炭化處理對楊木聲學振動特性的影響

郭臻宇，連弘揚，李麗沙，陳春雷，劉鎮波

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

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炭化處理對楊木聲學振動特性的影響

郭臻宇，連弘揚，李麗沙，陳春雷，劉鎮波*

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱 150040)

摘要：為了探究炭化處理對木材板材聲學振動性能的影響和規律，本文對45塊白楊試件進行不同炭化溫度(170、190、210℃)和不同保溫時間(2、3、4 h)的炭化處理。采用了傅立葉變換頻振動頻譜分析儀(fast Fourier transform，FFT)測定炭化處理前后的楊木密度、比動彈性模量、聲輻射品質常數、聲阻抗及彈性模量與剪切模量比值的變化規律。結果表明：炭化處理工藝對不同的聲學振動參數有不同的影響規律，當處理溫度為210℃、保溫時間為3 h時，可以較為顯著的提高木材綜合聲學振動性能。

關鍵詞：炭化處理；聲學性能；楊木；FFT；振動

0引言

聲學品質好的木材具有優良的聲共振性和振動頻譜特性，可以借助沖擊作用通過本身的振動將聲能輻射，從而發出的樂音具有優美的音色[1]。木材振動所輻射的聲能，其音色受共振頻率(諧音的多寡和各諧音的相對強度)影響，其音調受基本頻率的高低影響，其響度受振幅大小影響，這種特性是木材能夠廣泛用于樂器音板的重要依據。木材的聲學性能主要受其物理、構造特征、化學屬性影響，前人對木材物理、宏微觀構造特征對聲學性能影響方面開展了大量的研究，但目前尚少見到炭化木在樂器共鳴板方面的應用以及炭化木聲學振動性能方面研究的報道。

炭化處理不僅使木材產生物理方面的變化，而且化學屬性改變也是密不可分[2]。在物理性質方面，接觸角增大，疏水性增強，產生應力松弛；吸濕性降低，尺寸穩定性提高，不易變形，耐氣候性顯著提高[3-4]。在化學性質上，因為腐朽菌主要通過分解降解酶從而分解木材的纖維素、木質素、半纖維素，使木材結構被破壞。半纖維素發生降解反應，纖維素結晶度增加等熱處理過程中，木材中的半纖維素先降解，隨著溫度升高大分子鏈斷裂產生了自由基，這些新產生的基團和分子作為木材的保護劑，使得木材的耐腐性能提高[5]。而且炭化木顏色美觀、耐久，內外一致，且可以模擬名貴樹種顏色[6]。炭化處理過程不添加任何化學物質為純物理技術，在木材熱處理過程中只涉及到溫度和水蒸氣，具有環保性，是環境友好型材料[7]。從而炭化處理在一定程度上改變木材的材性，顏色加深、尺度穩定性增加、力學強度提高28%以及聲學性能發生變化等[8-10]。炭化處理后僅有少量的變形：外圍管胞的直徑變化比較明顯，只有個別木材在木射線方向上的寬度有變化[11]。當前，利用炭化木的這些特點，炭化處理工藝應用于生產地熱地板[12]，也可以生產木醋酸[13]。但針對木材進行炭化處理后的聲學振動性能的變化規律的研究尚少開展。

本文以白楊木木材為研究對象，采用170、190、210℃的超高溫熱處理工藝(超高溫熱處理木材工藝是指木材熱處理溫度大于 150℃的木材性能改良技術，也稱作炭化處理)利用傅立葉變換頻振動頻譜分析儀分析木材炭化前后聲學性能指標的變化，展開炭化工藝對木材聲學性能影響的討論與研究，以期可以拓展木材炭化技術的使用范圍。

1試驗材料與方法

1.1試樣材料

選擇規格為長度(L)300 mm×寬度(R)100 mm×厚度(T)=300 mm×100 mm×30 mm的白楊木樹種(PopulustomentosaCarr)試件45塊，試件含水率為12%，試件無開裂無結疤并且無蟲蛀。在室溫下(溫度20℃，濕度60%)精確測量試件長度、寬度、厚度，并稱重算出密度。

1.2試驗方法

(1)炭化工藝。首先將烘箱預熱至80℃，將標準規格的楊木放入烘箱中。以1℃/min的升溫速度加熱烘箱使溫度達到要求的炭化溫度(170、190、210℃)，以防止木材因升溫速度過快產生應力而變形。達到預定的炭化溫度后進行保溫，保溫時間分別為2、3、4 h。保溫時間終了關閉加熱源，待試件在烘箱中自然冷卻至100℃再取出。當烘箱溫度自120℃以上時，通入氮氣(N2)作為試件的保護氣體。實驗分組見表1。

表1　炭化處理工藝分組Tab.1 Treatment process of carbonization grouping

(2)木材聲學性質測定：基于梁的振動理論，采用兩端自由的邊界條件，用快速傅立葉變換頻振動頻譜分析儀(FFT)測定炭化處理前后的木材各項聲學性能[14]。測試原理示意如圖1所示。

圖1　共鳴板素材共振頻率測定實驗原理圖Fig.1 Soundboard material resonance frequency measuring experimental diagram

(1)

從圖1可以看出在試樣波節點處用彈力三角架將試件水平支起，用小錘片敲擊試件的一端或中心部，試件另一端下方放置的信號接收裝置，接收裝置將接收到的信號通過前置放大鏡、濾波器后，由FFT分析處理得到共振頻率；再經計算得到彈性模量、剪切模量、聲阻抗、聲輻射強度等聲學振動性能參數。并通過公式(1)計算炭化前后各項振動參數的變化率。

2結果與分析

2.1炭化處理對密度的影響

經炭化處理后，木材密度的變化規律及不同工藝條件對密度影響的比較如圖2所示。

(a)

(b)

(c)圖2　炭化處理前后密度的變化Fig.2 Changes of Density before and after carbonization treatment

從圖2可以看出，經炭化處理后，楊木密度均有所降低，降低率在3.48%～8.39%范圍；從變化率上看，隨著炭化溫度的提高，密度的降低率逐步提高，即楊木密度隨著炭化溫度的增加而降低的程度越大。結合炭化溫度及保溫時間兩個因素，當保溫時間越長、炭化處理溫度越高時，密度下降越多，炭化溫度為210℃、保溫時間為4 h的條件下，試件密度降低率最大，其數值從0.465 g/cm3降到0.426 g/cm3，降低率為8.39%；炭化溫度為170℃、保溫時間為2 h的條件下，試樣密度下降最少，從0.431 g/cm3變化到0.416 g/cm3，下降了3.48%。

比較不同保溫時間對試件密度的影響可以看出，經170℃保溫時間條件下進行炭化處理后，密度降低范圍為0.015～0.018 g/cm3，降低幅度在3.48%～4.00%；在190℃條件下，密度降低范圍為0.023 ～0.025 g/cm3，降低幅度在4.83%～5.39%；在210℃條件下，密度降低范圍為0.033 ～0.039 g/cm3，降低幅度在7.11%～8.39%。

2.2炭化處理對比動彈性模量的影響

矢野浩之(1996)研究了以德國云杉作為樂器材的音響性質與機械性質，結果表明：德國云杉的上等材比動彈性模量大[15]。結果表明高比動彈性模量決定共振箱性能的最重要參數[16-17]。經炭化處理后，木材比動彈性模量的變化規律及不同工藝條件對其值的影響的比較如圖3所示。

(a)

(b)

(c)圖3　炭化處理前后比動彈性模量的變化Fig.3 Change of ratio to dynamic modulus of elasticity before and after carbonization treatment

從圖3可以看出，經炭化處理后，大部分的楊木比動彈性模量有所提高，從圖3(c)可以看出，比較不同炭化溫度之間的差異，炭化溫度為170℃時，比動彈性模量的值都呈現增大的變化規律，然而炭化溫度為190℃或者210℃都出現了少數試件的比動彈性模量的值下降的現象。在不同保溫條件下，保溫2 h對試件的比動彈性模量的影響最為顯著，比動彈性模量提高范圍為1.1%到2.2%，即從0.28 GPa到0.65 GPa；在190℃和210℃處理條件下，比動彈性模量出現有所下降的情況。

綜合比較不同的處理工藝可以得出，當炭化處理溫度為170 ℃，保溫時間2 h時，試件的比動彈性模量提高最明顯，從30.27 GPa 增長到30.93 GPa，提高率為2.2%；而在210℃的處理溫度及4 h的保溫時間條件下，試件的聲輻射品質常數從33.79 GPa 下降到33.31 GPa，減少最多，為1.4%。最佳的處理工藝為：170℃的炭化工藝和2 h的保溫時間。

2.3炭化處理對聲輻射阻尼系數的影響

根據振動學理論，為了獲得較高的振動效率，木材聲輻射品質常數的值應該越大越好[18]。聲輻射品質常數越大，木材能夠獲得的振動能量就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。炭化前后聲輻射品質常數的變化規律如圖4所示。

(a)

(b)

(c)圖4　炭化處理前后聲輻射品質常數的變化Fig.4 Change of Acoustic radiation quality constant changes before and after carbonization

從圖4可以看出，經炭化處理后，楊木的聲輻射品質常數均有所提高，比較不同處理溫度之間的差異可以看出，隨著炭化溫度的升高，聲輻射品質常數的增大率呈現增大的變化規律，即聲輻射品質常數隨著炭化溫度的增加而增加。從圖4(c)可以看出，炭化處理溫度為210℃時，對試件聲輻射品質常數的影響最為顯著，在不同保溫條件下，聲輻射品質常數提高范圍為1.004～1.311 m4/kg·s，提高率為8.27%～9.89%；當炭化處理溫度為190℃時，聲輻射品質常數提高范圍為0.589 m4/kg·s，其提高率為4.90%～5.16%；而在170℃處理條件下，聲輻射品質常數提高范圍為0.568～0.627 m4/kg·s。提高率為4.69%～5.24%。

綜合比較不同的處理工藝可以得出，當炭化處理溫度為210℃，保溫時間為3 h時，試件聲輻射品質常數提高最明顯，從13.250 m4/kg·s增長到14.561 m4/kg·s，提高率為9.89%；而在170℃的處理溫度及4 h的保溫時間條件下，試件聲輻射品質常數從12.230 m4/kg·s提高到12.983 m4/kg·s，提高率最小，僅為4.69%。

2.4炭化處理對聲阻抗的影響

木材聲學理論認為，聲阻抗越小，說明聲音的能量在傳播過程中損失越少，聲音的音質也會更好[17]。炭化前后聲阻抗的變化規律如圖5所示。

(a)

(b)

(c)圖5　炭化處理前后聲阻抗的變化Fig.5 Change of acoustic impedance before and after carbonization treatment

從圖5可以看出，經炭化處理后，楊木的聲阻抗值均有所降低；比較相同處理溫度不同保溫時間的處理條件可以得出，隨著保溫時間的延長，聲阻抗降低率呈現逐步提高的變化規律；比較不同的處理溫度可以得出，炭化溫度越高，聲阻抗值下降越明顯，在210℃的炭化溫度處理條件下，聲阻抗值降低范圍為0.173×106～0.244×106kg/s·m2；降低率為6.58%～9.04%；在190℃的炭化溫度處理條件下，聲阻抗值降低范圍為0.129×106～0.131×106kg/s·m2，降低率為4.97%～5.32%；在170℃的炭化溫度處理條件下，聲阻抗值降低范圍為0.058×106～0.084×106kg/s·m2，降低率為2.43%～3.30%。

綜合比較各處理工藝條件可以得出，在210℃、保溫時間4 h的條件下進行處理時，試件的聲阻抗值下降最顯著，從2.703×106kg/s·m2下降到了2.459×106kg/s·m2，降低率為9.04%；而170℃、保溫時間2 h的條件下，試件聲阻抗值從2.372×106kg/s·m2下降至2.314×106kg/s·m2，降低率最小，僅為2.43%。

2.5炭化處理對E/G的影響

經炭化處理后，木材E/G值的變化規律及不同工藝條件對E/G值影響的比較如圖6所示。

從圖6可以看出，經炭化處理后，楊木E/G值均有所降低；比較不同的處理溫度可以得出，在210℃的炭化溫度處理條件下，E/G值降低范圍為0.959～2.407；降低率為5.11%～10.62%；在190℃的炭化溫度處理條件下，E/G值降低范圍為0.304～3.427，降低率為1.47%～13.87%；在170℃的炭化溫度處理條件下，E/G值降低范圍為0.295～1.092，降低率為1.61%～7.16%。綜合比較各處理工藝條件可以得出，當炭化溫度為190℃，保溫時間為3 h，試件E/G值的下降幅度最大，從24.700下降至21.273，降低率為13.87%；而在炭化溫度190℃，保溫時間2 h條件下，試件E/G值從20.719降至20.415，下降率最少，僅為1.61%。

不同于炭化處理工藝對聲輻射品質常數、聲阻抗等聲學性能參數的影響，隨著處理溫度的變化，或者隨著保溫時間的延長，E/G降低率的變化沒有明顯的規律。究竟是什么原因導致這樣的結果，還有待于進一步的研究與分析。

(a)

(b)

(c)圖6　炭化處理前后彈性模量和剪切模量之比的變化Fig.6 Change of ratio of modulus of elasticity to shear modulus before and after carbonization treatment

綜合以上分析可以得出，炭化處理工藝對不同的聲學振動參數有不同的影響規律，當處理溫度為3 h、保溫時間為190℃時，可以較為顯著的提高木材的聲學振動性能。

3結論

通過分析不同炭化處理溫度、不同保溫時間對木材比動彈性模量、聲輻射阻尼系數、聲阻抗及E/G值的影響，得出以下幾點結論：

(1)當炭化處理溫度越高、保溫時間越長時，密度下降越多，炭化溫度為210℃、保溫時間為4 h時，試件密度降低率最大，降低率為8.39%。

(2)比動彈性模量的結果：當處理溫度為170℃、保溫時間為2 h時，比動彈性模量可以增加2.2%，提高木材綜合聲學振動性能。

(3)經炭化處理后，楊木的聲輻射品質常數均有所提高，隨著炭化溫度的升高，聲輻射品質常數的增大率呈現增大的變化規律。當炭化處理溫度為210℃，保溫時間為3 h時，試件聲輻射品質常數提高最明顯，提高率為9.89%。

(3)經炭化處理后，楊木的聲阻抗值均有所降低；隨著保溫時間的延長、炭化溫度的提高，聲阻抗值下降越明顯，當炭化處理溫度為210℃、保溫時間為4 h時，試件的聲阻抗值下降最顯著，降低率為9.04%。

(4)經炭化處理后，楊木E/G值均有所降低，但隨著處理溫度的變化，或者隨著保溫時間的延長，E/G降低率的變化沒有明顯的規律。

(5)綜合分析得出，當處理溫度為210℃、保溫時間為3 h時，可以較為顯著的提高木材綜合聲學振動性能。

致謝：本研究作為朱玲靜博士論文課題的一部分，衷心感謝朱玲靜博士的指導。

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收稿日期：2016-02-25

基金項目：東北林業大學國家級本科創新項目(201410225011)；國家自然科學基金(31270597)；中央高校基本業務費(2572014CB02)

第一作者簡介：郭臻宇，本科生。研究方向：木材物理學。 *通信作者：劉鎮波，博士，副教授。研究方向：木材物理學。E-mail:liu.zhenbo@foxmail.com

中圖分類號：TS 653

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)04-0041-05

The Influence of Carbonization on the AcousticVibration Performance of Poplars

Guo Zhenyu，Lian Hongyang，Li Lisha，Chen Chunlei，Liu Zhenbo*

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

Abstract：In order to study the influence of carbonization processing on acoustic vibration properties of wood，a total of 45 pieces of poplar wood samples were selected and treated with different carbonization temperatures(170℃，190℃，210℃)and holding time(2h，3h，4h).The variation rules of density，ratio to dynamic modulus of elasticity，acoustic radiation quality constant，acoustic impedance and ratio of modulus of elasticity to shear modulus were measured using the fast Fourier transform analyzer(FFT)and analyzed.The results showed that the acoustical vibration performance was influenced differently with different treatment process of carbonization，and the acoustical vibration performance of poplar wood could be significantly improved with 210℃ carbonization temperature and 3h holding time.

Keywords：carbonization processing；acoustic vibration performance；poplar；FFT；vibration

引文格式：郭臻宇，連弘揚，李麗沙，等.炭化處理對楊木聲學振動特性的影響[J].森林工程，2016，32(4)：41-45.