目前，应用于木材检测领域的无损检测方法多达十几种(王立海等，2001)，而在立木材质和内部缺陷辨识过程中应用最为广泛的方法是应力波和超声波技术。运用应力波和超声波对立木材质和缺陷检测主要是依据波传播速度来判定，依据传播速度计算立木的弹性模量等力学性质或者依据健康材和腐朽材中传播速度变化来对立木内部缺陷进行估计(Bucur，2005; Ross et al., 1994; Sandoz，1989; Wang，1999;梁善庆，2008;王志同等，1995)。然而，要依据传播速度变化对立木内部腐朽进行估计，首先应该知道应力波和超声波在健康立木中的传播速度及其传播规律，在这方面国外学者已经开展了一些研究(Mattheck et al., 1993; Divos et al., 2002)，但是在国内针对我国的典型树种开展的这方面研究还非常少。另外，在森林经营管理领域，研究不同的造林密度、不同的抚育管理方法、不同的作业方式及作业强度对林木材性的影响，也是一个重要的课题。本文将对这一课题的研究起到积极的推动作用，是一次探索性的研究。

1 材料与方法 1.1 试验材料及设备

2009年4月，在哈尔滨东北林业大学校园及试验林场内，选择4个东北地区主要树种作为测试对象，样本立木的基本状况如表 1。其中，样本立木的树龄是参考学校的相关资料计算的。

试验主要采用3种无损检测仪器对立木进行测试：中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM-SY5超声波检测仪、德国RINNTECH公司生产的Arbotom应力波三维成像系统及型号为3450的Resistograph针式阻抗仪。采用皮卷尺和树木测径仪分别测树木周长和胸径。

1.2 测试方法

首先采用应力波仪器和阻抗仪对立木进行测试，估计其内部状况，判定立木无缺陷断面，然后再运用超声波仪检测样本立木，最后对比分析应力波和超声波在健康立木中传播速度变化规律。

1.2.1 应力波成像检测

对每一个样本立木分为3个断面进行测试，测试断面分别距地面20，60和130 cm。在立木断面等距离布置8个传感器(王立海等，2008)，其中第1个传感器均布置在样本立木的北面，顺时针布置其余传感器，用导线把传感器、Arbotom数据转换设备以及计算机按顺序连接好，接着采用力锤逐个敲击传感器进行测试。采用设备自带的Arbotom软件对应力波传播时间、速度进行处理，形成传感器间的应力波传播线形图和由速度矩阵重构的断面二维图像，进而依据应力波传播速度值和断面二维图像对立木内部结构进行估计。

1.2.2 阻抗仪检测

采用Resistograph针式阻抗仪对距地面20，60和130 cm的3个断面分别进行测试，每个断面测试2个方向：沿径向从南到北和沿径向从东到西各测一次。对大多数被测立木，测针插入深度均设定为25 cm; 对于一些估计内部腐朽比较严重、比较具有代表性的测试立木，测试深度大于25 cm，直至测针的测量最大值45 cm。测试完成后，结合应力波检测结果，对立木内部结构进行估计。

1.2.3 超声波检测

应用RSM-SY5超声波检测仪，采取“穿透式”两通道检测法对立木样本进行测试，为了尽量减小换能器与立木之间空气介质的影响，在二者之间涂抹黄油耦合剂。在这里，黄油涂抹在超声波探头上，把探头扎进立木内，并不需要去除立木树皮，只需使探头穿透树皮接触到木质部。试验中，传感器采用内触发方式，采样频率为30 kHz，采样周期2 μs，脉冲宽度20 μs，高、低通滤波值分别为5 kHz和1 000 kHz。

测试时，首先把发射换能器固定在应力波测试时的1号传感器位置处，然后把接收换能器依次放在应力波测试时的2号传感器、3号传感器，直至8号传感器进行测试。当这一组测试完成后，再把发射换能器固定在2号传感器位置处，而接收换能器则依次放在3号传感器、4号传感器，直至8号传感器进行测试。依次类推，直到测完整个断面。在测完所有断面后，对应力波和超声波传播速度进行对比分析。

2 结果与分析 2.1 立木无缺陷断面统计

图 1为采用Arbotom应力波成像系统和Resistograph针式阻抗仪检测立木无缺陷断面的结果。图 1A为Arbotom软件所形成的二维断面图像，图像采用红-黄-绿颜色模式，红色对应的传播速度最低，而绿色对应的传播速度最高，右侧的颜色条对应的最低和最高传播速度分别为400和838 m·s^-1。从图 1A可知:立木无缺陷断面应力波成像图的栅格颜色均比较浅(彩图为绿色)，预示应力波在整个断面传播速度均较高。图 1B显示:立木无缺陷断面的阻抗仪曲线图在整个树干范围内都是比较平稳、致密的曲线。图 1B中，阻力曲线起始阶段非常低，阻力接近于零，是由于测针开始是在树干外部运行，还未接触到树干。

依据Arbotom成像系统和阻抗仪对样本立木的检测结果，对样本立木被测断面的内部缺陷状况进行估计，判断被测断面是否含有腐朽等缺陷，对估计结果进行统计，如表 2。

由于立木内部缺陷形式比较复杂，不同位置、不同程度的缺陷对应力波和超声波的传播影响均不相同，因此下面着重研究立木无缺陷断面的应力波和超声波传播特性，力求找到应力波和超声波在健康立木内部传播的规律。

2.2 立木无缺陷断面不同路径超声波和应力波传播速度分析 2.2.1 超声波传播速度的获取

通过运用RSM-SY5超声波检测仪对立木被测断面的8个点进行逐一测试，得到了每2个点间的超声波传播波形。在RSM-SY5超声波检测仪自带的软件中对波形进行分析，拾取波形中的首波位置，即可得到超声波在立木内部的传播时间，如图 2。采用此方法对每一个波形进行处理，立木测试断面内每2个测试点间的超声波传播时间即可获得。

采用Arbotom仪器对立木进行检测时，测试点位置与超声波检测时相同，而Arbotom自带软件能够依据两传感器间的弧线距离计算出二者之间的直线距离。当立木断面近似于圆时，Arbotom能够非常准确地依据圆周上两两测点间的弧线距离计算其直线距离; 当立木断面为非规则形状时，Arbotom也能够依据实际情况调整测点间弧线的弧度及凹凸状况，进而比较准确地计算测点间的直线距离。因此，参照Arbotom自带软件计算出来的两两传感器间的距离数据，再利用超声波传播时间，即可计算出超声波在立木被测断面内每2个传感器间的传播速度。

由于计算应力波和超声波传播速度所采用的是同一组距离数据，因此能够保证在同一条件下对应力波和超声波进行对比分析。

2.2.2 立木无缺陷断面不同路径超声波和应力波传播速度统计

采用8个测试点对立木进行测试时，波在立木测试断面内有4种不同的传播路径，如图 3所示。图 3中，Path A是波在相邻2个测试点间传播，Path B是波在相隔1个测试点的2个测试点间传播，Path C是波在相隔2个测试点的2个测试点间传播，Path D是波在立木横断面内径向传播。在利用应力波或超声波对立木内部腐朽等缺陷进行估计，进而利用图像重构进行缺陷识别时，目前主要是采用波在横断面内不同方向传播的速度，构成矩阵，再依据图像重构算法实现立木内部缺陷二维或三维的(杨学春等，2007)。因此，对立木断面内不同传播方向传播速度的变化规律进行研究是非常必要的。通过对小叶杨、榆树等4个树种无缺陷断面不同路径的应力波和超声波传播速度进行统计分析，结果见表 3。表 3中，第2列是每一树种的无缺陷断面数目与传播路径数目的乘积。由于木材是各向异性材料，不同的样本立木存在不同的含水率、密度及纹理构造等，波在不同的样本立木中传播也会受到这些因素的影响，因而表 3中所列的4种不同路径的应力波和超声波传播速度的标准差值较大。尽管不同样本立木中波的传播速度存在差异，但是波以4种不同路径传播的速度变化规律是相同的。

2.2.3 立木无缺陷断面不同路径超声波和应力波传播速度变化规律

以4种传播路径(图 3)为横轴，对表 3中每一树种在不同传播路径的应力波和超声波传播速度平均值进行作图分析，如图 4，5。图 4显示:在4种立木健康横断面内，应力波沿Path A传播时速度最慢，而沿Path D传播时速度最快，即应力波在立木的径向传播速度最快，从Path A到Path D应力波传播速度呈递增的变化趋势。对图 5分析可知:超声波与应力波传播具有类似的规律，从Path A到Path D超声波传播速度同样呈递增的变化趋势。

对这4个树种进行对比分析发现，超声波与应力波具有相似的传播特性，即二者在榆树和水曲柳中的传播速度均较高，而在旱柳和小叶杨中的传播速度均较低，其中在小叶杨中的传播速度则要更低一些。不同树种中波的传播速度不同，可能与树种的密度、含水率以及内部结构有关。

2.2.4 立木无缺陷断面不同路径超声波和应力波传播速度对比分析

对比图 4，5可知: Arbotom测得的应力波传播速度均要低于RSM-SY5所测的超声波传播速度。二者在立木无缺陷断面不同路径传播速度的差值，见图 6。图 6显示:超声波速度均要高出应力波速度350 m·s^-1以上。其中，沿Path B传播速度差值最大，Path A和Path D差值较小。

另外，与以往学者所测应力波数据相比，Arbotom所测数值也略低一些。Divos等(2002)利用FAKOPP Microsecond timer测得常温下应力波在健康黑杨(Populus nigra)的径向传播速度为1 140 m·s^-1。Mattheck等(1993)利用Metriguard Stress Wave Timer研究应力波在健康立木中的径向传播速度分别为：柳树(Salix matsudana)912~1 333 m·s^-1，白蜡树(Fraxinus chinensis) 1 162~1 379 m·s^-1，黑杨869~1 057 m·s^-1。由于水曲柳与白蜡树属于同一属，因此可进行对比分析。

2.2.5 立木无缺陷断面超声波和应力波径向传播速度相关性分析

应用SPSS软件，采用一元线性回归方法，对应力波和超声波在小叶杨、榆树等4种立木健康横断面的径向传播速度进行回归分析，分析二者之间的相关性，结果如图 7和表 4。图 7显示: 4种立木样本中应力波与超声波径向传播速度之间均呈现显著正相关，决定系数R²都在0.77以上，见表 4。

尽管采用Arbotom仪器所测得的应力波传播速度比RSM-SY5检测仪得到的超声波速度要低很多，但由于二者之间具有非常显著的相关性，表明二者在立木内部的传播速度变化规律是类似的，进一步分析则可知依据这2种仪器所测得的数据对立木进行无损检测都是可行的。

3 结论

1) 采用8个测试点对立木进行测试时，超声波和应力波在立木无缺陷断面具有类似的传播规律，即沿Path A(相邻两传感器)传播时速度最低，沿Path D(径向传播)传播时速度最高，从Path A到Path D传播速度呈递增的变化趋势。

2) 对于小叶杨、榆树、旱柳、水曲柳等4种立木，Arbotom仪器测得的无缺陷断面应力波径向传播速度平均值分别为788.46，1 025.45，940.62和1 146.06 m·s^-1; RSM-SY5检测仪测得的超声波径向传播速度平均值分别为1 159.57，1 537.5，1 323.15和1 558.6 m·s^-1。

3) 尽管Arbotom和RSM-SY5测得的应力波和超声波传播速度差值较大，但二者的径向传播速度具有显著正相关性，决定系数R²均在0.77以上。因此采用这2种仪器对立木进行无损检测都是可行的。