靳守領(lǐng)，杜曉晨*，馮海林,3，方益明，王再超

（1. 浙江農(nóng)林大學信息工程學院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點實驗室，浙江 臨安 311300；3. 通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

含水率對山核桃樹木材應力波頻譜的影響

靳守領(lǐng)1,2，杜曉晨1,2*，馮海林1,2,3，方益明1,2，王再超1,2

（1. 浙江農(nóng)林大學信息工程學院，浙江 臨安 311300；2. 浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點實驗室，浙江 臨安 311300；3. 通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050081）

對5組山核桃（Carya cathayensis）木材健康試樣和5組腐朽試樣在不同含水率下的應力波頻譜進行測試，分析應力波頻譜中共振頻率隨含水率的變化規(guī)律。結(jié)果表明：含水率是影響木材中應力波頻譜的重要因素，應力波頻譜中的共振頻率隨含水率的增加呈逐漸下降趨勢，在含水率低于纖維飽和點時，應力波頻譜中共振頻率隨含水率下降幅度相對較大，反之則較小，且對高頻部分共振頻率的影響比低頻部分共振頻率較大；健康和腐巧兩種試材含水率與應力波頻譜中共振頻率之間的線性回歸模型擬合優(yōu)度較高，相關(guān)系數(shù)R2均高于0.93。

應力波頻譜；共振頻率；含水率；山核桃樹

基于頻譜分析技術(shù)的木材無損檢測已成為充分有效利用森林和木材資源的重要手段之一，該技術(shù)具有簡單、快速、準確等特點[1~2]，能夠用于檢測立木原木及木結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部腐朽和空洞。楊慧敏、王立海先后研究了基于超聲波頻譜和超聲波功率譜分析技術(shù)在木材孔洞缺陷無損檢測中的應用[3~4]，并取得了較好的效果。余觀夏等人也提出了在頻域內(nèi)采用應力波頻譜分析技術(shù)檢測原木腐朽的方法，根據(jù)應力波頻譜中的共振頻率來判斷木材的健康狀況，該方法能夠判斷木材中的缺陷類型，精度較高，具有較高的實用價值[5~6]。

然而，木材是一種各向異性材料，結(jié)構(gòu)極其復雜，故而應力波在木材內(nèi)部的傳播過程是一個較為復雜的過程，受到多種因素的共同影響。研究結(jié)果表明：含水率對木材動態(tài)彈性模量影響顯著[7~8]，而木材的動態(tài)彈性模量直接關(guān)系到傳播過程中應力波頻譜的共振頻率[9~11]。在實驗過程中，同樣發(fā)現(xiàn)應力波頻譜中的共振頻率受含水率的影響較大。因此，含水率是影響木材中應力波頻譜的一個重要因素。

在森林作業(yè)和木材加工時，環(huán)境濕度和木材的含水率變化較大，為了能夠采用應力波頻譜分析技術(shù)對立木及原木的力學性質(zhì)和內(nèi)部缺陷進行及時有效地評估，非常有必要研究含水率對應力波在木材中傳播時頻譜的影響。

本試驗針對5組山核桃樹健康試樣和5組山核桃樹腐朽試樣，研究含水率對木材中應力波頻譜的影響，力求找到應力波頻譜隨含水率變化的規(guī)律，為采用應力波頻譜檢測技術(shù)評估立木及原木等提供基本技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用健康的山核桃樹和腐朽的山核桃木材作為實驗的木材試樣，試樣規(guī)格：試件直徑363 mm，厚度120 mm，健康的山核桃樹木材試樣數(shù)量5個，分別計為1號、2號、3號、4號和5號試件；腐朽的山核桃木材試樣數(shù)量5個，分別計為6號、7號、8號、9號和10號試件，其中1號木材試樣和6號木材試樣如圖1。

1.2 實驗設(shè)備

實驗中主要用到以下3種設(shè)備：秦皇島北戴河蘭德公司生產(chǎn)的BZ11系列加速度傳感器，用于接收試件中的應力波信號；美國 Tektronix公司生產(chǎn)的TDS2000系列 2022數(shù)字示波器，用于顯示并存儲實驗中接收到的信號；KT-R重錘式木材測濕儀，用于快速測定試件的含水率，測量含水率范圍3.5% ~ 99.9%，能夠調(diào)節(jié)溫度和木材試樣密度進行校正。

1.3 實驗方法

本文主要研究含水率對木材中應力波頻譜的影響，假設(shè)木材試樣橫截面在振動中始終保持為平面，僅考慮一條直徑上的應力波，略去該直徑在縱向振動中的橫向變形[12]。由此根據(jù)機械振動理論可以列出其振動方程，解之可得到多個固有頻譜[9,11]。由于這些固有頻率，在木材受到激勵時，木材會產(chǎn)生共振，在應力波頻域內(nèi)出現(xiàn)多個共振頻率，如圖2。

圖2 應力波頻譜圖Figure 2 Stress wave spectrum

這些固有頻率在數(shù)值上等于機械振動中的共振頻率，頻譜中這些共振頻率是由木材微觀結(jié)構(gòu)的復雜性決定的，同時也反映了木材本身性質(zhì)的各向異性或者腐朽的各向異性[5]。

在常溫狀態(tài)下，將10組木材試樣放入水中進行浸泡，以提高其含水率。48 h后，將木材試樣取出。木材試樣中水分達到飽和。在10組木材試樣的橫截面上分別畫出一條穿過圓心的直線，用KT-R重錘式木材測濕儀在每條直線上依次測定每個試件的含水率，并計算其平均值（本文中測定8個點的含水率，并求其平均值作為實驗參數(shù)）。

在每條直線的兩端安裝加速度傳感器（圖 3）。在每條直線一端用力錘敲擊激勵傳感器，將接收傳感器收到的應力波信號傳給數(shù)字示波器，用TDS2022數(shù)字示波器配套的軟件進行采集信號，減小人為誤差。

圖3 傳感器分布示意圖Figure 3 Sensor position

應力波信號采集時，在相同條件下，敲擊激勵傳感器，敲擊次數(shù)為5次，取應力波頻譜中共振頻率的平均值參與分析，以減少實驗誤差。將試件做干燥處理，含水率每出現(xiàn)變化，依據(jù)上述方法，對10組木材試樣依次進行測試，可得到不同含水率下的應力波信號。對采集到的應力波信號采用matlab進行小波降噪處理，然后進行FFT變換，并記錄頻域中的共振頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 應力波頻譜隨含水率的變化規(guī)律

將10組應力波頻譜中的共振頻率進行匯總，得到5組健康木材試樣和5組腐朽木材試樣不同含水率時，應力波頻譜中共振頻率隨著含水率變化的曲線。由圖4可知，雖然木材試樣不同，試樣的健康狀況也不同，但10組木材試樣應力波頻譜中共振頻率隨含水率的變化規(guī)律具有高度的一致性。

從圖4可知，無論木材是健康還是腐朽，不同含水率時，含水率變化對應力波頻譜中共振頻率的影響具有相似性，即隨著木材含水率的增加，應力波頻譜中的共振頻率均有下降趨勢。

其中在健康木材試樣中含水率低于33.6%，在腐朽木材試樣中含水率低于32.1%時，應力波頻譜中共振頻率減小較快，下降幅度相對較大；而在健康木材試樣中含水率高于 33.6%，在腐朽木材試樣中含水率高于 32.1%時，應力波頻譜中共振頻率下降趨勢變得較為平緩。這主要是由于健康的核桃樹樣本和腐朽山核桃樹樣本的木材纖維飽和點分別在含水率33.6%和32.1%附近。

木材的纖維飽和點是木材物理力學性質(zhì)改變的一個重要分界點[14~15]，其值隨樹種和材質(zhì)而異。在纖維飽和點以上，木材細胞壁中結(jié)合的水分已經(jīng)飽和，水分以自由水的形式存在于細胞腔中[15]，水分對木材性質(zhì)的影響逐漸降低，此時，木材如受到干燥或受潮，只是自由水改變，故不會引起濕脹干縮；在纖維飽和點以下，木材中的水分僅存在于細胞壁中，此時，木材如收到干燥或受潮，則能引起木材的濕脹干縮，對木材的性質(zhì)具有較大的影響。

通過以上分析可知：以木材的纖維飽和點為界，含水率在纖維飽和點以上，應力波頻譜中共振頻率隨著含水率變化下降趨勢平緩；而在纖維飽和點以下，應力波頻譜中共振頻率隨含水率變化下降幅度較大；無論是在纖維飽和點以上，還是在纖維飽和點以下，當含水率增大時，高頻部分的共振頻率下降幅度均比低頻部分大，即含水率對木材中應力波頻譜高頻部分的影響比低頻部分更加劇烈。應力波頻譜中共振頻率隨含水率的變化規(guī)律與木材是否存在腐朽無關(guān)。

圖4 木材試樣中不同含水率對應力波頻譜的影響Figure 4 Effects of moisture content on stress wave spectrum

2.2 含水率與應力波頻中共振頻率的回歸模型

為找到含水率與應力波頻譜中共振頻率之間更為具體的關(guān)系，對不同含水率時所測得的應力波頻譜數(shù)據(jù)用OriginPro 8軟件進行線性擬合，圖5為1號木材試樣和6號木材試樣以纖維飽和點附近為分界，各個共振頻率與含水率關(guān)系的線性擬合圖。

圖5 木材試樣含水率對山核桃樹中應力波頻譜各個共振頻率的關(guān)系擬合Figure 5 Linear fitting of moisture content and each resonant l frequency for the 1stand 6thspecimen

由圖5可知，無論是高于先纖維飽和點和低于纖維飽和點，在健康木材試樣和腐朽木材試樣中各個共振頻率隨著含水率的增大而下降的趨勢近似為一條直線。對不同含水率下所測得的應力波頻譜數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，建立兩者之間的回歸模型，見表1。

表1 木材中應力波頻譜共振頻率和不同含水率的線性模型和參數(shù)估計值匯總Table 1 Linear models and parameters for resonant frequency and different moisture content

由表1可知：以木材的纖維飽和點（本實驗中健康木材試樣約為33.6%，腐朽木材試樣約為32.1%）為分界線，含水率與各個共振頻率呈負相關(guān)的線性關(guān)系。所建立的線性回歸模型，R2均高于0.93，回歸模型具有較高的擬合優(yōu)度，F(xiàn)檢驗置信度也都在0.001水平上。因此，可以通過回歸模型對山核桃樹在不同含水率下的應力波頻譜中共振頻率的變化進行估計。

3 結(jié)論

通過測試山核桃樹健康試樣和腐朽試樣在不同含水率下的應力波頻譜，分析了含水率對木材中應力波頻譜共振頻率的影響，并建立了兩者的回歸模型。分析得到以下結(jié)論：

（1）在不同含水率下，木材中應力波頻譜共振頻率隨著含水率變化都具有相似的變化規(guī)律，即隨著含水率的增加有逐漸下降的趨勢。其中在含水率低于纖維飽和點時，應力波頻譜中共振頻率隨含水率變化下降幅度較大；而在含水率高于纖維飽和點時，應力波頻譜中共振頻率隨含水率變化下降趨勢逐漸平緩，這種變化規(guī)律與木材是否存在腐朽無關(guān)。

（2）在不同含水率時，無論含水率在纖維飽和點以上，還是在纖維飽和點以下，相對來講，健康試樣和腐朽試樣應力波頻譜中共振頻率高頻部分與低頻部分雖然具有一致的變化趨勢，但是變化幅度并不相似，高頻部分下降幅度明顯比低頻部分大，即含水率對木材中應力波頻譜高頻部分的影響比低頻部分更加劇烈。

（3）根據(jù)健康和腐朽兩種木材試樣的數(shù)據(jù)所建立的含水率與應力波頻譜共振頻率之間的線性回歸模型中，擬合優(yōu)度較高，相關(guān)系數(shù)R2均在0.93以上。從該模型中也可看出，纖維飽和點是應力波頻譜中共振峰變化規(guī)律的一個分界點。

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Effect of Moisture Content on Stress Wave Spectrum of Carya cathayensis Wood

JIN Shou-ling1,2，DU Xiao-chen1,2*，F(xiàn)ENG Hai-lin1,2,3，F(xiàn)ANG Yi-ming1,2，WANG Zai-chao1,2
（1. School of Information Engineering, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China；2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring in Forestry and Information Technology, Lin’an 311300, China；3. Science and Technolog y on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory, Shijiazhuang 055581, China）

Detection was conducted on stress wave of 5 clear and 5 decayed specimen of Carya cathayensis wood with different moisture content. Variation of detected stress wave spectrum was analyzed. The results showed that moisture content of the wood tested was an important factor affecting the stress wave spectrum. Resonant frequency of the stress wave decreased gradually with the increase of moisture content, and greatly with the moisture content below fiber saturation point. The regression model between stress wave spectrum and moisture content was established. The linear regression model between moisture content of the tested wood with resonant frequency in stress wave had high goodness of fit. The correlation coefficient (R2) was higher than 0.93.

stress wave spectrum; resonant frequency; moisture content; Carya cathayensis

S781.5

A

1001-3776（2015）01-0030-06

2014-02-24；

2014-06-11

國家自然科學基金項目（61272313, 61302185, 61472368）；浙江省科技廳公益性項目（2012C21015, 2013C31018, 2014C31044）；浙江省國際合作項目（2013C24026）；浙江省自然科學基金項目（LQ13F020013, LQ14F020014）；浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點實驗室開放基金（100151402）；通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點實驗室開放課題（KX132600016 / ITD-U13009）

靳守領(lǐng)（1987-），男，河南安陽人，碩士生，從事木材無損檢測研究；*通訊作者。