柳杉木材吸声性能的研究

王 东，彭立民，傅 峰，王军锋，朱广勇

（中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）

柳杉木材吸声性能的研究

王 东，彭立民，傅 峰，王军锋，朱广勇

（中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）

实木的吸声性能与其微观构造有着紧密的联系，研究实木的吸声性能有着重要的现实意义。本实验利用阻抗管，研究了柳杉木材吸声性能与其纹理方向、厚度、心边材、木材含水率之间的关系。结果表明在纹理方向上横切面的吸声性能最好，边材略高于心材。在1 500～2 500 Hz内，随木材厚度的增加吸声系数不断增加，并且随厚度的增加吸收峰会向低频方向移动，随厚度增加高频的吸声系数会降低，纤维饱和点以下木材吸声性能明显高于纤维饱和点以上的。

柳杉木材；实木吸声性能；吸声系数；木材微观构造

随着近代工业的发展，环境污染也随之产生，大气污染、噪声污染、水污染与固体废弃物污染被称之为全球四大污染[1]。噪声污染已经对人的健康生活造成严重危害，降低噪声最有效的方法是利用吸声和隔声材料。目前对于吸声材料的研究也越来越多，但对于各向异性木材的吸声性能研究不多，机理研究尚未成熟[2]，由于木材在不同纹理方向上的细胞排列方式不同，所以声波进入木材之后发生反射等现象情况不同，其内摩擦衰减会不同；此外木材早晚材之间也存在差异，径切面早晚材是并联形式排列而弦切面早晚材是串联，所以声波沿着木材不同纹理方向传播时，声波的衰减存在差异。总之，由于木材结构上的各向异性，使其在不同方向的吸声存在差异。木材的厚度、心边材、含水率也会对其吸声性能产生影响。本试验从柳杉木材的不同纹理方向上、心边材、不同厚度、不同含水率等方面研究木材吸声性能，以法向平均吸声系数的大小来衡量木材的吸声性能的大小。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

柳杉Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto etDietr，产自四川，基本密度为0.29 g/cm3，含水率为6.0%。试件规格为F100 mm和F29 mm。

1.2 试验方法

试验主要通过测量柳杉木材试件的法向平均吸声系数来评定其吸声性能（注：125 Hz , 250 Hz,500 Hz, 1 000 Hz, 2 000 Hz，4 000 Hz 六个倍频程的中心频率的吸声系数的算术平均值来表示某一材料（或结构）的平均吸声系数），测试方法参考GB/T18696.2-2002《阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分：传递函数法》。根据GB/T 1928-2009《木材物理力学性质试验方法总则》密度和含水率测定规定。

直径100 mm的试件测量的是50 ～1 600 Hz范围内的吸声系数，直径29 mm试件测量的是1 000 ～6 300 Hz内的吸声系数。纹理方向相关性采用10 mm厚度的心材试件，厚度相关性采用理论厚度为10 mm、15 mm、20 mm的弦切面边材试件，心边材相关性采用10 mm厚度的径向试件，含水率4个梯度（64%、25%、19%、6.0%），试件为10 mm厚度的横切面。每个相关性下采用3个试件，每个试件测量3次，试验结果取平均值。

1.3 主要仪器

北京声望公司SW422系列阻抗管，MC3242/510121四通道数采，PA50功放。

2 结果与分析

2.1 木材纹理方向对吸声性能影响

木材纹理是指构成木材主要细胞的排列方向。木材中绝大多数细胞（柳杉中主要是管胞）是沿树轴的方向排列，组成细胞壁的主要壁层（S2层）微纤丝的排列方向也近似平行于细胞轴方向。径切面和弦切面吸声系数的差异与木材木射线的比率、排列方向，早晚材密度的差异程度、排列方式及其晚材率有关，所以声波沿着不同纹理方向传播时木材的吸声特性存在差异。如图1所示：横切面的平均吸声为0.246 5，弦切面平均吸声系数为0.126 1，径切面的平均吸声系数为0.107 8。3个切面中低频率吸声系数都很低，横切面在频率800 Hz时才达到0.2，弦切面和径切面在频率3 150 Hz时才达到0.2，3个切面都在5 000 Hz时吸声系数达到最大值。横切面的吸声系数明显比其余两个切面吸声系数高，在高频部分横切面的平均吸声系数（0.46）近似为弦切面（0.29）和径切面（0.23）的2倍。由图2知：在3个切面的方向上吸声系数随频率的增加在不断地变大。

在100～1 000 Hz的低频、中频段3个切面的吸声系数都很低，所以柳杉木材在中低频的吸声性能很差，都小于0.25。在1 000 ～5 000 Hz的高频部分，吸声系数随频率的增加而增加，三个纹理方向的吸声系数分别进行多项式回归分析，发现三次幂多项式和较为合适，与陈瑞英[2]等人的研究结果相吻合。即吸声系数a和频率f的非线性回归方程为：a=b0+b1f+b2f2+b3f3。其中b3、b2、b1、b0为回归系数，表2给出了回归系数，相关系数系数的平方值，从表1中可以看出3个切面的相关系数R2基本上都大于0.960 0，实际测量的和预测吻合程度很好，所以在1 000 ～5 000 Hz的高频部分，吸声系数随频率的增加而增加。横切面的增大趋势明显高于其余两个切面，弦切面在整个频率范围内均高于径切面。在5 000 Hz达到最大值。在1 000～5000 Hz的高频带横切面的吸声系数（aC）最大，其次是弦切面（aT），最后是径切面（aR）。三个切面的吸声系数的差异主要和木材3切面结构差异有关。

表 1 回归系数及其相关系数Table 1 Coefficients of regression

柳杉木材在横切面上为管胞横切面，形似蜂窝状的结构，微细孔多。径向和弦向是细胞的长轴方向，微细孔少，研究认为[3-7]由于横切面的微孔多于弦切面和径切面，所以由微孔引起的摩擦和空气粘滞消耗也会加剧，所以横切面的吸声系数大于径切面和弦切面；其次声波沿细胞轴中传播产生的漫反射或折射增多，引起木材细胞薄壁的振动增强，干涉消声加大。弦切面和经切面的差异主要来自木射线和早晚材。木射线是唯一沿径向分布的细胞。弦切面是木材木射线的横切面，具有很多细小的空隙，故弦切面的吸声系数比径切面大。再者由于弦切面早晚材是串联，而径切面早晚材是并联，早材的空隙明显比晚材大，声波很容易反射出来，所以晚材吸声系数比早材高，因此柳杉木材在弦向的吸声系数比径向大。

2.2 厚度对吸声性能影响

由图2可以看出柳杉木材频率-吸声系数曲线近似抛物线型。柳杉木材在中低频的吸声系数很低，α都0.25。并且随着厚度的增加平均吸声系数有所提高，10.12 mm，15.26 mm，20.16 mm 3个厚度的平均分别为0.126 1、0.189 1、0.215 4。在高频部分由于随着厚度增加声波在木材中传播路径增加，发生反射干涉等现象也会增多，所以随着厚度的增加木材的吸声系数在高频段有明显的提高。在每一个厚度是都有一个吸收峰，10.12厚度在5 000 Hz吸声系数最大值为0.97；15.26厚度吸收峰在3 150 Hz为0.82；在20.16 mm时吸收峰在2 500 Hz为0.86。由于多孔性吸声材料的第一共振频率近似与吸声材料的厚度成反比，（声波与材料共振能量消耗最大）所以随着厚度的增加高频段的吸声系数峰值会向低频方向移动。并且在频率4 500 Hz时厚度为20.16 mm和厚度为10.12 mm吸声系数相等，约为0.45，在频率为3 800 Hz时20.16 mm厚度的和15.26 mm厚度的吸声系数相等，约为0.78。这就说明材料的厚度达到一定值时，厚度的增加对高频的吸声性能影响很小[8]。

2.3 心边材对吸声性能影响

由图3可知：柳杉木材在边材和心材的平均吸声系数分别为0.152 9和0.107 9，边材的吸声性能与心材的差异很小，不到0.05。心边材的吸声性能都随频率的增加而增加，在频率为5 000 Hz时达到最大值，分别为0.96和0.79。如图3所示：边材在整个频率段上吸声性能都要优于心材。因为柳杉木材属于心材树种，其心边材颜色和含水率、密度由明显的区别，边材的含水率和密度高于心材。含水率高木材空隙中的湿度就越高，空气的粘性越大。声波引起木材内部分子运动，粘度越大分子之间的运动摩擦就越大，能量损耗就越多。木材分子在声波的作用下经历平衡态到激发态再到平衡态（该现象称为驰豫现象）的过程，该过程中分子相互作用将声能转化成热能，并且该过程是不可逆的。木材的心材是由边材转变而成，在变化过程中细胞中沉淀树脂、色素、矿物质等，针叶材产生闭塞纹孔，细胞堵塞。所以柳杉木材边材的吸声性能要好于心材。

2.4 木材含水率对吸声性能影响

木材中水分分为自由水和结合水，结合水与木材呈化学键结合为木材的结构物质，结合水主要以机械作用于木材结合。木材含水率变化时最开始先是自由水的变化，最后才是木材结合水的变化。木材自由水填充在细胞腔等细胞间隙中，自由水减少木材内空隙增多，而结合水较少主要是细胞壁中非结晶去水分子减少，非结晶区水分子减少微纤丝与微纤丝之间距离减少，木材细胞壁收缩，木材内空隙变大,木材的空隙变化对木材的吸声性能影响较大。在不同含水率下吸声系数变化很明显。

含水率在纤维饱和点以上（64%）柳杉木材在整个频率段上的吸声很差，平均吸声系数为0.075，最大吸声系数为0.24，在纤维饱和点25%时平均吸声系数为0.108，最大吸声系数为0.22，含水率为19%时，平均吸声为0.125，最大值为0.24。在纤维饱和点以下6%时，平均吸声系数为0.246 5，最大吸声系数为0.81。在2 000 Hz时含水率为64%木材吸声系数比含水率为25%和19%的高。

图4 不同含水率的吸声系数Fig.4 Sound absorption coeff i cient in different MC levels of wood

如图4所示：含水率在6%时，柳杉木材的吸声系数要高于其他含水率下的。在高频部分含水率越低，吸声性能越好。当含水率在纤维饱和点以上时，自由水占据木材细胞腔等细胞间隙，木材的孔隙率会减小，表面声阻抗增加，声波的发射增强而透射减小吸声性能下降。含水率6%比含水率19%的木材吸声系数大很多，主要原因是细胞壁收缩木材细胞壁变薄，孔隙率变大，振动增强消声增强。

3 结 论

柳杉木材在低频的平均吸声系数为0.026 56，中频段平均吸声系数0.163 3，所以木材在低频和中频部分吸声性能很差。在高频段吸声优良，平均吸声系数为0.490 4，吸声系数可以最高可以达到0.9以上。在纹理方向上，3个切面上的空隙结构完全不同，横切面是管胞的横切面空隙最复杂，所以柳杉木材在横切面上吸声性能最优，其次是弦切面（木射线的作用），最后是径切面切面。不同厚度对吸声性能影响，平均吸声系数随厚度增加有所提高，但是厚度增加到一定值后，厚度对高频的吸声系数影响较小。随着厚度的增加整个频率上的吸收峰会向低频方向移动，所以单纯依靠增加厚度来提高吸声系数效果不明显。心边材对吸声性能影响，边材的吸声系数比心材要高，但是差异不太明显，最大差距0.1。纤维饱和点以下的木材吸声性能要高于纤维饱和点以上的木材。

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Study on sound absorption characteristics ofCryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr

WANG Dong, PENG Li-min, FU Feng, WANG Jun-feng, ZHU Guang-yong
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)

The sound absorption performance of solid wood is closely linked with its microcosmic structure. The research of sound absorption performance of solid wood has important practical significance. The relations betweenCryptomeria fortunei’s soundabsorbing properties and texture, thickness, heartwood and sapwood, and moisture content were investigated by using impedance tube method. The results show that the sound absorption performance on the cross-section in the texture direction was the best, the sound absorption coeff i cient of sapwood was slightly higher than that of heartwood’s; As the thickness of the tested wood increased the sound absorption coeff i cient also raised correspondingly within the 1500～2500 Hz; and the sound absorption coeff i cient moved toward the low-frequency direction. the sound absorption coeff i cient with high frequency reduced, and the wood’s sound-absorbing properties that its moisture content was under fi ber saturation point, was higher than that its moisture content was above fi ber saturation point.

Cryptomeria fortuneiHooibrenk ex Otto et Dietr; sound absorption characteristics of solid wood; coeff i cient of sound absorption; wood microstructure

S781.38；S791.31

A

1673-923X(2014)10-0137-04

2013-09-16

国家十二五科技支撑计划课题：“家装材与室外材增值制造技术研究与示范”（2012BAD24B02）

王 东（1990-），男，陕西咸阳人，硕士研究生，主要从事木质吸声材料方面的研究；E-mail：wangrookie@sina.cn

彭立民（1972-），河南商丘人，副研究员，博士，主要从事木质吸声材料方面的研究；E-mail：penglm@caf.ac.cn

[本文编校：文凤鸣]