徐 敏

(渭南師范學(xué)院，陜西 渭南 714000)

樂器是音樂創(chuàng)作和傳播過程中不可缺少的，傳統(tǒng)樂器制作材料一般為傳聲性能較好的木材；但受木材種類和木材年份的影響，適合制作樂器的木材越來越少。同時(shí)，大量天然木材的消耗也不符合現(xiàn)代環(huán)保的主體。尋找一種替代天然木材制作樂器的材料是目前較為重要的研究課題。有學(xué)者嘗試經(jīng)過物理、化學(xué)和生物等處理方法對(duì)聲學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的木材進(jìn)行改性，優(yōu)化其聲學(xué)性能[1]。但影響木材聲學(xué)性能的因素有很多，僅憑單一改性方法難以達(dá)到制作樂器的聲學(xué)要求。采用冷壓法制作了木質(zhì)-復(fù)合材料，并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究了其聲學(xué)性能的變化；結(jié)果表明，纖維能有效增強(qiáng)木材的聲學(xué)性能，制作的復(fù)合材料基礎(chǔ)性能滿足樂器制作要求[2]。基于此，本研究參考文獻(xiàn)[2]的思路，以亞麻纖維為增強(qiáng)材料，制作復(fù)合材料，并對(duì)其阻尼系數(shù)進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：亞麻纖維墊(佳愉紡織，表面密度210 g/m2)、聚乳酸樹脂(億強(qiáng)塑化科技，標(biāo)準(zhǔn)品)、氫氧化鈉(CP，利元化工)。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：CT-0電熱鼓風(fēng)干燥箱(淮騰機(jī)械科技)、HZ-1003B拉力試驗(yàn)機(jī)(力顯儀器科技)、DMA2980動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(美國(guó)TA INSTRUMENTS)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1復(fù)合材料的準(zhǔn)備

水處理纖維：將大麻和亞麻非織造纖維墊放入去離子水中浸泡30 min，自然風(fēng)干48 h，得到水處理的纖維待用。

堿處理纖維；將大麻和亞麻非織造纖維墊放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的強(qiáng)氫氧化鈉中浸泡180 min，然后用去離子水沖洗多次，自然風(fēng)干48 h，得到堿處理纖維待用。

1.2.2復(fù)合材料的制備

(1)本研究采用層疊加壓，制備復(fù)合材料。具體過程為：將聚乳酸樹脂薄膜切割成尺寸為6 mm×8 mm大小，纖維墊切割成8 mm×12 mm大小，將聚乳酸樹脂薄膜與風(fēng)干纖維交替堆放；

(2)用薄金屬板和夾鉗對(duì)復(fù)合材料施加壓力并提升溫度至200 ℃，完成加熱壓縮過程。然后放入真空干燥箱內(nèi)，在溫度200 ℃條件下烘干40 min；

(3)取出樣品后置于常溫冷水中快速降溫，5 min后取出，得到復(fù)合材料，具體制作過程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料的制作過程Fig.1 Manufacturing process of green materials

1.3 性能測(cè)試

1.3.1拉伸性能

參照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)[3]。具體過程為：將樣品制作成10 mm×3 mm×100 mm大小，用HZ-1003B型電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。拉力試驗(yàn)機(jī)參數(shù)為：測(cè)力傳感器為500 kg，標(biāo)距長(zhǎng)度為50 mm，十字頭速度為2 mm/min。

聲音傳播速度表達(dá)式為[4]：

(1)

式中：c為聲音傳播速度；E為模量；ρ為密度。

1.3.2抗彎性能

參照ASTM D 790-03進(jìn)行3點(diǎn)彎曲抗彎測(cè)試[5]。樣品尺寸為13 mm×3 mm×80 mm，拉力試驗(yàn)機(jī)參數(shù)與拉伸性能試驗(yàn)一致，支撐跨距為36 mm。

1.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試

將復(fù)合材料樣品裁剪為13 mm×3 mm×60 mm大小，將桃花心木樣品裁剪成14 mm×4 mm×60 mm大小，用動(dòng)態(tài)分析儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試[6]。因本研究制作的復(fù)合材料主要用于樂器的制作，將頻率設(shè)置為吉他弦頻率測(cè)試材料阻尼性能[7]。具體為：E調(diào)為82 Hz，A調(diào)為110.0 Hz，D調(diào)為146.8 Hz，G調(diào)為196.0 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

提前對(duì)桃花心木傳播速度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：聲音在百年桃花心木紋理和垂直紋理方向模量分別為0.561、1.885 GPa，傳播速度分別為1 009.4、1 884.6 m/s；50年桃花心木紋理和垂直紋理方向模量分別為0.428、2.365 GPa，傳播速度分別為883.6、2 055.7 m/s；小于50年桃花心木紋理和垂直紋理方向模量分別為0.568、1.991 GPa，傳播速度分別為952.4、1 825.6 m/s。由此可知，聲音在豎直紋理方向傳播速度較快，這是受木材天然結(jié)構(gòu)的影響所致。為了讓樂器達(dá)到最好的聲音效果，在制作樂器的時(shí)候，一般沿木頭豎直紋理方向進(jìn)行制作。因此，要求制作的復(fù)合材料聲音傳播速度與天然桃花心木豎直紋理方向聲音傳播速度接近[8-9]。

表1為亞麻復(fù)合材料中亞麻含量對(duì)聲音傳播的影響。

表1 聲音在不同復(fù)合材料中的傳播速度Tab.1 Propagation velocity of sound in different composites

由表1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過堿處理體積分?jǐn)?shù)為15%的樣品拉伸彈性模量最大，這是因?yàn)閬喡槔w維本身具備較大的拉伸模量；當(dāng)亞麻體積分?jǐn)?shù)越小，其纖維纏結(jié)程度越小，使樹脂更容易在纖維層流動(dòng)，因此15%亞麻復(fù)合材料模量較高。堿處理后，纖維表面羥基降低，復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)合力增加，則拉伸模量整體增加[10-11]。同時(shí)，在該條件下，樹脂充分浸潤(rùn)亞麻纖維，在受荷載時(shí)，荷載以樹脂為介質(zhì)，均勻分布在纖維間，不會(huì)對(duì)復(fù)合材料造成毀滅性破壞。堿處理15%復(fù)合材料聲音傳播速度與50年以下桃花心木垂直紋理方向接近[12-13]，這可能是堿處理后，纖維與樹脂完整結(jié)合，拉伸模量上升；而聲音的傳播速度與復(fù)合材料的拉伸模量表現(xiàn)出正相關(guān)，因此經(jīng)過NaOH改性的聲音傳播速度較快。水處理方式較堿處理聲音傳播速度高，這是因?yàn)閴A處理亞麻纖維時(shí)，雖然降低了纖維表面的羥基含量；但同時(shí)，會(huì)對(duì)纖維本身的結(jié)構(gòu)造成一些影響，降低了亞麻纖維本身的拉伸模量。因此，在亞麻纖維含量相對(duì)較多時(shí)，聲音傳播速度較水處理的纖維制作的復(fù)合材料有所降低。

2.2 彎拉試驗(yàn)結(jié)果

在以上試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)50年桃花心木彎曲模量進(jìn)行測(cè)定，其彎曲模量為6.126 GPa，聲音傳播速度為2 475.2 m/s；表2為復(fù)合材料彎拉試驗(yàn)結(jié)果。

表2 復(fù)合材料彎曲模量及聲音傳播速度Tab.2 Bending modulus and sound propagation velocity of composites

由表2可知，20%亞麻復(fù)合材料性能高于15%亞麻復(fù)合材料；這是因?yàn)閬喡槔w維材料本身具備較好的彎曲性能，體系內(nèi)纖維含量越多，則材料結(jié)晶度也越高，增加了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。而20%亞麻纖維復(fù)合材料聲音傳播速度幾乎不受處理方式影響，且都與50年桃花心木傳播速度較為接近，這是因?yàn)閬喡槔w維百分比增加，纖維間互相纏結(jié)，樹脂流動(dòng)的摩擦阻力增加，復(fù)合材料界面性能上升受影響，使聲音傳播速度差別不大。

2.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖2為桃花心樣品阻尼性能比較。

圖2 不同年齡桃花心木阻尼性能Fig.2 Damping performance of mahogany at different ages

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，在本研究設(shè)定的頻率下，3種桃花心木樣品在不同頻率下，阻尼系數(shù)沒有顯著變化，且隨年份的增加，阻尼系數(shù)隨之減低。這是因?yàn)樘一ㄐ哪灸攴菰礁?，?nèi)部摩擦越低，聲音在傳播時(shí)振幅損失小，阻尼系數(shù)小。

圖3為亞麻復(fù)合材料與桃花心木阻尼性能比較，其中圖3(a)為20%亞麻復(fù)合材料阻尼系數(shù)；圖3(b)為15%亞麻復(fù)合材料阻尼系數(shù)。

圖3 亞麻復(fù)合材料與桃花心木阻尼性能比較Fig.3 Comparison of damping properties between flax composite and mahogany

由圖3可知，20%亞麻復(fù)合材料阻尼系數(shù)幾乎不受處理方式的影響，且與桃花心木的阻尼系數(shù)類似。這是因?yàn)?0%亞麻復(fù)合材料纖維較多，密度均勻，使聲音傳播時(shí)均勻損耗，因此阻尼系數(shù)并無明顯差別[14]。同時(shí)，亞麻纖維類似于木質(zhì)基本結(jié)構(gòu)，其聲音傳播方式與桃花心木類似，因此從阻尼性能方面，20%亞麻復(fù)合材料可替代桃花心木作為樂器制作材料使用。而15%亞麻復(fù)合材料在不同頻率下阻尼系數(shù)出現(xiàn)明顯變化，這可能是因?yàn)槔w維含量較低，聲音傳播損耗不穩(wěn)，則對(duì)應(yīng)的阻尼性能不穩(wěn)定。因此，可用20%亞麻纖維復(fù)合材料替代桃花心木[15]。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用層疊模壓法制作了亞麻復(fù)合材料，并研究了不同預(yù)處理方式和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的亞麻復(fù)合材料相關(guān)性能及聲音在不同材料內(nèi)的傳播速度。最后對(duì)復(fù)合材料在吉他頻率內(nèi)的阻尼性能進(jìn)行研究，確定亞麻復(fù)合材料替代桃花心木作為樂器制作材料的可行性。

(1)拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，聲音在堿處理15%亞麻復(fù)合材料中的傳播速度接近于聲音在低于50年桃花心木中的傳播速度，整體差別不大；

(2)彎拉試驗(yàn)結(jié)果表明，聲音在3種處理方式的亞麻復(fù)合材料中傳播速度差別不大，且隨亞麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聲音傳播速度提高；

(3)動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在吉他頻率條件下，20%亞麻復(fù)合材料與桃花心木材料的阻尼系數(shù)擬合度較高，且聲音傳播較為均勻，證實(shí)該復(fù)合材料可以替代桃花心木，作為樂器制作材料使用。