秦麗麗，苗媛媛，劉鎮(zhèn)波

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040)

泡桐木材主要物理特征及化學(xué)組分對其聲學(xué)振動性能的影響

秦麗麗，苗媛媛，劉鎮(zhèn)波*

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040)

為探究泡桐木材主要物理特征(生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差、密度)以及主要化學(xué)組分對其聲學(xué)振動性能影響的內(nèi)在規(guī)律，本文采用傳統(tǒng)的物理實驗方法(參照木材密度測定方法GB/T 1933-2009)和化學(xué)實驗方法(參照木材綜纖維素和酸不溶木質(zhì)素含量測定近紅外光譜法LY/T 2151-2013)，測定泡桐的密度和主要化學(xué)組分(綜纖維素、木質(zhì)素、抽提物)的含量。利用多通道FFT分析儀對泡桐板材的聲學(xué)振動性能參數(shù)動彈性模量、聲阻抗、聲輻射強(qiáng)度等進(jìn)行測定，通過一元線性回歸或二元線性回歸方程分別分析木材主要生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差、密度、不同化學(xué)組分含量與木材聲學(xué)振動參數(shù)動彈性模量、聲阻抗、聲輻射品質(zhì)常數(shù)的相關(guān)性及變化趨勢，得出：對于泡桐樂器共鳴板選材時，泡桐木材生長輪寬度變異系數(shù)在3.0～5.5，且變異系數(shù)越小即生長輪寬度越均勻；密度在0.225 g/cm3時，泡桐木材的綜纖維素含量約在75%，木質(zhì)素的含量約在18%，1%NaOH抽提物約在20%時，其聲學(xué)振動性能最好。

泡桐；宏觀構(gòu)造特征；主要化學(xué)組分；動彈性模量；聲阻抗；聲輻射品質(zhì)常數(shù)

0 引言

隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，越來越多的人追求精神娛樂生活。而樂器作為人類一種高雅的娛樂器具，越來越受人們的歡迎，這就促進(jìn)了樂器行業(yè)的快速發(fā)展。樂器行業(yè)中除銅管樂器外，幾乎所有的樂器生產(chǎn)都離不開木材，木材的性能在很大程度上直接決定了樂器的質(zhì)量。但優(yōu)良樂器材日益稀缺，嚴(yán)重影響了樂器行業(yè)的快速發(fā)展[1-2]。一般優(yōu)良的樂器材要求聲輻射品質(zhì)常數(shù)大、密度小、傳聲速度快、比動彈性模量大、內(nèi)摩擦能量損耗低、聲阻抗小等特性[3-4]。這是因為聲輻射品質(zhì)常數(shù)是木材音響和音質(zhì)好壞的重要基礎(chǔ)，而內(nèi)摩擦系數(shù)、聲阻抗等則是木材發(fā)音長短以及傳播效果的決定因素，因此，在考慮木材作為音質(zhì)材料時，必須了解木材的這些聲學(xué)性能。

木材的聲學(xué)性能主要受其物理構(gòu)造特征、化學(xué)屬性的影響。前人在木材物理宏微觀構(gòu)造特征對聲學(xué)性能影響方面開展了大量的研究[5]，主要包括采用聲波激發(fā)試樣振動方法測定了31種樹種木材的聲學(xué)振動性能，并分析得出對數(shù)衰減隨含水率增加而加快，聲輻射阻尼隨密度增大而減小[6]。采用脈沖聲波法測定木材的聲速，并進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度試驗，求得兩者間的回歸關(guān)系[7]。對影響木材聲速的因子以及聲速在弦向、徑向、縱向上的差異得出結(jié)論和討論[8]。測定不同樹種木材的聲學(xué)振動指標(biāo)的變異規(guī)律及影響因子，發(fā)現(xiàn)不同樹種因構(gòu)造特征不同，聲學(xué)性能差異很大，甚至同一株木材不同部位，也存在著很大的差異[9]。久保島吉貴在研究中發(fā)現(xiàn)木材密度、纖維素結(jié)晶度與動彈性模量呈負(fù)線性相關(guān)[10]。

另外，在改善樂器材聲學(xué)性能方面，也有許多學(xué)者進(jìn)行了探究[11-13]，如日本H.Yanao[13]等采用不同濃度的水楊醇浸入西加云杉與氣態(tài)甲醛反應(yīng)來控制管弦樂器的音質(zhì)，經(jīng)水楊醇甲醛處理后板材的密度稍有增加的同時比動態(tài)彈性模量大幅增加，動力損耗角正切值降低，從而提高了共鳴板的振動效率，甲醛與綜纖維素的羥基反應(yīng)，板材的吸濕性顯著降低提高了木材尺寸穩(wěn)定性。受焦尾琴的啟發(fā)，采用高溫?zé)崽幚砟静?，木材在高溫處理過程中木材內(nèi)部化學(xué)成分發(fā)生降解，內(nèi)含物揮發(fā)排出降低了密度，半纖維素部分分解降低了木材吸濕性能提高了板材的尺寸穩(wěn)定性[14-15]。

在這些研究中，忽略了木材本身的化學(xué)屬性對木材聲學(xué)性能的影響，木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，總量占木材的90%[16]以上，次要成分包括抽提物、灰分等，其對木材的性能和利用影響較大[17]。因此，開展化學(xué)屬性對木材聲學(xué)性能影響的研究，弄清木材振動特性的內(nèi)在機(jī)理，十分必要。此外，在前人的研究中，泡桐木材的研究較少，尤其是對泡桐的本身屬性與振動性能之間關(guān)系的研究更是很少開展。本文結(jié)合泡桐主要木材宏觀特征及主要化學(xué)組分與聲學(xué)振動性能之間關(guān)系進(jìn)行研究，旨在為樂器合理選材以及今后的聲學(xué)改性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試樣的制備

試驗以泡桐(P.elongata)為研究對象，將試件長期氣干放置后，選取60塊不同規(guī)格尺寸的板材進(jìn)行表面刨光、平整處理，并測量其長度、寬度、厚度以及年輪寬度和個數(shù)，并稱取重量，計算氣干密度(見表1)。然后在溫度為20℃，空氣相對濕度為65%的環(huán)境中，將試件的含水率調(diào)節(jié)到平衡含水率。在聲學(xué)參數(shù)測定之后，從中選取18塊板材，并在兩端和中間分別截取截長2cm的木塊，劈成木條后粉碎成木粉，篩取40～60目木粉作為化學(xué)成分含量測定試樣，(3個部位所取木粉化學(xué)成分含量求平均值)。

表1 泡桐木材試件基本數(shù)據(jù)

1.2 試驗方法

木材聲學(xué)性質(zhì)測定：基于梁的振動理論，采用兩端自由的邊界條件，用快速傅里葉變換頻譜分析儀(FFT)測定木材的各項聲學(xué)振動性能[18]。如圖1所示，在試樣振動節(jié)點處用彈力三角架將試件水平支起，支撐點距試件端頭長度為試件總長度的0.224倍，用小錘片敲擊試件的一端或中心部，試件另一端下方放置接受裝置，接收裝置將接收信號通過前置放大器、濾波器后，由FFT分析處理得到共振頻率的預(yù)讀值；再由A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)信號，將振動波形的離散信號數(shù)據(jù)序列傳入計算機(jī)，由專用軟件進(jìn)行處理；得到動彈性模量E、聲阻抗ω、聲輻射強(qiáng)度R等聲學(xué)振動性能參數(shù)等各項特性參數(shù)。其中，動彈性模量E代表木材振動加速度，聲阻抗ω與木材振動的響應(yīng)時間有關(guān)，聲輻射品質(zhì)常數(shù)R代表木材最大限度向空氣輻射聲能的能量。通常E和R越大，ω越小，木材振動效率越高。

圖1 木材共振頻率測定實驗原理圖Fig.1 Schematic diagram for the determination of resonance frequency wood

木材化學(xué)性質(zhì)測定：采用LY/T 2151-2013國家標(biāo)準(zhǔn)測定木材的綜纖維素含量、木質(zhì)素含量、各種抽提物等化學(xué)屬性，每個試樣同時做3份平行樣測定，取其平均值作為測定結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡桐年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差、密度與聲學(xué)振動參數(shù)之間的關(guān)系

圖2 生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差與動彈性模量之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between standard deviation of growth ring width and dynamic elastic modulus

木材的生長輪因受氣候條件、地理環(huán)境和遺傳因素等多種條件限制，其寬度就會發(fā)生變異，而生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差則代表其變異程度，即生長輪寬度的均勻性。為研究生長輪寬度的均勻性對泡桐木材主要聲學(xué)振動參數(shù)的影響，通過對泡桐木材生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差與木材動彈性模量、聲阻抗、聲輻射品質(zhì)常數(shù)的關(guān)系做散點圖，并擬合曲線，如圖2～圖4所示。隨著生長輪寬度差異的增加，木材動彈性模量E和聲阻抗ω均呈小幅度增加的趨勢，聲輻射品質(zhì)常數(shù)R則呈現(xiàn)小幅度下降的趨勢。在樂器選材時，通常選用E和R較大，ω較小者有利于提高木材的振動效率，使木材獲得的能量能最大限度地用于向空氣中輻射聲能，獲得的聲音音量大且持久性強(qiáng)。綜合考慮，當(dāng)年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差在3.0～5.5，且越小時，泡桐木材的聲輻射品質(zhì)常數(shù)R較大，聲阻抗ω較小，動彈性模量E較適中，其聲學(xué)振動性能較好。即木材年輪寬度均勻性對木材聲學(xué)振動性能具有一定的影響，且年輪寬度差異較小時，年輪寬度越均勻，木材動彈性模量E、聲輻射品質(zhì)常數(shù)R較大，聲阻抗ω較小，木材的聲學(xué)振動性能較好。

圖3 生長輪標(biāo)準(zhǔn)差與聲阻抗之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between standard deviation of growth ring width and acoustic impedance

圖4 生長輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between standard deviation of growth ring width and acoustic radiation damping

圖5 密度與動彈性模量之間的關(guān)系Fig.5 The relationship between density and dynamic elastic modulus

圖6 密度與聲阻抗之間的關(guān)系Fig.6 The relationship between density and acoustic impedance

圖7 密度與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between density and acoustic radiation damping

2.2 泡桐的綜纖維素含量與聲學(xué)振動參數(shù)之間的關(guān)系

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是構(gòu)成木材的三大主要成分，與木材的構(gòu)造特征、物理及化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。研究三者與木材聲學(xué)振動性能之間的關(guān)系，有利于今后進(jìn)一步開展木材聲學(xué)改性的研究，為其提供一定的科學(xué)理論依據(jù)。

從圖8和圖9可以看出，動彈性模量E和聲阻抗ω隨著綜纖維素含量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，且均在綜纖維素含量65%左右時達(dá)到最大值，最大值分別為8.1 GPa、1.61×106(Pa·s/m)，在含量為85%時，達(dá)到最小值，分別為5.2 GPa、1.21×106(Pa·s/m)。相反，木材聲輻射品質(zhì)常數(shù)R則隨著綜纖維素含量的增加呈線性增加，最大值和最小值分別為16(m3/Pa·s3)和22(m3/Pa·s3)。這說明綜纖維素含量的多少對木材聲學(xué)振動性能的好壞產(chǎn)生一定的影響，綜纖維素含量越高，木材聲輻射能越大，獲得的聲音音量越大，越持久。但其振動加速度減小，振動響應(yīng)時間加長，不利于提高泡桐木材的聲學(xué)振動效率。也就是說并不是綜纖維素含量越高，木材的聲學(xué)振動性能越好，而是有一個閾值，在此閾值范圍內(nèi)，泡桐木材的聲學(xué)振動性能較好。此時木材發(fā)音較長，聲音傳播效果較好。綜合考慮，當(dāng)泡桐木材綜纖維素含量達(dá)到75%時，其聲學(xué)振動性能最好。

圖8 綜纖維素含量與動彈性模量之間的關(guān)系Fig.8 The relationship between the holocellulose content and dynamic elastic modulus

圖9 綜纖維素含量與聲阻抗之間的關(guān)系Fig.9 The relationship between the holocellulose content and acoustic impedance

2.3 泡桐的木質(zhì)素含量與聲學(xué)振動參數(shù)之間的關(guān)系

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，泡桐木材動彈性模量E和聲阻抗ω均隨著木質(zhì)素含量的增加，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且在木質(zhì)素含量在18%左右時木材聲學(xué)振動性能較好(如圖11和圖12所示)。同時采用一元二次方程、線性回歸方程兩種分析模型，對泡桐木材的木質(zhì)素含量與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，見表2，發(fā)現(xiàn)二者之間的相關(guān)性較差，沒有較為明顯的關(guān)系。說明木質(zhì)素的含量對木材聲學(xué)品質(zhì)常數(shù)沒有影響。

圖10 綜纖維素含量與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系Fig.10 The relationship between the holocellulose content and acoustic radiation damping

圖11 木質(zhì)素含量與動彈性模量之間的關(guān)系Fig.11 The relationship between the lignin content and dynamic elastic modulus

圖12 木質(zhì)素含量與聲阻抗之間的關(guān)系Fig.12 The relationship between the lignin content and acoustic impedance

表2 木質(zhì)素含量與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系

注：x為1%NaOH抽提物含量，y為木材聲學(xué)振動參數(shù)

2.4 泡桐的抽提物含量與聲學(xué)振動參數(shù)之間的關(guān)系

樂器共鳴板的質(zhì)量，很大程度上取決于木材的聲共振性，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，為了制造優(yōu)質(zhì)樂器，宜實用存放多年的木材為樂器原料。因為長期貯存而“陳化”的木材，其中的抽提物部分分解或去除，有助于改善木材的聲學(xué)性能。在研究抽提物對木材強(qiáng)度的影響，有人研究表明，北美紅杉木的抗彎強(qiáng)度與抽提物的含量無關(guān)，而彈性模量隨著抽提物含量的增加而減少。Masahiro等將巴西木抽提物注入到西加云杉板材中，檢測發(fā)現(xiàn)損耗角正切減小到原來的一半，主要由于抽提物浸入到木材細(xì)胞壁的非結(jié)晶區(qū)從而增加了非結(jié)晶區(qū)的連續(xù)性降低了損耗角正切值[21]。在前人對泡桐化學(xué)成分的研究中發(fā)現(xiàn)，在泡桐幾種抽提物中，1%NaOH抽提物含量最多[22]。因此本文重點泡桐木材1%NaOH抽提物含量對其聲學(xué)振動性能的影響。

結(jié)果表明：隨著泡桐木材1%NaOH抽提物含量的增加，泡桐木材動彈性模量E和聲阻抗ω均呈現(xiàn)減小趨勢，且前者減小的幅度大于后者(如圖13和圖14所示)，即泡桐木材1%NaOH抽提物含量越多，動彈性模量E和聲阻抗ω越小，這一變化規(guī)律有利于提高木材振動響應(yīng)時間，但是降低了其振動加速度，且提高的幅度小于降低的幅度。

圖13 1% NaOH抽提物含量與動彈性模量之間的關(guān)系Fig.13 The relationship between the 1% NaOH extract content and dynamic elastic modulus

圖14 1% NaOH抽提物含量與聲阻抗之間的關(guān)系Fig.14 The relationship between the 1% NaOH extract content and acoustic impedance

對泡桐木材1%NaOH抽提物含量與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)二者之間的相關(guān)性較差，沒有較為明顯的關(guān)系，見表3，泡桐木材1%NaOH抽提物含量對聲輻射品質(zhì)常數(shù)R影響作用較小。綜合考慮，認(rèn)為當(dāng)1% NaOH抽提物含量較低時，即20%左右時，泡桐木材的聲學(xué)振動性能較好。

表3 1% NaOH與聲輻射品質(zhì)常數(shù)之間的關(guān)系

注：x為1%NaOH抽提物含量，y為木材聲學(xué)振動參數(shù)

3 結(jié)論

通過本文研究得出如下結(jié)論：

(1)泡桐木材年輪寬度標(biāo)準(zhǔn)差在3～5.5，且越小，其生長輪寬度越均勻，木材的聲學(xué)振動性能越好。

(2)從振動性能參數(shù)看，動彈性模量E、聲阻抗ω均隨著木材密度的增大而增大，聲輻射品質(zhì)常數(shù)R隨著密度的增大而減小，綜合考慮，對于泡桐木材選材時，密度在0.225g/cm3時，聲學(xué)振動性能最好。

(3)綜纖維素含量、木質(zhì)素都與木材聲學(xué)性能密切相關(guān)，隨著綜纖維素含量的增加動彈性模量E和聲阻抗ω呈現(xiàn)減小的趨勢。而隨著木質(zhì)素含量的增加，兩者均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，但綜纖維素和木質(zhì)素的含量均對聲輻射品質(zhì)常數(shù)R沒有太大的影響。當(dāng)泡桐木材綜纖維素含量達(dá)到75%，木質(zhì)素的含量在18%時，泡桐木材聲學(xué)振動性能最好。

(4)泡桐木材1%NaOH抽提物含量對其聲學(xué)性能也產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)1%NaOH抽提物含量較低時，即20%時，泡桐木材的聲學(xué)振動性能較好。

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Influence of The Main Pysical Characteristics and Components Content ofP.elongataon Acoustic Vibration Performance

Qin Lili，Miao Yuanyuan，Liu Zhenbo*

(College of Material Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to explore the influence regular of wood growth ring width，variable coefficient，density and the main chemical components ofP.elongataon acoustic vibration performance，the paper used the traditional physical and chemical experiment methods to measure the main chemical components content ofP.elongata(holocellulose，lignin，and extract content).The acoustic vibration parameters including dynamic elastic modulusE，acoustic impedanceωand acoustic radiation dampingRwere measured using the multi-channel fast Fourier transform analyzer.The correlation and variation trend between the wood growth ring width standard deviation，density，different chemical components content and acoustic vibration parameters were analyzed by single or binary linear regression equation.The results showed that while choosing theP.Elongatainstrument soundboard，the variable coefficient of wood growth ring width was between 3.0 to 5.5，the smaller the coefficient，the more uniform the width.The vibration performance was the best while the density was about 0.225 g/cm3，the holocellulose content was about 75%，the lignin content was about 18% and 1% NaOH extract content was about 20%.

P.Elongata；macroscopic structure characteristics；main chemical components；dynamic elastic modulus；acoustic impedance；acoustic radiation damping

2017-03-06

國家自然科學(xué)基金(31670559)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金項目(2572016EBJ1)

秦麗麗，碩士研究生。研究方向：木材物理學(xué)

*通信作者：劉鎮(zhèn)波，博士，教授。研究方向：木材物理學(xué)。E-mail：liu.zhenbo@foxmail.com

秦麗麗，苗媛媛，劉鎮(zhèn)波.泡桐木材主要物理特征及化學(xué)組分對其聲學(xué)振動性能的影響[J].森林工程，2017，33(4)：34-39.

S 781.9

A

1001-005X(2017)04-0000-00