环境温度对美国红松活立木及原木声波传播及力学特性的影响

【摘要】：由于新的林业发展战略的实施,我国的木材资源结构正在发生根本性转变,木质原材料的供应已从以天然林为主转向以人工林为主。而人工林由于生长速度快、轮伐周期短,直接导致木材中幼龄材含量高,其材质与天然林木材相比普遍呈现材质下降和材性变异性增高的特征。这一新的资源性特点已对人工林的发展与资源的高效利用形成了巨大的挑战。如何对人工林活立木及原木的质量特征进行准确的测定和评估是当前林业生产和科研中的一项重要课题。基于声波传导技术的材质预测与评估是当前国际上的一个研究热点。该技术的核心是基于声波传导理论,利用声波在木材中传播的速度来预测木材的弹性模量。因此了解声波的传播特性,准确测定声波在活立木和原木中的波速是一个关键环节。本研究针对人工林活立木及原木检测评估过程中会遇到的不同气候条件和作业季节,对环境温度变化对活立木和原木波速测量的影响进行了系统、科学的研究。研究的主要内容包括：(1)木材温度、含水率对木材声波及力学特性的影响；(2)木材中声波传播速度与温度关系的理论模型构建；(3)季节性温度变化对活立木及原木中声波传播速度的影响。 本研究采用理论分析、实验室试验和野外测试相结合的方法来探究环境温度对活立木和原木声波传播及力学特性的影响。理论研究部分是在假设冻结和非冻结木材分别为木质体(绝干木材)、冰／水、或冰＆水的物理组合的基础上,依据声波在混合体中的传播理论来建立木材声波速度与温度、含水率关系的理论模型。实验研究部分是以美国红松为研究对象,通过实验室小试样的声学与力学试验以及野外活立木与原木的声学测试来考察环境温度变化对活立木和原木波速测量的影响,探究温度和木材中水分状态对木材声波特性的影响规律。 通过实验室研究表明,温度对冻结木材的声学与力学特性均有显著影响。当木材温度位于冰点以下时,声波的传播速度、能量峰值以及木材的弹性模量均随温度的降低而升高；当木材温度位于冰点以上时,声波的传播速度、能量峰值以及木材的弹性模量均随温度的升高而略有降低,这一变化趋势在干材中(含水率在纤维饱和点以下)相对更明显一些,但总体上木材的声学与力学特性在冰点以上时对温度的变化不是很敏感。当木材含水率高于纤维饱和点时,木材的声波传播与力学特性在冻结温度(0℃)附近均发生突变。即当木材温度下降经过冰点(温度介于—2.5℃和2.5℃之间)时,声波的传播速度、能量峰值以及木材的弹性模量均出现突增,并且温度对声波波速的影响会随着含水率的增加而增大。当木材从高含水率(如活立木和新鲜采伐的原木)降为0%含水率(绝干材)时,木材波速与温度之间的线性关系逐渐趋于平缓,即温度对波速的影响逐渐减小。 依据声波在混合体中的传播理论及在不同介质(冰、水和木质体)中的传播特性,构建了声波在木材中的传播速度与温度及其含水率的关系的理论模型。通过计算,在木材温度处于冰点以下时,理论模型的预测值与试验结果拟合度较高,平均误差为1.66%。预测的声波速度在冰点附近发生阶跃,与试验结果相符。但在木材温度处于冰点以上时,预测误差较大。 对人工林活立木和原木的野外声学测试表明,环境温度对活立木与原木波速的影响在冬季或冰点温度以下时最为显著。冬季,红松原木的纵向波速要比其他季节测得的波速总体上高23%,红松活立木中的纵向波速与横向波速分别要比其他季节总体高16%和24%。当环境温度高于冰点温度时,随着温度的增加原木的波速基本上没有大的变化,但活立木的波速则略有下降。统计分析表明,活立木波速在冰点以上的不同温度点时并没有显著差异。因此从实际应用的角度来考虑,活立木和原木的波速在冰点以上时均可视为恒定,无需进行较正。在野外测试条件下,红松活立木与原木的声波波速均在—2.5℃～0℃的范围内出现突变。