全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
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’345!$ % & &
温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响!
徐华东<王立海
"东北林业大学工程技术学院<哈尔滨 &C%%!%$
摘<要!<为分析应力波在木材中传播的影响因素!研究应力波传播规律!在实验室内!采用 -B[0:0E应力波测试仪
测试 I% 个红松无疵小试件在不同含水率"从绝干到饱湿$和不同温度" F=%! F$%! F&%! FC!%!C 和 $% r$下的应
力波传播速度% 在此基础上!分别分析应力波传播速度随含水率或温度变化的规律!探讨导致应力波传播速度变
化的原因!并建立三者之间的回归模型% 结果表明& 含水率和温度是影响木材中应力波传播速度的 $ 个重要因素%
应力波传播速度随含水率增加或温度升高均呈逐渐下降趋势% 在含水率 =$]"纤维饱和点附近$以下!传播速度
随含水率增加下降幅度较大!反之则较小# 当含水率低于 C%]时!传播速度随温度升高呈线性下降趋势# 当含水率
高于 C%]时!传播速度在 % r上下有一明显的跳跃% 含水率(温度与应力波传播速度之间的二元线性回归模型拟
合优度较高!决定系数 2$ 均高于 %2#C%
关键词&<应力波# 传播速度# 温度# 含水率# 木材# 红松
中图分类号! ’"H&2C&<<<文献标识码!-<<<文章编号!&%%& F"!HH"$%&&#%# F%&$= F%I
收稿日期& $%%# F%# F%## 修回日期& $%&% F&% F$C%
基金项目& 国家自然科学基金"=%I"&I!=$ # 东北林业大学优秀博士学位论文培育计划及研究生创新项目%
!王立海为通讯作者%
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<<应力波木材无损检测方法具有简单(快速(准确
等特点% 它能够用于评估立木(原木以及板材的刚
度和强度等力学性质 "王志同等! &##C# e67T!
&###$!进而评价其等级# 也能够用于检测立木(原
木及木结构构件的内部腐朽(空洞或裂纹等缺陷
"王立海等! $%%H# 梁善庆!$%%H# 安源等! $%%H# 徐
华东等! $%&%$% 然而!应力波在木材内部的传播是
一个较为复杂的过程!受到多种因素的影响!木材的
温度和含水率就是影响应力波传播的 $ 个重要因素
" ’6780f! &##=# A…WD13./0&5! $%%I# 王立海等!
$%%H# $%%#$%
我国东北地区主要为温带季风气候!局部地区
属于寒温带!大部分地区冬季长达半年以上!因而该
地区树木在较长时间段内处于冰点温度以下% 为适
应北方特有的气候条件!该地区的森林作业主要是
在冬季进行!采伐下来的原木也是处于冰点温度以
林 业 科 学 !" 卷<
下% 为了能够采用应力波技术对我国东北地区的立
木及原木力学性质和内部缺陷进行及时(有效地评
估!非常有必要研究温度及含水率对应力波在木材
中传播的影响%
本文将在实验室内!针对无疵小试件!研究不同
温度时含水率变化对应力波传播速度的影响!以及
不同含水率范围温度变化对应力波传播速度的影
响!力求找到应力波传播速度随温度或含水率变化
的规律!为采用应力波技术评估立木及原木等提供
基本技术参数%
&<材料与方法
>K>?试验材料
选用红松"!+)43U%,0+.)3+3$无疵小试件进行测
试!试件规格& =C% EEa$% EEa$% EE!数量为 I%
个!计为 &!$!-!I% 号!气干材!含水率介于 I] G
&%]之间%
>KJ?试验设备
本研究主要用到以下 " 种设备& & $ 德国
J)++,*(R公司生产的 -B[0:0E应力波测试仪!用
于测试试件中纵向应力波的传播时间# $$ 型号为
Q^@&%%A的高周波木材水分仪!用于快速测定试件
的含水率!测量含水率范围为 %] G&%%]# =$ 超低
温冰柜!用于调节被测试件的温度# !$ 数字温度
计!用于测定实验室及冰柜内部温度# C$ 电子天
平!用于测定试件质量# I$ 型号为 &%&@&-号电热
鼓风干燥箱!在采用烘干法测量试件含水率时!用来
烘干试件# "$ -OHHC&ibjb,热电偶温度计!用于测
量木材试件温度%
>KL?试验方法
&2=2&<温度及含水率对应力波传播影响试验<首
先!在实验室!常温状况 "经测定!试验期间实验室
平均温度约为$% r$下!在每一被测试件纵向切面
的中间位置划一竖线!并用高周波木材水分仪在划
线位置依次测定每一试件含水率# 接着!在每一试
件 $ 个端面的中心各钉入 & 枚钢钉!钢钉刺入深度
控制在 C EE以内# 然后!在试件两端的钢钉上悬挂
传感器!采用力锤敲击激励传感器!用 -B[0:0E配套
软件分析信号并获取应力波传播时间% 为减小人为
误差!测试时均由同一人敲击!敲击每一试件的次数
至少为 C 次!取应力波传播时间平均值参与计算%
依据上述方法!测试所有试件!并记录含水率与应力
波传播时间%
常温状况测试完成后!把所有试件放入超低温
冰柜调节试件温度后再进行测试% 冰柜温度分别设
定为 F=%! F$%! F&%! FC!%!C r%为防治试件吸水
或内部水分蒸发!采用塑料袋将试件密封好!并将其
放置在冰柜内达&$ D!以使试件内外温度相同% 采
用热电偶温度计插入试件内部测试试件实际温度!
确保木材实际温度与设定温度相差在 w%2= r范围
以内!再进行下一步测试% 在每一温度!依次取出每
一试件测量应力波传播时间和含水率!并记录% 测
试过程中为了防止测试样内部温度发生变化!从冰
柜取出试件后!迅速进行测试!测试每一试件的时间
控制在 =% 9之内!测试完后迅速放入冰柜%
为研究含水率对应力波传播的影响!以及不同
含水率下温度对应力波传播的影响!在做完上述试
验之后!把所有试件放入水中进行浸泡!以提高其含
水率% 在试件浸泡不同时间后!依次取出每一试件
测量其含水率及在不同温度下的应力波传播时间!
并记录% 在完成上述试验后!选取含水率较高的试
件若干"&=%$!继续进行浸泡!直到试件含水率达
到 #%]以上!其间取出试件做同上测试% 最后!对
所有样本进行烘干!测量样本绝干状态下不同温度
时的应力波传播时间%
&2=2$<含水率校正<测量木材含水率最为准确的
方法为烘干法!但由于本研究中含水率的测量需要
实时的数据!即在测量完样本试件含水率后!为防止
试件含水率变化!必须立刻把试件放入冰柜进行冷
冻!并进行该含水率下温度对应力波传播影响的试
验!因此试件并不能及时采用烘干法测量其含水率!
只能采用方便(快捷的高周波木材水分仪来实时地
测量试件含水率%
然而!为保证试验中含水率数据的准确性!须对
高周波木材水分仪测定的含水率数据进行校正% 本
研究选取 =% 个不同含水率的相同规格试件!利用高
周波木材水分仪测量其含水率!再利用电子天平依
次称量各试件质量!然后再把各试件放入烘干箱内
进行烘干!烘干箱温度调节为&%C r!每烘干&$ D 取
出试件称量!直至试件的质量不再发生变化为止%
计算各试件的绝对含水率!并与高周波木材水分仪
测量的含水率数据进行比对%
表 & 中列出了采用高周波木材水分仪"高频法$
和烘干法 $ 种方法测量的 =% 个试件的含水率% 由表
& 可知& 试件含水率在 &%]以下时!$ 种方法所测结
果比较接近!表明在木材试件含水率低于 &%]时!高
频法所测结果比较准确# 然而!当试件含水率高于
&%]时!与烘干法所测含水率数据相比!高频法所测
数值明显偏低% 造成这一结果的原因主要是试件尺
寸较小!高频周波穿透木材受到了其他介质的影响%
!$&
<第 # 期 徐华东等& 温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响
表 >?高频法与烘干法所测含水率比较!
5&+@>?A’%9&/$"’(’)8A%-&"0/-1+< 6$.6)/-T0-(7< %-#6’1&(1’,-(1/<$(. %-#6’1
编号 +05
高频法
RMTD VB3SL37WZE3:D08
烘干法
nY37 8BZM7TE3:D08
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编号 +05
高频法
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&! $ "" CH =$2"I $# !%2# &%$ !# &%H2&I
&C $=2! HC C" !#2&$ =% $I2H #H I% I=2==
<<<尽管高频法与烘干法所测试件含水率数据有一
定的差异!但是两者之间却有非常显著的相关关系%
从图 & 可知& 高频法与烘干法所测含水率数值之间
具有非常显著的正相关性!决定系数达到 %2#==%
因此!可以采用高频法估计烘干法所测试件含水率
数值!即木材试件的真实含水率% 本文后面讨论中
有关含水率的数据!含水率 &%]以下直接采用高频
法所测数据# 含水率高于 &%]时则为估计的烘干法
所测含水率%
图 &<高频法与烘干法测含水率的关系
M^T5&E3:D08 678 ;(E369LB38 [Z0Y37 8BZM7TE3:D08
$<结果与分析
JK>?不同含水率和温度下应力波传播时间和速度
采用 -B[0:0E应力波测试仪对 I% 个红松试件
进行测试!得到不同温度下(不同含水率范围的应力
波传播时间数据!并计算了相应的应力波传播速度!
见表 $%
JKJ?应力波传播速度随含水率变化的规律
图 $ 为不同温度时!木材中应力波传播速度随
含水率变化的曲线% 从图 $ 可知& 在不同温度时!
含水率变化对木材中应力波传播速度的影响规律具
有相似性!即随着木材含水率的增加!应力波传播速
度均具有逐渐下降的趋势% 其中!在含水率 =$]之
前!应力波传播速度下降速度比较快!下降幅度也比
较大# 而在含水率 =$]之后!传播速度的下降趋势
逐渐变得平缓% 这主要是由于木材的纤维饱和点在
含水率 =$]附近!木材的纤维饱和点是木材物理力
学性质改变的一个重要的分界点"李坚! $%%$$% 在
纤维饱和点以下!木材中的水分存在于细胞壁中!对
木材的性质具有较大的影响# 而在纤维饱点以上!
木材细胞壁中结合水已饱和!水分则以自由水形式
存在于细胞腔中!此时水分对木材性质的影响也在
逐渐降低%
通过以上分析可知& 在不同温度时!在纤维饱
和点以下!木材中应力波传播速度随含水率变化下
降幅度较大# 而在纤维饱和点以上!木材中应力波
传播速度随含水率变化下降趋势逐渐平缓%
JKL?应力波传播速度随温度变化的规律
图 =!! 分别为样本含水率低于和高于 C%]时
应力波传播速度随温度变化的关系% 从图 =!! 可
知& 无论木材含水率为多少!木材中应力波传播速
度均随着温度的升高呈逐渐下降的趋势% 其中!在
含水率小于 C%]时!应力波传播速度随温度下降的
趋势近似为一条直线!% r上下传播速度变化趋势
基本相同# 而在含水率大于 C%]时! 虽然应力波传
C$&
林 业 科 学 !" 卷<
表 J?红松试件在不同温度和含水率下应力波传播参数均值
5&+@J?56-%-&(,&B0-"’)"#/-""=&,-9/’9&.&#$’(9&/&%-#-/"’)#6-W’/-&(9$(-
"&%9B-"
$))-/-(##-%9-/�/-"&(18A
含水率范围
J67T30V;("]$
容量
’Mf3
传播参数
>B046T6:M07 46B6E3:3B9
温度 ,3E43B6:LB3br
F=% F$% F&% FC % C $%
% GC I% 时间 ,ME3b’9 I%2% I&2H I=2I I!2C IC2= II2" "%2=
速度 ’4338b"E’9F& $ C H== C II= C C%= C !$I C =I% C $!" ! #"#
C G&% I% 时间 ,ME3b’9 I!2I II2$ IH2I "%2C "&2" "=2% "I2H
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&C G$% =% 时间 ,ME3b’9 "%2$ "=2! "I2I "H2$ "#2H H&2% HI2C
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速度 ’4338b"E’9F& $ ! !## ! $=$ ! %$= = #%$ = "%% = !!& = $!"
IC G"% =% 时间 ,ME3b’9 "H2! H=2& H"2= #%2% #C2C &%$2H &%#2$
速度 ’4338b"E’9F& $ ! !I! ! $&$ ! %%# = HH# = IIC = !%C = $%C
"% G"C =% 时间 ,ME3b’9 "H2H H=2! H"2I #%2= #I2& &%!2& &&%2C
速度 ’4338b"E’9F& $ ! !!$ ! &#" = ##C = H"I = I!$ = =I$ = &I"
"C GH% =% 时间 ,ME3b’9 "#2$ H=2" H"2# #%2I #I2C &%!2# &&&2$
速度 ’4338b"E’9F& $ ! !&# ! &H$ = #H$ = HI= = I$" = ==" = &!"
H% GHC =% 时间 ,ME3b’9 "#2" H=2# HH2& #&2% #"2$ &%I2& &&&2"
速度 ’4338b"E’9F& $ ! =#& ! &"$ = #"= = H!I = I%& = $## = &==
HC G#% =% 时间 ,ME3b’9 "#2# H!2$ HH2! #&2! #"2# &%"2! &&$2!
速度 ’4338b"E’9F& $ ! =H% ! &C" = #C# = H$# = C"C = $C# = &&!
p#% =% 时间 ,ME3b’9 H%2$ H!2C HH2" #&2H #H2" &%H2C &&=2$
速度 ’4338b"E’9F& $ ! =I! ! &!$ = #!I = H&= = C!I = $$I = %#$
播速度随温度升高仍然是逐渐下降的趋势!但在
% r上下传播速度有一非常明显的跳跃% 当含水率
为 C%] GCC]时!应力波在 F=% r木材中传播速度
比 FC r 时 高 I$" E’9F&! 变 化 速 率 为
$C E’9F&r F&# FC r比 C r时高=I% E’9F&!变化
速率为 =I E’9F&r F&# C r比$% r时高$$" E’9F&!
变化速率为 &C E’9F&r F&% 当含水率大于 #%]时!
应力波在 F=% r木材中传播速度比 FC r时高 CC&
E’9F&!变化速率为 $$ E’9F&r F&# FC r比 C r时
高 CH" E’9F&!变化速率为 C# E’9F&r F&# C r比
$% r时高 &=! E’9F&!变化速率为 # E’9F&r F&% 对
比可知& 在 FC r与 C r之间!应力波传播速度变
I$&
<第 # 期 徐华东等& 温度和含水率对红松木材中应力波传播速度的影响
图 $<不同温度下含水率变化对应力波
传播速度的影响
M^T5$<*V3W:0V;(07 4B046T6:M07 Y310WM:Z0V
9:B399X6Y36:8MV3B37::3E43B6:LB39
图 =<含水率 C%]以下温度变化对应力波
传播速度的影响
M^T5=<*V3W:0V:3E43B6:LB307 4B046T6:M07 Y310WM:Z
0V9:B399X6Y3XD37 ;(M9[310XC%]
化幅度较大!变化速率较快!且随着含水率增高变化
速率在加快% 这主要是由于含水率大于 C%]时!木
材内部含有较多自由水!温度在 % r上下变化时自
由水发生相变引起的%
本研究所发现的规律与以往研究结论也较吻
合% ’6780f"&##=$研究了木材含水率为 %]!H]!
&$]和大于纤维饱和点时!温度变化范围为 F$% G
I% r时的超声波传播速度变化规律!研究发现& 超
声波速度随温度升高有线性下降的趋势!即使是在
% r附近% 然而!通过 ’6780f"&##=$可以看出& 当
含水率大于纤维饱和点时!超声波速度在% r上下
也存在一个跳跃或不连续% 此外!A…WD13等"$%%I$
研究了温度对声波在辐射松"!+)43/0.10$生材中传
播速度的影响!研究结论为声波传播速度随温度升
图 !<含水率 C%]以上温度变化对应力波
传播速度的影响
M^T5!<*V3W:0V:3E43B6:LB307 4B046T6:M07 Y310WM:Z
0V9:B399X6Y3XD37 ;(M96[0Y3C%]
高逐渐下降!并且在% r上下有一个突然的跳跃%
尽管应力波与超声波不同!但都属于声波!只是
频率不同而已!因此它们也都应该具有相似的传播
规律%
JKM?温度及含水率对应力波传播速度的综合影响
及其回归模型
含水率和温度对应力波在红松木材纵向传播速
度的综合影响规律见图 C% 图 C 可以更为直观地显
示出不同温度和含水率所对应的应力波传播速度%
同样!从图 C 也可以看出& 应力波传播速度随着温
度升高或含水率增加在逐渐下降%
图 C<含水率和温度对应力波传播速度的综合影响
M^T5C<,DB338ME379M079WLBY396[0L::D33V3W:90V
;(678 :3E43B6:LB307 9:B399X6Y34B046T6:M07 Y310WM:Z
为找到含水率(温度与应力波传播速度之间更
为具体的关系!采用 ’>’’ 统计软件对不同温度和含
水率时所测得的应力波传播数据进行多元线性回归
分析!建立三者之间的回归模型!见表 =% 从表 = 可
知& 以含水率 =$]"纤维饱和点附近$为界!所建立
的 $ 个回归模型!决定系数 2$ 均达到 %2#C 以上!表
"$&
林 业 科 学 !" 卷<
明模型具有较高的拟合优度!9检验置信度也都在
%2%%& 水平上% 因此!可以通过回归模型对红松木
材在不同温度(不同含水率所对应的纵向应力波传
播速度进行估计%
表 L?应力波传播速度与温度及含水率的二元线性回归模型!
5&+@L?56-+$(&/< B$(-&//-./-""$’(%’1-B"+-#=--("#/-""=&,-9/’9&.&#$’(,-B’7$#< &(1
8A)’/"9-7$)$7#-%9-/�/-7’(1$#$’("
含水率范围
J67T30V;(
回归模型 J3TB399M07 E0831:H0E& W>E$ W#
: E& E$ 0 > # 2$ 9 ’MT5
;(?=$] [ D ;( F$C$ F! $=H2&I= C $!H2&=C %2#CI !#H2#!= %2%%%
;(p=$] [ D ;( F$C2#!H FCC%2I## ! %"C2&&# %2#IH & $=C2#!% %2%%%
<B046T6:M07 Y310WM:Z0V9:B399X6Y3# D& 试件温度 ,3E43B6:LB30VX008 943WME379# ;(& 试件含水率 ;0M9:LB3W07:37:0V
X008 943WME3795
=<结论
通过测试红松无疵小试件在不同含水率和
F=% G$% r温度下的应力波传播速度!分别分析了
含水率和温度对木材中应力波传播速度的影响!并
利用 ’>’’ 软件建立了三者的回归模型% 分析得到
如下结论&
&$ 在不同温度时!木材中应力波传播速度随含
水率变化具有相似的规律!均是随着含水率增加有
逐渐下降的趋势% 其中!在含水率 =$] "纤维饱和
点附近$以下!传播速度随含水率变化下降幅度较
大# 而在含水率 =$]上!传播速度随含水率变化下
降趋势逐渐平缓%
$$ 不同含水率时!应力波传播速度随温度升高
呈逐渐下降的趋势% 其中!在含水率低于 C%]时!
应力波传播速度随温度升高呈线性下降趋势!在
% r附近变化趋势也是连续的# 而在含水率高于
C%]时!传播速度在% r上下有一比较明显的跳跃%
=$ 所建立的含水率(温度与应力波传播速度之
间的二元线性回归模型!拟合优度较高!决定系数
2$ 均在 %2#C 以上%
参 考 文 献
安<源! 殷亚方! 姜笑梅! 等5$%%H5应力波和阻抗仪技术勘查木结
构立柱腐朽分布5建筑材料学报! &&"!$ & !C" F!I=5
李<坚5$%%$5木材科学5北京& 高等教育出版社! $CI F$I$5
梁善庆5$%%H5古树名木应力波断层成像诊断与评价技术研究5中
国林业科学研究院博士学位论文5
王立海! 徐华东! 闫在兴! 等5$%%H5传感器的数量与分布对应力波
检测原木缺陷效果的影响5林业科学! !!"C$ & &&C F&$&5
王立海! 王<洋! 高<珊! 等5$%%#5冻结状态下应力波在长白落叶
松立木中传播速度的研究5北京林业大学学报! =& " = $ & #I
F##5
王志同! 曹志强! 袁卫国5&##C5用应力波非破损检测技术检测中
密度纤维板弹性模量的研究5木材工业! #"C$ & &" F
徐华东! 王立海! 游祥飞! 等5$%&%5应力波在旱柳立木内的传播规
律分析及其安全评价5林业科学! !I"H$ & &!C F&C%5
A…WD13R! e61k3Bj5$%%I5,D3M7V1L37W30V:3E43B6:LB307 :D3Y310WM:Z
0V90L78 M7 TB337 4M73X0085R01f619J0D@L78 e3Bk9:0V!
I!& !$# F!=%5
’6780fj.5&##=5;0M9:LB3W07:37:678 :3E43B6:LB33V3W:07 L1:B6907MW
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!责任编辑<石红青"
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