泡桐木材主要物理特征及化學組分對其聲學振動性能的影響

秦麗麗，苗媛媛，劉鎮波

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150040)

泡桐木材主要物理特征及化學組分對其聲學振動性能的影響

秦麗麗，苗媛媛，劉鎮波*

(東北林業大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150040)

為探究泡桐木材主要物理特征(生長輪寬度標準差、密度)以及主要化學組分對其聲學振動性能影響的內在規律，本文采用傳統的物理實驗方法(參照木材密度測定方法GB/T 1933-2009)和化學實驗方法(參照木材綜纖維素和酸不溶木質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組分(綜纖維素、木質素、抽提物)的含量。利用多通道FFT分析儀對泡桐板材的聲學振動性能參數動彈性模量、聲阻抗、聲輻射強度等進行測定，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準差、密度、不同化學組分含量與木材聲學振動參數動彈性模量、聲阻抗、聲輻射品質常數的相關性及變化趨勢，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在3.0～5.5，且變異系數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%，木質素的含量約在18%，1%NaOH抽提物約在20%時，其聲學振動性能最好。

泡桐；宏觀構造特征；主要化學組分；動彈性模量；聲阻抗；聲輻射品質常數

0 引言

隨著物質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，這就促進了樂器行業的快速發展。樂器行業中除銅管樂器外，幾乎所有的樂器生產都離不開木材，木材的性能在很大程度上直接決定了樂器的質量。但優良樂器材日益稀缺，嚴重影響了樂器行業的快速發展[1-2]。一般優良的樂器材要求聲輻射品質常數大、密度小、傳聲速度快、比動彈性模量大、內摩擦能量損耗低、聲阻抗小等特性[3-4]。這是因為聲輻射品質常數是木材音響和音質好壞的重要基礎，而內摩擦系數、聲阻抗等則是木材發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材料時，必須了解木材的這些聲學性能。

木材的聲學性能主要受其物理構造特征、化學屬性的影響。前人在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[5]，主要包括采用聲波激發試樣振動方法測定了31種樹種木材的聲學振動性能，并分析得出對數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，并進行力學強度試驗，求得兩者間的回歸關系[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論和討論[8]。測定不同樹種木材的聲學振動指標的變異規律及影響因子，發現不同樹種因構造特征不同，聲學性能差異很大，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現木材密度、纖維素結晶度與動彈性模量呈負線性相關[10]。

另外，在改善樂器材聲學性能方面，也有許多學者進行了探究[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甲醛反應來控制管弦樂器的音質，經水楊醇甲醛處理后板材的密度稍有增加的同時比動態彈性模量大幅增加，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，板材的吸濕性顯著降低提高了木材尺寸穩定性。受焦尾琴的啟發，采用高溫熱處理木材，木材在高溫處理過程中木材內部化學成分發生降解，內含物揮發排出降低了密度，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定性[14-15]。

在這些研究中，忽略了木材本身的化學屬性對木材聲學性能的影響，木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，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，開展化學屬性對木材聲學性能影響的研究，弄清木材振動特性的內在機理，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系的研究更是很少開展。本文結合泡桐主要木材宏觀特征及主要化學組分與聲學振動性能之間關系進行研究，旨在為樂器合理選材以及今后的聲學改性提供科學依據。

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塊不同規格尺寸的板材進行表面刨光、平整處理，并測量其長度、寬度、厚度以及年輪寬度和個數，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%的環境中，將試件的含水率調節到平衡含水率。在聲學參數測定之后，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目木粉作為化學成分含量測定試樣，(3個部位所取木粉化學成分含量求平均值)。

表1 泡桐木材試件基本數據

1.2 試驗方法

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，用快速傅里葉變換頻譜分析儀(FFT)測定木材的各項聲學振動性能[18]。如圖1所示，在試樣振動節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讀值；再由A/D轉換器采集數據信號，將振動波形的離散信號數據序列傳入計算機，由專用軟件進行處理；得到動彈性模量E、聲阻抗ω、聲輻射強度R等聲學振動性能參數等各項特性參數。其中，動彈性模量E代表木材振動加速度，聲阻抗ω與木材振動的響應時間有關，聲輻射品質常數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

木材化學性質測定：采用LY/T 2151-2013國家標準測定木材的綜纖維素含量、木質素含量、各種抽提物等化學屬性，每個試樣同時做3份平行樣測定，取其平均值作為測定結果。

2 結果與分析

2.1 泡桐年輪寬度標準差、密度與聲學振動參數之間的關系

圖2 生長輪寬度標準差與動彈性模量之間的關系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、地理環境和遺傳因素等多種條件限制，其寬度就會發生變異，而生長輪寬度標準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振動參數的影響，通過對泡桐木材生長輪寬度標準差與木材動彈性模量、聲阻抗、聲輻射品質常數的關系做散點圖，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，聲輻射品質常數R則呈現小幅度下降的趨勢。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。綜合考慮，當年輪寬度標準差在3.0～5.5，且越小時，泡桐木材的聲輻射品質常數R較大，聲阻抗ω較小，動彈性模量E較適中，其聲學振動性能較好。即木材年輪寬度均勻性對木材聲學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、聲輻射品質常數R較大，聲阻抗ω較小，木材的聲學振動性能較好。

圖3 生長輪標準差與聲阻抗之間的關系Fig.3 The relationship between standard deviation of growth ring width and acoustic impedance

圖4 生長輪寬度標準差與聲輻射品質常數之間的關系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系Fig.5 The relationship between density and dynamic elastic modulus

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

圖7 密度與聲輻射品質常數之間的關系Fig.7 The relationship between density and acoustic radiation damping

2.2 泡桐的綜纖維素含量與聲學振動參數之間的關系

纖維素、半纖維素和木質素是構成木材的三大主要成分，與木材的構造特征、物理及化學性質密切相關。研究三者與木材聲學振動性能之間的關系，有利于今后進一步開展木材聲學改性的研究，為其提供一定的科學理論依據。

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減小的趨勢，且均在綜纖維素含量65%左右時達到最大值，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，木材聲輻射品質常數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振動性能的好壞產生一定的影響，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，振動響應時間加長，不利于提高泡桐木材的聲學振動效率。也就是說并不是綜纖維素含量越高，木材的聲學振動性能越好，而是有一個閾值，在此閾值范圍內，泡桐木材的聲學振動性能較好。此時木材發音較長，聲音傳播效果較好。綜合考慮，當泡桐木材綜纖維素含量達到75%時，其聲學振動性能最好。

圖8 綜纖維素含量與動彈性模量之間的關系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系Fig.9 The relationship between the holocellulose content and acoustic impedance

2.3 泡桐的木質素含量與聲學振動參數之間的關系

經研究發現，泡桐木材動彈性模量E和聲阻抗ω均隨著木質素含量的增加，呈現先減小后增加的趨勢，且在木質素含量在18%左右時木材聲學振動性能較好(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，對泡桐木材的木質素含量與聲輻射品質常數之間的關系進行分析，見表2，發現二者之間的相關性較差，沒有較為明顯的關系。說明木質素的含量對木材聲學品質常數沒有影響。

圖10 綜纖維素含量與聲輻射品質常數之間的關系Fig.10 The relationship between the holocellulose content and acoustic radiation damping

圖11 木質素含量與動彈性模量之間的關系Fig.11 The relationship between the lignin content and dynamic elastic modulus

圖12 木質素含量與聲阻抗之間的關系Fig.12 The relationship between the lignin content and acoustic impedance

表2 木質素含量與聲輻射品質常數之間的關系

注：x為1%NaOH抽提物含量，y為木材聲學振動參數

2.4 泡桐的抽提物含量與聲學振動參數之間的關系

樂器共鳴板的質量，很大程度上取決于木材的聲共振性，經研究發現，為了制造優質樂器，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性能。在研究抽提物對木材強度的影響，有人研究表明，北美紅杉木的抗彎強度與抽提物的含量無關，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，檢測發現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胞壁的非結晶區從而增加了非結晶區的連續性降低了損耗角正切值[21]。在前人對泡桐化學成分的研究中發現，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振動性能的影響。

結果表明：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，這一變化規律有利于提高木材振動響應時間，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常數之間的關系進行分析時，發現二者之間的相關性較差，沒有較為明顯的關系，見表3，泡桐木材1%NaOH抽提物含量對聲輻射品質常數R影響作用較小。綜合考慮，認為當1% NaOH抽提物含量較低時，即20%左右時，泡桐木材的聲學振動性能較好。

表3 1% NaOH與聲輻射品質常數之間的關系

注：x為1%NaOH抽提物含量，y為木材聲學振動參數

3 結論

通過本文研究得出如下結論：

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

(2)從振動性能參數看，動彈性模量E、聲阻抗ω均隨著木材密度的增大而增大，聲輻射品質常數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，聲學振動性能最好。

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

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

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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

國家自然科學基金(31670559)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(2572016EBJ1)

秦麗麗，碩士研究生。研究方向：木材物理學

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

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

S 781.9

A

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