環(huán)境溫度對美國紅松活立木及原木聲波傳播及力學特性的影響.pdf

1、由于新的林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，我國的木材資源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，木質(zhì)原材料的供應已從以天然林為主轉(zhuǎn)向以人工林為主。而人工林由于生長速度快、輪伐周期短，直接導致木材中幼齡材含量高，其材質(zhì)與天然林木材相比普遍呈現(xiàn)材質(zhì)下降和材性變異性增高的特征。這一新的資源性特點已對人工林的發(fā)展與資源的高效利用形成了巨大的挑戰(zhàn)。如何對人工林活立木及原木的質(zhì)量特征進行準確的測定和評估是當前林業(yè)生產(chǎn)和科研中的一項重要課題。基于聲波傳導技術(shù)的材質(zhì)預測與評估是當前

2、國際上的一個研究熱點。該技術(shù)的核心是基于聲波傳導理論，利用聲波在木材中傳播的速度來預測木材的彈性模量。因此了解聲波的傳播特性，準確測定聲波在活立木和原木中的波速是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究針對人工林活立木及原木檢測評估過程中會遇到的不同氣候條件和作業(yè)季節(jié)，對環(huán)境溫度變化對活立木和原木波速測量的影響進行了系統(tǒng)、科學的研究。研究的主要內(nèi)容包括:(1)木材溫度、含水率對木材聲波及力學特性的影響;(2)木材中聲波傳播速度與溫度關(guān)系的理論模型構(gòu)建;(3

3、)季節(jié)性溫度變化對活立木及原木中聲波傳播速度的影響。
　　本研究采用理論分析、實驗室試驗和野外測試相結(jié)合的方法來探究環(huán)境溫度對活立木和原木聲波傳播及力學特性的影響。理論研究部分是在假設凍結(jié)和非凍結(jié)木材分別為木質(zhì)體（絕干木材）、冰/水、或冰＆水的物理組合的基礎上，依據(jù)聲波在混合體中的傳播理論來建立木材聲波速度與溫度、含水率關(guān)系的理論模型。實驗研究部分是以美國紅松為研究對象，通過實驗室小試樣的聲學與力學試驗以及野外活立木與原木的聲學測

4、試來考察環(huán)境溫度變化對活立木和原木波速測量的影響，探究溫度和木材中水分狀態(tài)對木材聲波特性的影響規(guī)律。
　　通過實驗室研究表明，溫度對凍結(jié)木材的聲學與力學特性均有顯著影響。當木材溫度位于冰點以下時，聲波的傳播速度、能量峰值以及木材的彈性模量均隨溫度的降低而升高;當木材溫度位于冰點以上時，聲波的傳播速度、能量峰值以及木材的彈性模量均隨溫度的升高而略有降低，這一變化趨勢在于材中（含水率在纖維飽和點以下）相對更明顯一些，但總體上木材的聲學

5、與力學特性在冰點以上時對溫度的變化不是很敏感。當木材含水率高于纖維飽和點時，木材的聲波傳播與力學特性在凍結(jié)溫度(0℃)附近均發(fā)生突變。即當木材溫度下降經(jīng)過冰點（溫度介于-2.5℃和2.5℃之間）時，聲波的傳播速度、能量峰值以及木材的彈性模量均出現(xiàn)突增，并且溫度對聲波波速的影響會隨著含水率的增加而增大。當木材從高含水率（如活立木和新鮮采伐的原木）降為0％含水率（絕干材）時，木材波速與溫度之間的線性關(guān)系逐漸趨于平緩，即溫度對波速的影響逐漸減

6、小。
　　依據(jù)聲波在混合體中的傳播理論及在不同介質(zhì)（冰、水和木質(zhì)體）中的傳播特性，構(gòu)建了聲波在木材中的傳播速度與溫度及其含水率的關(guān)系的理論模型。通過計算，在木材溫度處于冰點以下時，理論模型的預測值與試驗結(jié)果擬合度較高，平均誤差為1.66％。預測的聲波速度在冰點附近發(fā)生階躍，與試驗結(jié)果相符。但在木材溫度處于冰點以上時，預測誤差較大。
　　對人工林活立木和原木的野外聲學測試表明，環(huán)境溫度對活立木與原木波速的影響在冬季或冰點溫度以

7、下時最為顯著。冬季，紅松原木的縱向波速要比其他季節(jié)測得的波速總體上高23％，紅松活立木中的縱向波速與橫向波速分別要比其他季節(jié)總體高16％和24％。當環(huán)境溫度高于冰點溫度時，隨著溫度的增加原木的波速基本上沒有大的變化，但活立木的波速則略有下降。統(tǒng)計分析表明，活立木波速在冰點以上的不同溫度點時并沒有顯著差異。因此從實際應用的角度來考慮，活立木和原木的波速在冰點以上時均可視為恒定，無需進行較正。在野外測試條件下，紅松活立木與原木的聲波波速均在