应力波无损检测方法从20世纪60年代开始引入到林业工程领域，经过40多年的理论和实践研究，在木材缺陷的判断、木材力学性质的评价等方面得到了比较广泛的应用(杨学春等，2002; 陈载永等，1996a; 1996b; 1996c; 1997a; 1997b; Ross et al., 1988; 1994a; 1994b; 1996; 1997; 波直道等，1992a; 1992b; 1993)。应力波传播时间与原木缺陷孔径大小、数量呈正相关，而传播速度与孔径大小、数量呈负相关(杨学春，2004)。随着节子直径和数量的增加、生长率的增大，应力波传播速度下降。对于无节子试件，应力波传播速度具有随密度和晚材率的增加而增加的趋势; 但对于有节子试件，应力波速度随密度的增加反而减小且对晚材率的影响不显著。生长轮角度对应力波纵向传播速度影响不大(司慧等，2007; 司慧，2008)。应力波在气干的健康胡杨(Populus euphratica)中的传播速度随树龄增加呈对数的递增趋势，两者的相关性达显著性水平; 应力波波速由髓心到树皮也呈对数的增加趋势，两者的相关性达极显著水平(梁善庆，2008)。由于原木内部组织结构比较复杂，又属于非均匀物体，同一原木的不同部位、不同方向的物理性质也不相同，应力波传播机制也不尽相同。本文以健康的杨树(Populus spp.)和落叶松(Larix gmelinii)原木试件为研究对象，利用Arbotom和Fakopp应力波测试仪，研究了应力波在这2种原木试件中径向、弦向和纵向(心材和边材)传播速度之间的关系以及径向传播速度和直径、弦向传播速度和检测角之间的相关关系。

1 材料与方法

杨树和落叶松原木样本各27个，采自黑龙江省方正林业局先锋林场。原木试件无腐朽、开裂且树干通直。杨树原木的直径为8~28 cm，树龄26年; 落叶松原木的直径为4~25 cm，树龄22年。原木试件长度均为1 m。

采用德国Frank Rinn公司生产的Arbotom和匈牙利Fakopp公司生产的Fakopp应力波测试仪，针对杨树和落叶松原木及其不同部位(边材和心材)应力波传播速度进行研究。这2种应力波测试仪的基本原理相同，都是利用脉冲锤撞击被测木材，使其内部产生应力波的传播，通过测定应力波传播速度和传播时间的变化来确定木质材料的性质(如弹性模量和缺陷等) (杨学春，2004)。为了便于同时采集信息，在试验中通过Arbotom应力波测试仪采集应力波弦向和径向传播速度及传播时间，通过Fakopp应力波测试仪分别采集应力波原木纵向心材和边材传播速度及传播时间。

2 结果与分析 2.1 原木直径对应力波径向传播速度的影响

对杨树和落叶松原木试件进行应力波径向传播速度试验测得的原始数据进行统计整理，见表 1。2种原木试件直径与应力波径向传播速度回归模型如图 1所示，相应的数学表达式和相关系数分别为，杨树: y = 7.689x + 489.554，R² = 0.625;落叶松: y = 16.229x + 361.550，R² = 0.715。可以看出:在健康的杨树和落叶松原木中，应力波径向传播速度和直径之间存在线性相关性，即随着直径的增加应力波径向传播速度也随之增大，并且这种趋势在落叶松中表现得较为显著。这种情况与杨树和落叶松这2种木材内部组织结构和树木生长率有密切的关系，落叶松是典型无管孔的针叶材，而杨树则是阔叶材，组织结构和树木生长率的不同导致含水率和密度的差异，从而使应力波在其中的传播速度受到影响。

2.2 应力波在原木试件纵向心材和边材上传播速度的比较

使用Fakopp应力波测试仪分别对各试件的心材和边材进行测试，获得应力波在杨树和落叶松原木试件纵向心材和边材中的传播时间和传播速度，如图 2所示。从图中可以发现:应力波在杨树和落叶松中的纵向边材传播速度都比心材中的大，这是由于原木心边材的密度、弹性模量和含水率差异影响所致，试验选取的杨树和落叶松原木试件中经测试其纵向边材的弹性模量都比心材的大。一般针叶材生材的边材含水率大于心材，阔叶材比较复杂，可以是心材含水率大于边材，也可能出现边材含水率大于心材(李坚，2002)。在试验中，落叶松原木边材含水率比心材的大，而杨树原木的心材含水率比边材的大。除上述原因之外，传感器钉入木材深度不同也会造成传播速度的不同，不同的传播路径、木材直径大小都会对传播速度产生影响并导致传播速度出现差异(壮世滋等，1997a; 1997b)。

2.3 应力波在原木试件中径向和纵向传播速度的关系

杨树和落叶松原木试件中应力波径向、纵向心材和边材传播速度阈值及相互之间的关系如表 2所示。可以看出:应力波纵向传播速度要远远大于径向传播速度，这主要受木材内部组织结构的影响，应力波沿木材纤维方向传播速度较其他方向要快。

2.4 应力波在原木试件中弦向传播速度和检测角的关系

如图 3所示，假设原木的端面均为标准圆形，以0检测点为激发点沿逆时针方向依次检测到最后一点，各点在圆盘上的路径可以通过角度变化表示，分别为1π/8，1π/6，1π/4，1π/3，3π/8，1π/2，5π/8，2π/3，3π/4，5π/6和7π/8。

由于木材内部组织结构的复杂性，应力波在相同树种中的弦向传播速度随着检测角的不同也发生变化。以应力波在原木试件中弦向传播速度y为因变量、检测角x为自变量进行回归统计，所得的回归方程及相关系数见表 3，回归模型如图 3所示。可以得出:应力波在原木试件中弦向传播速度与检测角的大小有密切关系，即随着检测角的增大，弦向传播速度先增大，到90°左右(径向)时达到峰值，然后再逐渐减小。应力波在杨树和落叶松中的弦向传播速度和检测角呈现二次函数的变化规律，这与木材生长轮的疏密程度、心边材的密度和含水率变化有直接关系，同时树木在生长过程中的立地条件、造林和营林措施等不同所导致的木材构造和化学成分的差异也会对应力波在弦向的传播产生影响(成俊卿，1985; 李坚，1991)。应力波在健康的气干胡杨圆盘弦向上的传播速度与检测角之间的关系呈现类似的规律(梁善庆，2008)。

3 结论

1) 应力波径向传播速度和直径之间存在线性相关性，且随着直径的增加应力波径向传播速度也随之增大;

2) 应力波在杨树和落叶松原木试件纵向边材中的传播速度比在相应的心材中的传播速度要大;

3) 应力波纵向传播速度要远远大于径向，通过试验得出的应力波纵向心材和边材传播速度与径向传播速度比的域值，进而可以通过应力波径向传播速度预测其纵向心材和边材的速度范围;

4) 应力波弦向传播速度与检测角有极显著的相关性，并且应力波在这2种树种中的弦向传播速度与检测角都呈现二次函数的关系，即随着检测角的增大，弦向传播速度先增大，到90°左右时达到峰值，然后再逐渐减小，这与木材内部的组织结构和生长环境都有密切的关系。