究操作简单、效率高，但由于是人工敲击，产生了人工干扰因素，故而对检测结果的灵敏度和准确性有所影响。并且振动法还没有应用于活立木木材密度研究。

5 超声波法

超声波法的原理是根据超声波在木材介质中传播时发生衰减现象，在测出超声波速度后，计算出木材的弹性模量。进而对木材力学性质进行研究。

2003年，李华等人对大型木结构钟架的弹性模量进行了超声波技术测量的研究，研究中，对木结构的物理学力学强度的变化进行了评估，这一研究为后续超声波在古建筑木结构中的无损检测提供科学依据。此方法的特点是超声波的声束能在某个特定的放心上聚集，沿直线在介质中传播，指向性十分良好，能够传播的能量较大，穿透木材能力强，探测深度大，速率快，低成本，但是很容易受外在因素干扰。而且需要良好地耦合剂才能够进行测量。但目前还没有先例超声波技术应用于活立木木材密度估测。

6 X射线法

X射线法的原理是以X射线透射木质材料后，用射线接收传感器在透射的小范围内直接测量射线强度透射试样前后的衰减变化，根据射线衰减程度和试样的平均吸收系数推算出木质材料的密度，根据密度与木质材料力学性能之间的相关关系，推导出木材的基本力学性质。

2003年，马丽娜等人使用X射线对人工林木材密度的变异规律进行了研究，通过X射线对杨林木材的微密度进行测定。从而定性分析了不同高度、不同生长地、不同年轮上的木材密度的差异。2012年，余乐等人，采用X射线扫描法对木材含水率进行了研究，研究表明：干燥过程中的木材平均含水率可以采用X射线扫描法测量，其所得到的测量值和用传统称重法得到的含水率测量值几乎相同，相关关系系数接近1.00，绝对偏差在0.002以内，沿着弦向扫描时的含水率测量精度稍低于沿着木材纵向和径向扫描时平均含水率的测量精度，但其偏差很小，在实际测量中可以忽略不计。在实际测量中，采用X射线扫描法测量木材内部含水率时，可以忽略纹理方向对测量精度的影响。X射线光密度能够进行高精度的木材密度，已成功地用来评估商业人工林木材质量。这种技术的优点是其能够清楚地获得木材密度值在不同密度的区域之间的半径相同的树，树与树之间的密度比较在同一个站点，站点之间的平均密度值。然而，X射线法成本相对较高，因此，X射线法不满足立木木材密度的快速和经济评价的要求。

7 阻抗仪法

阻抗仪法其测定原理是匀速加力将一根直径3mm的钢针穿入木材内部，采用计算机磁盘或者携带的记录纸记录下钢针进入木材内部时所受到的阻力曲线，根据阻力曲线可以较直接地判断木材内部早晚材密度、应力木和年轮分布等情况，为判断木材内部腐烂或空洞情况、材质状况、生长状况（年轮分析）提供有效、可靠的依据。根据阻力曲线判断木材材性。

2008年，安源等人，使用阻抗仪和应力波技术对木结构立柱腐朽分布进行了勘查，建立了立柱内部缺陷分布的三维仿真模型；最后采用无损的阻抗仪方法对该三维仿真模型进行验证，确定立柱内部缺陷的比较精确的分布状况，进而为保护立柱木结构提出了解决方案。

8 结束语

以上对现有几种方法进行了评述，对它们的优缺点进行了总结分析，针对传统的活立木木材基本密度测定方法，需要采取用生长锥在胸高处钻取锥芯等对树木有破坏的方式，且比较繁琐，程序多，耗时长，费用也高，甚至会影响到木材在以后的加工和使用。以及针对pilodyn法的打入距离短，振动法的不精确，超声波法的易受干扰等。针对其问题所在可以研究探索出更为快速、无损、准确估测活立木木材密度的方法。

参考文献

[1]余斌，高珊，王立海，等.超声波在原木内部传播理论研究[J].森林工程，2014，01：92-95+99.

[2]张婉婷，王立海.基于应力波的活立木力学特性无损检测研究进展[J].森林工程，2014，02：48-51+55.

[3]张鹏，李耀翔.近红外光谱分析技术在木材机械性能检测中的研究进展[J].森林工程，2014，03：68-70.

作者简介：赵建军，工程师，研究方向：森林经营。