吸濕循環處理對常用樂器用材聲學振動性能的影響

余德倩，趙晨鵬，翟勝丞*，陳冰煒，闞玉娜，王正

(1. 南京林業大學材料科學與工程學院，南京 210037；2. 南京林業大學林業資源高效加工利用協同創新中心，南京 210037)

樂器作為音樂產生的硬件，針對樂器用材品質的研究對于推動音樂的發展至關重要。在生產過程中，除了制造工藝，樂器的制作原料對樂器質量也有著重要影響。樂器用木材對于樹種、紋理方向、年輪寬度、晚材率等均有較高的要求[1]。就樹種而言，國外的鋼琴、小提琴、大提琴等通常使用西加云杉做共鳴板，中國的傳統樂器如古琴、古箏、瑟、琵琶等，共鳴面板常用材料為泡桐、梓木、杉木。木材聲學性能的好壞主要取決于振動效率的高低，聲學振動性能可以用比動彈性模量(E/ρ)、聲輻射阻尼系數(R)、聲阻抗(ω)等參數進行綜合評價[2]；比動彈性模量和聲輻射阻尼系數較大且聲阻抗較小時，有利于聲能量的高效率轉換或響應速度的提高[3]。

目前，木質樂器制造過程中木材原料長時間自然老化是重要環節[4]。經過長時間自然老化的木材，由于纖維素的再結晶和半纖維素的解聚，降低了木材吸濕性，使發音效果更穩定，聲學振動性能更好，因此，自然老化被認為是提高木材聲學性能的有效手段。然而，木材自然老化非常緩慢，所需時間長達幾十年至幾百年不等。通過改性常用樂器用材，短時間內即可達到原本需要幾百年自然老化的效果，不僅能滿足人們對樂器質量的更高要求，而且有利于樂器用材的生產和樂器制造業的進一步發展。高溫熱處理[5-7]、化學藥劑浸漬處理[8]以及吸濕循環處理[9-10]等是國內外研究改善木材振動性能的常用方法。趙美霞等[11]采用超聲和高溫熱處理相結合的方法對人工林杉木進行處理，研究發現處理后的杉木結晶度得到提高，木材的聲學振動性能得到有效改善。在400 W功率超聲處理8 min，并在220 ℃下熱處理30 min的杉木聲學振動性能最接近陳放古木。秦麗麗[12]比較了糠醇、聚乙烯醇浸漬對泡桐(Paulowniaelongata)的處理效果，結果表明，浸漬處理后的泡桐聲學振動性能有所提高，其中聚乙烯醇浸漬處理改良效果最好。Se Golpayegani等[13]模擬傳統濕熱處理方式，通過減少抽提物含量或者降低含水率提高木材聲學振動性能，對比發現吸濕循環處理對桑樹(Morusalba)的聲學性能改善顯著優于冷水浸泡和短期熱水處理。前人研究多集中于探索有效的改性處理方法，而有關木材本身解剖構造的特異性對改性效果的影響并未進行深入研究。

本研究以泡桐、梓木、杉木這3種中國傳統樂器用材以及西加云杉這一西洋常用樂器用材為研究對象，并對試件進行吸濕循環處理，探討吸濕循環處理對不同樹種木材聲學振動性能的改良效果，以期為樂器用木材聲學振動性能的改良研究提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

選取泡桐(Paulowniasp.)、梓木(Catalpasp.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、西加云杉(Piceasitchenrsis)4種木材為研究對象。將無開裂變形、無腐朽、無變色、無節子、無蟲眼等可見缺陷的原材料加工成規格為250 mm(縱向)×50 mm(徑向)×15 mm(弦向)的試件，各表面均用砂紙打磨平整。各樹種加工3個試件，并置于溫度25 ℃、相對濕度60%的環境中平衡，以備測試。

聲學性能測試所用設備為CRAS振動及動態信號采集分析系統，主要包括信號調理箱、信號采集箱及其配套分析軟件。

1.2 解剖構造

1.2.1 解剖特征觀察

在試樣上截取5 mm×5 mm×5 mm的樣品，經YAMATO滑走式切片機制備厚度為15 μm的切片，采用1%(質量分數)的番紅溶液染色，梯度脫水并透明處理后封片。采用OLYMPUS BX51光學顯微鏡對切片進行觀察并拍照，并用Image J軟件測量組織比量。

1.2.2 纖維形態測定

采用富蘭克林離析法對試樣進行解離。分別取各樣品直徑約1 mm的小木條置于試管中，加入適量冰醋酸和30%雙氧水配置成的解離液(體積比1∶1)，于75 ℃水浴加熱12 h對試樣進行解離，解離后的試樣用蒸餾水反復清洗至中性。向試管滴入適量1%番紅溶液，混合均勻。將樣品置于生物顯微鏡下進行拍照，用Motic Images Plus軟件測量木材纖維/管胞的長度、寬度和雙壁厚。隨機測定30個，取平均值，并計算標準差。由于針葉材早晚材管胞形態差異較大，管胞直徑(寬度)以徑向直徑為準。

1.3 吸濕循環處理

吸濕裝置為裝有NaBr飽和鹽溶液的干燥器，試驗過程中控制吸濕裝置溫度為25 ℃、相對濕度為60%。吸濕循環過程包含兩步：1)試樣置于烘箱中60 ℃處理48 h；2)處理過的試樣放入吸濕裝置中恒濕處理，完成一次循環。該試驗共完成4次循環處理，并對每一次吸濕循環處理前后的試樣稱質量，并進行聲學振動性能的測試。

循環處理結束后，參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》，將試樣置于烘箱中(105±2) ℃處理，當試樣的質量基本達到恒定時，再測定試樣的絕干質量，計算試樣各階段的含水率。各階段試樣編號為：未處理材(CK)、處理1次(BA1)、處理2次(BA2)、處理3次(BA3)、處理4次(BA4)。

1.4 聲學振動性能測試方法和參數計算

基于梁的振動理論，采用兩端自由的邊界條件，用CRAS振動及動態信號采集分析系統測定木材的各項聲學振動性能。在距離木材試件兩端0.224L(L為木材縱向長度)處用橡皮筋將其懸掛，實現自由梁[14]，如圖1所示。將加速度傳感器用雙面膠粘在試件一端的中間，用小鐵錘敲擊另一端對應位置，使其產生振動。加速度傳感器將振動信號轉化為電信號，信號經過放大、濾波，再由A/D轉換器轉換成數字信號后，對其進行數字化分析處理，得到試件的一階固有頻率。為了排除環境變化對測試的影響，測試均在25 ℃、相對濕度60%的環境中進行。

圖1 聲學頻率測試系統示意圖Fig. 1 The acoustic frequency test system schematic diagram

利用測得的試件尺寸、密度以及一階固有頻率，根據式(1)計算彈性模量(E)[15]：

(1)

式中：ρ為試件密度，kg/m3；h為試件厚度，m；f1為一階固有頻率，Hz。

聲輻射阻尼系數(R)根據式(2)計算得到：

(2)

式中，ν為聲速，m/s。

聲阻抗(ω)根據式(3)計算得到：

(3)

2 結果與分析

2.1 不同樂器用材顯微構造的差異

試驗所用4種樂器用材的橫切面顯微構造見圖2。泡桐(圖2a)和梓木(圖2b)均為闊葉環孔材，生長輪明顯，早晚材急變；此外，泡桐的薄壁組織較發達。杉木(圖2c)和西加云杉(圖2d)均為針葉材且生長輪明顯，早晚材急變；杉木軸向薄壁細胞呈星散狀，西加云杉具有樹脂道。

注：V為導管分子(管孔)；R為木射線；AP為軸向薄壁細胞；C為樹脂道。圖2 不同樂器用材橫切面顯微構造Fig. 2 Micro-structure of different wood species for musical instruments

各樹種木材解剖構造的組織比量見表1。泡桐中的導管組織比量為17.77%，較梓木高3.26%；2種針葉材管胞的組織比量明顯高于闊葉材木纖維的組織比量，其中杉木最高為94.33%，泡桐最低僅為61.33%。試驗還對所用原料的纖維/管胞形態進行了測定，結果如表2所示，試驗所用2種針葉材的管胞長度和直徑均大于闊葉材。其中，西加云杉的管胞長寬比最大為95.2±27.1，約為泡桐纖維的3倍。西加云杉和杉木的雙壁厚分別為(10.1±3.1)和(9.2±2.1) μm，約為泡桐和梓木的2倍。已有研究表明，木材的比動彈性模量和聲阻抗會隨細胞壁平均厚度的增大而減小[16]。Baar等[17]以4種熱帶闊葉材為研究對象，發現木材的動態彈性模量隨著射線組織體積的減小而增大，具有較長纖維和較細射線的木材聲學性能更好。

表1 各樹種木材解剖特征的組織比量Tabel 1 Tissue ratios of anatomical characteristics of each wood species %

表2 各樹種木材纖維/管胞形態Tabel 2 Fiber/tracheid morphology of each wood species

2.2 吸濕循環處理前后聲學振動性能的比較

2.2.1 吸濕循環處理前后試件含水率和比動彈性模量的變化

吸濕循環處理過程中試件含水率和比動彈性模量的變化情況見圖3。含水率是影響木材振動性能的重要因素[18]。吸濕循環處理后，含水率下降；第1次循環處理后顯著下降，之后略有下降。比動彈性模量是評價木材聲學振動性能的重要指標，比動彈性模量越大，木材的聲學振動性能越好[19]。由圖3b可以看出，吸濕循環處理后，針葉材的比動彈性模量大于闊葉材。有研究表明，細胞組成越單一，結構越均勻，木材的比動彈性模量越大[20]。針葉材中管胞和木射線排列越均勻，木材振動效率越高[21]。因此，纖維長度的差異可能造成針葉材比動彈性模量高于闊葉材。Brancheriau等[22]研究發現，纖維越長，長寬比越大，越有利于聲波在木材中的傳播。

圖3 吸濕循環處理過程中試件含水率和比動彈性模量的變化Fig. 3 The moisture content and specific dynamic modulus of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸濕循環過程中，木材比動彈性模量均有所增大，闊葉材的增長率遠大于針葉材。增長率最大的泡桐為27.95%，增長率最小的西加云杉為3.84%，這是由于比動彈性模量受彈性模量和密度的影響。結合圖3a可知，木材含水率的降低是比動彈性模量提高的主要原因。趙美霞等[11]對杉木進行高溫熱處理的研究中發現，處理后杉木的比動彈性模量最大為19 308.34 MPa，接近陳放古木。本研究中吸濕循環處理后，杉木的比動彈性模量達到23 970.48 MPa，也接近陳放后杉木的性能[23]。

2.2.2 吸濕循環處理前后聲輻射阻尼系數的變化

聲輻射阻尼系數是評價聲學振動性能的重要指標之一，聲輻射阻尼系數較大時，更有利于聲波在木材中的傳播[3]。吸濕循環處理過程中聲輻射阻尼系數的變化如圖4所示。

圖4 吸濕循環處理過程中試件聲輻射阻尼系數的變化Fig. 4 Sound radiation coefficients of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸濕循環處理后，杉木的聲輻射阻尼系數最大為15.21 m4/(kg·s)，梓木最小為8.46 m4/(kg·s)。其中，泡桐的聲輻射阻尼系數優于西加云杉，這與比動彈性模量的結果有所差異。Brancheriau等[22]的研究發現，軸向薄壁組織是具有優良聲學性能的木材組織，呈少量且均勻的傍管狀最好。泡桐中較為發達的軸向薄壁組織可能導致其具有更高的聲輻射阻尼系數。闊葉材中，泡桐的聲輻射阻尼系數為13.46 m4/(kg·s)，約為梓木的2倍，這可能是由于泡桐的纖維長度大于梓木。在馬麗娜[24]對幾種針、闊葉材構造與聲學振動性質的關系研究中也有類似發現，纖維長度越長，振動效率越高，木材的聲輻射阻尼系數越大。針葉材中，杉木的聲輻射阻尼系數大于西加云杉，這與沈雋[25]關于云杉屬木材構造對聲學振動參數的研究中，木材的纖維長度和長寬比越大，木材的聲輻射阻尼系數越大的規律不一致。這可能是由于西加云杉木材具有樹脂道，結構均勻程度有所下降，其影響程度大于管胞長度和長寬比，導致聲輻射阻尼系數降低。

吸濕循環處理過程中聲輻射阻尼系數均增大，其中泡桐的增長率最大，為44.37%，西加云杉最小，為7.90%，闊葉材的增長率遠大于針葉材，其中對泡桐的聲輻射阻尼系數提高最有效。這是由于聲輻射阻尼系數是木材中聲速與木材密度之比，吸濕循環處理過程中木材水分的減少會使木材密度降低，且水分含量的降低能提高聲速[26]。

2.2.3 吸濕循環處理前后聲阻抗的變化

聲阻抗是衡量聲音在傳播過程中所受阻力的參數，其值越大阻力就越大，產生的聲音就越細弱，反之則越洪亮[27]。吸濕循環處理前后4種試件聲阻抗的變化如圖5所示。吸濕循環處理前，聲阻抗從大到小依次為梓木>西加云杉>杉木>泡桐，分別為2.51，2.26，1.64和1.62 MPa·s/m。吸濕循環處理后，聲阻抗從大到小依次為：西加云杉>梓木>杉木>泡桐，分別為2.13，2.12，1.53和1.43 MPa·s/m。其中，梓木的聲阻抗變化率最大為-15.54%，西加云杉最小為-5.75%。吸濕循環處理對于4個樹種均有降低聲阻抗的作用。Obataya等[28]研究了在環境條件下間歇干燥和調質過程對云杉木材振動特性的影響，發現隨著木材水分的減少，密度降低，木材振動傳播的阻力減弱，聲學性能提高。

圖5 吸濕循環處理過程中試件聲阻抗的變化Fig. 5 Specific acoustic impedance of the specimen changes during the hygroscopic cycle

結合圖3a可以看出，木材含水率變化會導致其聲阻抗產生變化，且聲阻抗變化規律與含水率基本一致。前人研究發現[29]，泡桐的聲阻抗為1.0～2.0 MPa·s/m，吸濕循環處理后，其聲阻抗從1.62 MPa·s/m降低到1.43 MPa·s/m，處于較好水平。沈雋[25]研究發現，西加云杉的聲阻抗為2.0～3.0 MPa·s/m。本研究中吸濕循環處理后，西加云杉的聲阻抗降至2.13 MPa·s/m，處于較好的水平。

2.2.4 吸濕循環處理對木材聲學振動性能影響的綜合分析

吸濕循環處理是一種常見的人工加速濕熱老化試驗方法[30]。根據可表征木材聲學振動性能的3個參數(比動彈性模量、聲輻射阻尼系數和聲阻抗)進行綜合分析發現，吸濕循環處理提高了木材聲學振動性能，這主要是由于吸濕循環處理降低了木材含水率所致。木材可看作是由木材實質(即木材細胞壁)、水和空氣組成的系統，木材實質比水分更有利于振動的傳播，木材中水分含量的下降有利于提高振動效率[26]。木材細胞壁中水分的減少使木材細胞壁更加密實，更有利于木材的振動。吸濕循環處理2次后比動彈性模量、聲輻射阻尼系數和聲阻抗這3個參數均達到穩定，原因可能為吸濕循環處理2次后，木材內的水分達到平衡。前人研究不同樹種木材經吸濕循環處理后發現，聲學振動性能也發生類似變化。如Se Golpayegani等[13]和Karami等[31]分別對桑樹、云杉進行溫和濕熱處理，發現比動彈性模量升高，聲音傳播的阻力降低，聲學振動性能得到提高；Akahoshi等[32]對木管樂器振動簧片進行干濕循環處理，發現干濕循環一次后振動性能急劇升高，然后略有增加或保持不變。此外，吸濕循環處理提高了木材聲學振動性能，闊葉材聲學振動性能的提高相比針葉材更顯著。吸濕循環處理引起木材的含水率變化，而滲透性是影響水分擴散的關鍵因素。結合前人研究，分析其原因可能為：針葉材水分擴散的主要通道是由管胞內腔和具緣紋孔對組成的毛細管體系，在心材形成過程中，紋孔塞向一側偏移，形成閉塞紋孔，阻礙了水分的流動；闊葉材主要為彼此間通過穿孔相互連通的導管[33]。佟永萍[34]研究表明，杉木心材紋孔閉塞，滲透性差。鮑甫成等[35]對泡桐的滲透性研究發現，泡桐具有疏導流體的天然特性。

3 結 論

對泡桐、梓木、杉木、西加云杉進行吸濕循環處理，通過吸濕循環處理前后試樣的比動彈性模量、聲輻射阻尼系數、聲阻抗等指標，對4種木材的聲學振動性能進行分析，得到以下結論：

1)吸濕循環處理前后，杉木的比動彈性模量和聲輻射阻尼系數均為最大，泡桐的聲阻抗最小。

2)吸濕循環處理后，闊葉材的聲學振動性能改善程度大于針葉材，其中泡桐的聲學振動性能提高最顯著。

3)含水率對木材聲學振動性能有重要影響，吸濕循環處理過程中含水率的降低使木材細胞壁更加密實，吸濕穩定性提高，聲學振動性能提高。通過不同干燥方法降低木材含水率，是否能在提高木材聲學振動性能的同時保證其聲學性能的穩定性，后續將對此進行深入研究。