活立木木材密度預(yù)測方法研究概述

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

關(guān)鍵詞：活立木木材密度預(yù)測方法；特點；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對青海云杉活立木進(jìn)行密度及木材材性的探測，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對日本落葉松活立木進(jìn)行材性指標(biāo)預(yù)測的研究，并使用pilodyn探測值與實際密度建立了相關(guān)回歸方程，利用對方程進(jìn)行模型檢驗和預(yù)測其他阻抗值對應(yīng)的密度，從而表明日本落葉松南、北方向的Pilodyn探測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能夠良好的估測日本落葉松活立木外側(cè)木材基本密度，并能夠預(yù)測整株活立木木材密度。但Pilodyn鋼針能打入活立木深度有限，不能完全的對整株活立木直徑上的密度進(jìn)行估測。

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)計量法來確定其各有機物含量，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)對木材進(jìn)行無損檢測研究綜述，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。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，分別對單個不同切面的近紅外光譜信息建立與對應(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)對于活立木木材密度的估測需要制作粉末樣品，對活立木會造成一定的破壞，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沖擊力，其內(nèi)部會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力波傳播，通過測量應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播速率的變化來獲取木材材料信息（如彈性模量、有無缺陷等）。

1994年，Ross等對一定形狀的木材進(jìn)行應(yīng)力波技術(shù)對估測的研究，在沒有缺陷的木材中應(yīng)力波傳播時長小于在有缺陷的木材中應(yīng)力波傳播的時間，進(jìn)而可以通過在相同外形的木材試樣中傳播時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)力波法測量時不受被測木材大小、形狀等限制，并且在被測木材內(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。沒有公害，對環(huán)境影響很小，不會誤傷工作人員，安全可靠，儀器小而簡單，方便使用，但是受到系統(tǒng)估測精度等的影響，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，還不能夠單獨使用應(yīng)力波法進(jìn)行活立木木材密度預(yù)測。

4 振動法

振動法的原理是對試件施加力，使其產(chǎn)生振動，通過傳感器測得的自由振動頻率和自由振動的減幅程度及試件質(zhì)量，根據(jù)木材試件的振動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原理的木材動彈性測量方法。研制出一款便攜式動態(tài)彈性模量測量裝置。實驗結(jié)果表明，橫向振動法能夠有效地測量木材的固有頻率，通過傳統(tǒng)靜態(tài)彎曲法測量得到的靜彈性模量值略小于采用橫向振動法測量得到的動彈性模量值。且這二者間存在良好的相關(guān)關(guān)系。振動法研究操作簡單、效率高，但由于是人工敲擊，產(chǎn)生了人工干擾因素，故而對檢測結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性有所影響。并且振動法還沒有應(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)中傳播時發(fā)生衰減現(xiàn)象，在測出超聲波速度后，計算出木材的彈性模量。進(jìn)而對木材力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

2003年，李華等人對大型木結(jié)構(gòu)鐘架的彈性模量進(jìn)行了超聲波技術(shù)測量的研究，研究中，對木結(jié)構(gòu)的物理學(xué)力學(xué)強度的變化進(jìn)行了評估，這一研究為后續(xù)超聲波在古建筑木結(jié)構(gòu)中的無損檢測提供科學(xué)依據(jù)。此方法的特點是超聲波的聲束能在某個特定的放心上聚集，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，探測深度大，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。

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)直接測量射線強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射線對楊林木材的微密度進(jìn)行測定。從而定性分析了不同高度、不同生長地、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射線掃描法測量，其所得到的測量值和用傳統(tǒng)稱重法得到的含水率測量值幾乎相同，相關(guān)關(guān)系系數(shù)接近1.00，絕對偏差在0.002以內(nèi)，沿著弦向掃描時的含水率測量精度稍低于沿著木材縱向和徑向掃描時平均含水率的測量精度，但其偏差很小，在實際測量中可以忽略不計。在實際測量中，采用X射線掃描法測量木材內(nèi)部含水率時，可以忽略紋理方向?qū)y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，已成功地用來評估商業(yè)人工林木材質(zhì)量。這種技術(shù)的優(yōu)點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站點，站點之間的平均密度值。然而，X射線法成本相對較高，因此，X射線法不滿足立木木材密度的快速和經(jīng)濟評價的要求。

7 阻抗儀法

阻抗儀法其測定原理是勻速加力將一根直徑3mm的鋼針穿入木材內(nèi)部，采用計算機磁盤或者攜帶的記錄紙記錄下鋼針進(jìn)入木材內(nèi)部時所受到的阻力曲線，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；最后采用無損的阻抗儀方法對該三維仿真模型進(jìn)行驗證，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

以上對現(xiàn)有幾種方法進(jìn)行了評述，對它們的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)分析，針對傳統(tǒng)的活立木木材基本密度測定方法，需要采取用生長錐在胸高處鉆取錐芯等對樹木有破壞的方式，且比較繁瑣，程序多，耗時長，費用也高，甚至?xí)绊懙侥静脑谝院蟮募庸ず褪褂谩Ｒ约搬槍ilodyn法的打入距離短，振動法的不精確，超聲波法的易受干擾等。針對其問題所在可以研究探索出更為快速、無損、準(zhǔn)確估測活立木木材密度的方法。

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作者簡介：趙建軍，工程師，研究方向：森林經(jīng)營。