泡桐木材主要物理特征及化学组分对其声学振动性能的影响

秦丽丽，苗媛媛，刘镇波

(东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

泡桐木材主要物理特征及化学组分对其声学振动性能的影响

秦丽丽，苗媛媛，刘镇波*

(东北林业大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150040)

为探究泡桐木材主要物理特征(生长轮宽度标准差、密度)以及主要化学组分对其声学振动性能影响的内在规律，本文采用传统的物理实验方法(参照木材密度测定方法GB/T 1933-2009)和化学实验方法(参照木材综纤维素和酸不溶木质素含量测定近红外光谱法LY/T 2151-2013)，测定泡桐的密度和主要化学组分(综纤维素、木质素、抽提物)的含量。利用多通道FFT分析仪对泡桐板材的声学振动性能参数动弹性模量、声阻抗、声辐射强度等进行测定，通过一元线性回归或二元线性回归方程分别分析木材主要生长轮宽度标准差、密度、不同化学组分含量与木材声学振动参数动弹性模量、声阻抗、声辐射品质常数的相关性及变化趋势，得出：对于泡桐乐器共鸣板选材时，泡桐木材生长轮宽度变异系数在3.0～5.5，且变异系数越小即生长轮宽度越均匀；密度在0.225 g/cm3时，泡桐木材的综纤维素含量约在75%，木质素的含量约在18%，1%NaOH抽提物约在20%时，其声学振动性能最好。

泡桐；宏观构造特征；主要化学组分；动弹性模量；声阻抗；声辐射品质常数

0 引言

随着物质生活水平的不断提高，越来越多的人追求精神娱乐生活。而乐器作为人类一种高雅的娱乐器具，越来越受人们的欢迎，这就促进了乐器行业的快速发展。乐器行业中除铜管乐器外，几乎所有的乐器生产都离不开木材，木材的性能在很大程度上直接决定了乐器的质量。但优良乐器材日益稀缺，严重影响了乐器行业的快速发展[1-2]。一般优良的乐器材要求声辐射品质常数大、密度小、传声速度快、比动弹性模量大、内摩擦能量损耗低、声阻抗小等特性[3-4]。这是因为声辐射品质常数是木材音响和音质好坏的重要基础，而内摩擦系数、声阻抗等则是木材发音长短以及传播效果的决定因素，因此，在考虑木材作为音质材料时，必须了解木材的这些声学性能。

木材的声学性能主要受其物理构造特征、化学属性的影响。前人在木材物理宏微观构造特征对声学性能影响方面开展了大量的研究[5]，主要包括采用声波激发试样振动方法测定了31种树种木材的声学振动性能，并分析得出对数衰减随含水率增加而加快，声辐射阻尼随密度增大而减小[6]。采用脉冲声波法测定木材的声速，并进行力学强度试验，求得两者间的回归关系[7]。对影响木材声速的因子以及声速在弦向、径向、纵向上的差异得出结论和讨论[8]。测定不同树种木材的声学振动指标的变异规律及影响因子，发现不同树种因构造特征不同，声学性能差异很大，甚至同一株木材不同部位，也存在着很大的差异[9]。久保岛吉贵在研究中发现木材密度、纤维素结晶度与动弹性模量呈负线性相关[10]。

另外，在改善乐器材声学性能方面，也有许多学者进行了探究[11-13]，如日本H.Yanao[13]等采用不同浓度的水杨醇浸入西加云杉与气态甲醛反应来控制管弦乐器的音质，经水杨醇甲醛处理后板材的密度稍有增加的同时比动态弹性模量大幅增加，动力损耗角正切值降低，从而提高了共鸣板的振动效率，甲醛与综纤维素的羟基反应，板材的吸湿性显著降低提高了木材尺寸稳定性。受焦尾琴的启发，采用高温热处理木材，木材在高温处理过程中木材内部化学成分发生降解，内含物挥发排出降低了密度，半纤维素部分分解降低了木材吸湿性能提高了板材的尺寸稳定性[14-15]。

在这些研究中，忽略了木材本身的化学属性对木材声学性能的影响，木材的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，总量占木材的90%[16]以上，次要成分包括抽提物、灰分等，其对木材的性能和利用影响较大[17]。因此，开展化学属性对木材声学性能影响的研究，弄清木材振动特性的内在机理，十分必要。此外，在前人的研究中，泡桐木材的研究较少，尤其是对泡桐的本身属性与振动性能之间关系的研究更是很少开展。本文结合泡桐主要木材宏观特征及主要化学组分与声学振动性能之间关系进行研究，旨在为乐器合理选材以及今后的声学改性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试样的制备

试验以泡桐(P.elongata)为研究对象，将试件长期气干放置后，选取60块不同规格尺寸的板材进行表面刨光、平整处理，并测量其长度、宽度、厚度以及年轮宽度和个数，并称取重量，计算气干密度(见表1)。然后在温度为20℃，空气相对湿度为65%的环境中，将试件的含水率调节到平衡含水率。在声学参数测定之后，从中选取18块板材，并在两端和中间分别截取截长2cm的木块，劈成木条后粉碎成木粉，筛取40～60目木粉作为化学成分含量测定试样，(3个部位所取木粉化学成分含量求平均值)。

表1 泡桐木材试件基本数据

1.2 试验方法

木材声学性质测定：基于梁的振动理论，采用两端自由的边界条件，用快速傅里叶变换频谱分析仪(FFT)测定木材的各项声学振动性能[18]。如图1所示，在试样振动节点处用弹力三角架将试件水平支起，支撑点距试件端头长度为试件总长度的0.224倍，用小锤片敲击试件的一端或中心部，试件另一端下方放置接受装置，接收装置将接收信号通过前置放大器、滤波器后，由FFT分析处理得到共振频率的预读值；再由A/D转换器采集数据信号，将振动波形的离散信号数据序列传入计算机，由专用软件进行处理；得到动弹性模量E、声阻抗ω、声辐射强度R等声学振动性能参数等各项特性参数。其中，动弹性模量E代表木材振动加速度，声阻抗ω与木材振动的响应时间有关，声辐射品质常数R代表木材最大限度向空气辐射声能的能量。通常E和R越大，ω越小，木材振动效率越高。

图1 木材共振频率测定实验原理图Fig.1 Schematic diagram for the determination of resonance frequency wood

木材化学性质测定：采用LY/T 2151-2013国家标准测定木材的综纤维素含量、木质素含量、各种抽提物等化学属性，每个试样同时做3份平行样测定，取其平均值作为测定结果。

2 结果与分析

2.1 泡桐年轮宽度标准差、密度与声学振动参数之间的关系

图2 生长轮宽度标准差与动弹性模量之间的关系Fig.2 The relationship between standard deviation of growth ring width and dynamic elastic modulus

木材的生长轮因受气候条件、地理环境和遗传因素等多种条件限制，其宽度就会发生变异，而生长轮宽度标准差则代表其变异程度，即生长轮宽度的均匀性。为研究生长轮宽度的均匀性对泡桐木材主要声学振动参数的影响，通过对泡桐木材生长轮宽度标准差与木材动弹性模量、声阻抗、声辐射品质常数的关系做散点图，并拟合曲线，如图2～图4所示。随着生长轮宽度差异的增加，木材动弹性模量E和声阻抗ω均呈小幅度增加的趋势，声辐射品质常数R则呈现小幅度下降的趋势。在乐器选材时，通常选用E和R较大，ω较小者有利于提高木材的振动效率，使木材获得的能量能最大限度地用于向空气中辐射声能，获得的声音音量大且持久性强。综合考虑，当年轮宽度标准差在3.0～5.5，且越小时，泡桐木材的声辐射品质常数R较大，声阻抗ω较小，动弹性模量E较适中，其声学振动性能较好。即木材年轮宽度均匀性对木材声学振动性能具有一定的影响，且年轮宽度差异较小时，年轮宽度越均匀，木材动弹性模量E、声辐射品质常数R较大，声阻抗ω较小，木材的声学振动性能较好。

图3 生长轮标准差与声阻抗之间的关系Fig.3 The relationship between standard deviation of growth ring width and acoustic impedance

图4 生长轮宽度标准差与声辐射品质常数之间的关系Fig.4 The relationship between standard deviation of growth ring width and acoustic radiation damping

图5 密度与动弹性模量之间的关系Fig.5 The relationship between density and dynamic elastic modulus

图6 密度与声阻抗之间的关系Fig.6 The relationship between density and acoustic impedance

图7 密度与声辐射品质常数之间的关系Fig.7 The relationship between density and acoustic radiation damping

2.2 泡桐的综纤维素含量与声学振动参数之间的关系

纤维素、半纤维素和木质素是构成木材的三大主要成分，与木材的构造特征、物理及化学性质密切相关。研究三者与木材声学振动性能之间的关系，有利于今后进一步开展木材声学改性的研究，为其提供一定的科学理论依据。

从图8和图9可以看出，动弹性模量E和声阻抗ω随着综纤维素含量的增加呈现减小的趋势，且均在综纤维素含量65%左右时达到最大值，最大值分别为8.1 GPa、1.61×106(Pa·s/m)，在含量为85%时，达到最小值，分别为5.2 GPa、1.21×106(Pa·s/m)。相反，木材声辐射品质常数R则随着综纤维素含量的增加呈线性增加，最大值和最小值分别为16(m3/Pa·s3)和22(m3/Pa·s3)。这说明综纤维素含量的多少对木材声学振动性能的好坏产生一定的影响，综纤维素含量越高，木材声辐射能越大，获得的声音音量越大，越持久。但其振动加速度减小，振动响应时间加长，不利于提高泡桐木材的声学振动效率。也就是说并不是综纤维素含量越高，木材的声学振动性能越好，而是有一个阈值，在此阈值范围内，泡桐木材的声学振动性能较好。此时木材发音较长，声音传播效果较好。综合考虑，当泡桐木材综纤维素含量达到75%时，其声学振动性能最好。

图8 综纤维素含量与动弹性模量之间的关系Fig.8 The relationship between the holocellulose content and dynamic elastic modulus

图9 综纤维素含量与声阻抗之间的关系Fig.9 The relationship between the holocellulose content and acoustic impedance

2.3 泡桐的木质素含量与声学振动参数之间的关系

经研究发现，泡桐木材动弹性模量E和声阻抗ω均随着木质素含量的增加，呈现先减小后增加的趋势，且在木质素含量在18%左右时木材声学振动性能较好(如图11和图12所示)。同时采用一元二次方程、线性回归方程两种分析模型，对泡桐木材的木质素含量与声辐射品质常数之间的关系进行分析，见表2，发现二者之间的相关性较差，没有较为明显的关系。说明木质素的含量对木材声学品质常数没有影响。

图10 综纤维素含量与声辐射品质常数之间的关系Fig.10 The relationship between the holocellulose content and acoustic radiation damping

图11 木质素含量与动弹性模量之间的关系Fig.11 The relationship between the lignin content and dynamic elastic modulus

图12 木质素含量与声阻抗之间的关系Fig.12 The relationship between the lignin content and acoustic impedance

表2 木质素含量与声辐射品质常数之间的关系

注：x为1%NaOH抽提物含量，y为木材声学振动参数

2.4 泡桐的抽提物含量与声学振动参数之间的关系

乐器共鸣板的质量，很大程度上取决于木材的声共振性，经研究发现，为了制造优质乐器，宜实用存放多年的木材为乐器原料。因为长期贮存而“陈化”的木材，其中的抽提物部分分解或去除，有助于改善木材的声学性能。在研究抽提物对木材强度的影响，有人研究表明，北美红杉木的抗弯强度与抽提物的含量无关，而弹性模量随着抽提物含量的增加而减少。Masahiro等将巴西木抽提物注入到西加云杉板材中，检测发现损耗角正切减小到原来的一半，主要由于抽提物浸入到木材细胞壁的非结晶区从而增加了非结晶区的连续性降低了损耗角正切值[21]。在前人对泡桐化学成分的研究中发现，在泡桐几种抽提物中，1%NaOH抽提物含量最多[22]。因此本文重点泡桐木材1%NaOH抽提物含量对其声学振动性能的影响。

结果表明：随着泡桐木材1%NaOH抽提物含量的增加，泡桐木材动弹性模量E和声阻抗ω均呈现减小趋势，且前者减小的幅度大于后者(如图13和图14所示)，即泡桐木材1%NaOH抽提物含量越多，动弹性模量E和声阻抗ω越小，这一变化规律有利于提高木材振动响应时间，但是降低了其振动加速度，且提高的幅度小于降低的幅度。

图13 1% NaOH抽提物含量与动弹性模量之间的关系Fig.13 The relationship between the 1% NaOH extract content and dynamic elastic modulus

图14 1% NaOH抽提物含量与声阻抗之间的关系Fig.14 The relationship between the 1% NaOH extract content and acoustic impedance

对泡桐木材1%NaOH抽提物含量与声辐射品质常数之间的关系进行分析时，发现二者之间的相关性较差，没有较为明显的关系，见表3，泡桐木材1%NaOH抽提物含量对声辐射品质常数R影响作用较小。综合考虑，认为当1% NaOH抽提物含量较低时，即20%左右时，泡桐木材的声学振动性能较好。

表3 1% NaOH与声辐射品质常数之间的关系

注：x为1%NaOH抽提物含量，y为木材声学振动参数

3 结论

通过本文研究得出如下结论：

(1)泡桐木材年轮宽度标准差在3～5.5，且越小，其生长轮宽度越均匀，木材的声学振动性能越好。

(2)从振动性能参数看，动弹性模量E、声阻抗ω均随着木材密度的增大而增大，声辐射品质常数R随着密度的增大而减小，综合考虑，对于泡桐木材选材时，密度在0.225g/cm3时，声学振动性能最好。

(3)综纤维素含量、木质素都与木材声学性能密切相关，随着综纤维素含量的增加动弹性模量E和声阻抗ω呈现减小的趋势。而随着木质素含量的增加，两者均呈现先减小后增加的趋势，但综纤维素和木质素的含量均对声辐射品质常数R没有太大的影响。当泡桐木材综纤维素含量达到75%，木质素的含量在18%时，泡桐木材声学振动性能最好。

(4)泡桐木材1%NaOH抽提物含量对其声学性能也产生一定的影响。当1%NaOH抽提物含量较低时，即20%时，泡桐木材的声学振动性能较好。

[1]刘镇波，刘一星，于海鹏，等.我国民族乐器共鸣用木材声学品质的研究现状与发展趋势[J].林业科学，2010，46(8)：151-156.

[2]张华君.乐器企业之木材资源利用及创新实践[J].乐器，2012，12(5)：18-20.

[3]LiS，LiuZ，LiuY，etal.AcousticVibrationPropertiesofWoodforMusicalInstrumentBasedonFFTofAddingWindows[C].InternationalConferenceonMechanicalandElectricalTechnology，IEEE，2010：370-373.

[4]刘镇波，刘一星，苗媛媛，等.共振板振动特性与钢琴声学品质主观评价的关系[J].林业科学，2009，45(4)：100-106.

[5]黄英来.几种典型民族乐器木质共鸣体的声学振动性能检测与分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[6]张承忠.小提琴振动机理及声学品质研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[7]李源哲，李先泽，汪溪泉，等.几种木材声学性质的测定[J].林业科学，1962，1(1)：59-66.

[8]史伯章，尹思慈，阮锡根.木材声速的研究I.声速与顺纹抗压强度、含水率等物理量的关系[J].南京林业大学学报，1983，1(3)：6-12.

[9]刘一星.中国木材研究[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，1995.

[10]Kubojima Y，Okano T，Ohta M.Vibrational Properties of Sitka Spruce Heat-Treated in Nitrogen Gas[J].Journal of Wood Science，1998，44(1)：73-77.

[11]Brémaud I，Amusant N，Minato K，et al.Effect of Extractives on Vibrational Properties of African Padauk(Pterocarpus Soyauxii Taub.)[J].Wood Science and Technology，2011，45(3)：461-472.

[12]Sotomayorcastellanos J R，Suárezbéjar G，Olguíncerón J B.Effect of Hygro-Thermal Treatment in the Acoustic Characteristics of the Wood of Quercus Scytophylla Liebm[J].Madera Y Bosques，2015，21(1)：139-156.

[13]Yano H，Minato K.Controlling the Timbre of Wooden Musical Instruments by Chemical Modification[J].Wood Science and Technology，1993，27(4)：287-293.

[14]Zhu L，Liu Y，Liu Z.Effect of High-Temperature Heat Treatment on the Acoustic-Vibration Performance of Picea Jezoensis [J].Bioresources，2016，11(2)：4921-4934.

[15]Nazerian M，Ghalehno M D，Kashkooli A B.Effect of Wood Spcices，Amount of Juvenile Wood and Heat Treatment on Machanical and Physical Propertise of Laminated Veneer Lumber[J].Journal of Applied Science，2011，11(6)：980-987.

[16]刘一星，赵广杰，李坚.木材学[M].北京：中国林业出版社，2012.

[17]彭万喜，朱同林，郑真真，等.木材抽提物的研究现状与趋势[J].林业科技开发，2004，18(5)：7-9.

[18]Akitsu H，Norimoto M，Morooka T.Vibrational Properties of Chemically Modified Wood[J].Journal of the Japan Wood Research Society，1991，37(7)：590-597.

[19]涂道伍，邵卓平.木材密度对声振动特性参数的影响[J].安徽农业大学学报，2012，39(3)：361-364.

[20]Rowell.R M.Chemical Modification of Wood：A Short Review[J].Wood Material Science and Engineering，2006，1(1)：29-33.

[21]Matsunaga M，Minato K，Nakatsubo F.Vibrational Property Changes of Spruce Wood by Impregnation with Water Soluble Extractives of Pernambuco(Guilandina Echinata Spreng.)[J].Journal of Wood Science，2000，46(3)：253-257.

[22]成俊卿.泡桐属木材的性质和用途的研究[J].林业科学，1983，19(3)：153-167.

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

国家自然科学基金(31670559)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572016EBJ1)

秦丽丽，硕士研究生。研究方向：木材物理学

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

秦丽丽，苗媛媛，刘镇波.泡桐木材主要物理特征及化学组分对其声学振动性能的影响[J].森林工程，2017，33(4)：34-39.

S 781.9

A

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