音板声学品质的主要影响因子及其评测方法

雷福娟,黄腾华*,陈桂丹

(1.广西壮族自治区林业科学研究院；2.广西壮族自治区林产品质量检验检测中心，南宁 530002)

音板声学品质的主要影响因子及其评测方法

雷福娟1,2,黄腾华1,2*,陈桂丹1,2

(1.广西壮族自治区林业科学研究院；2.广西壮族自治区林产品质量检验检测中心，南宁 530002)

本文综述分析了实木音板声学品质主要影响因素—木材声振动特性、音板结构及加工工艺等，以及与木材声振动特性密切相关的木材密度、含水率、S2层微纤丝角、纤维素结晶度、年轮宽度、晚材率及其变异系数等参数。在此基础上介绍了评选优质原料、设计合理音板结构、控制制作工艺等控制音板声学品质的途径来，分析了音板声学品质传统主观经验判断评测方法的缺点，提出了模态试验分析法和基于ANSYS有限元评测法两种客观的评测方法及其重点研究方向，有利于研究和建立科学客观的音板声学品质评测系统。

木材声振动；音板；声学品质；评测；方法

音板是乐器最重要的构件，其声学品质的优劣是决定乐器音质好坏关键性因素。实木音板的声学品质除与木材声振动特性相关外，还与其结构、加工工艺等因素密切相关。音板声学品质的测评目前仍以传统的主观经验判断为主，往往科学依据不足、误差大、且无法满足批量生产。本文依据前人研究成果，总结了实木音板声学品质的影响因素，介绍了其质量控制主要途径，在此基础上提出了音板声学品质的客观评测方法及其重点研究方向，有利于科学客观的音板声学品质评测系统的研究和建立。

1 音板声学品质的影响因子

1.1 音板用材声振动特性

音板用材声振动性能越高，其声学品质越好。木材声振动性能的优劣一般用木材的弹性模量、动弹性模量、比动弹性模量、损耗角正切、声辐射阻尼常数等参数来评价[1]。木材比动弹性模量是木材的一个重要物理量，其数值越大，音板用材的声振动性能越好。声辐射阻尼常数是描述木材辐射声能效率的参数，木材在外力作用下产生振动，当外力消失，木材逐渐停止振动。根据能量守恒定律，振动的能量一部分是以声波的形式辐射到空气中，另一部分能量由于木材分子运动摩擦及边界摩擦产生热量消耗掉。在木材内部消耗的能量用损耗角正切或对数缩减量来描述。声振动特性优良的木材声辐射阻尼常数比较高，损耗角正切值比较小，即振动能量大部分辐射到空气中，而损失在木材内部的能量非常少。木材声振动性能与密度、含水率、S2层微纤丝角、纤维素结晶度、年轮宽度、晚材率及其变异系数等参数密切相关。

1.1.1 木材物理性质对振动特性的影响

(1)木材密度

木材密度因其树种、生长环境、树龄、树干部位等因素不同而不同。沈隽[2]、涂道伍[3]先后研究木材密度与振动特性参数的关系，大部分树种木材当密度在0.4～0.5 g·cm-3之间，比动弹性模量值较大，木材振动性能高。

(2)木材含水率

马丽娜[4]研究了鱼鳞云杉、马尾松、I-69柳、白桦、水曲柳及泡桐六个树种振动特性各参数与木材含水率的相关性,动弹性模量及比动弹性模量均随着木材含水率值的减少而显著变大。损耗角正切在木材含水为7%时达到最小值，说明木材含水率在7%左右，木材振动效率优良。

(3)木材尺寸稳定性

木材因受环境湿度的变化而吸湿或解吸，其体积和尺寸随含水率变化而改变。尺寸稳定性是木材保持原形状和尺寸能力的体现[5]。尺寸稳定性好的木材不容易变形和开裂，振动性能也稳定。

1.1.2 木材宏观构造对振动性能的影响

(1)木材生长轮宽度

生长轮宽度是影响木材物理力学性质的重要因素。它与木材的声振动特性参数也密切相关。刘一星等[6]研究了云杉属的8个树种木材的生长轮宽度与木材声振动特性参数的关系，当木材的生长轮宽度在(1.0～1.5 mm)范围内，大多数云杉属树种木材的比动弹性模量和声辐射阻尼常数值较大，损耗角正切值较小。因此大多数的云杉属树种木材在生长轮宽度(1.0～1.5 mm)范围内振动性能表现优良。

(2)晚材率及其变异系数

晚材率是指木材横切面上晚材宽度占其年轮宽度的比率[5]。晚材率变异系数是描述木材晚材率分布是否均匀的参数，晚材率变异系数小，说明木材晚材率分布均匀。沈隽等[2]研究了云杉属8个树种木材晚材率及其变异系数与声振动特性的关系，晚材率变异系数小，木材晚材率分布就均匀，木材声振动性能较优良。木材在适宜晚材率能够达到优良声振动性能(不同的树种适宜的晚材率不同，总的范围在15%～28%之间)。

1.1.3 木材显微构造特征对声振动特性的影响

(1) 纤维素结晶度

纤维素结晶度与木材声振动特性参数有很强的相关性。刘一星[7]等研究了我国7种云杉属树种木材结晶度与木材声振动特性参数的关系；马丽娜[4]研究了鱼鳞云杉、马尾松、I-69柳、白桦、水曲柳及泡桐六个树种木材纤维结晶度与木材声振动特性参数的关系。结果表明纤维素结晶值适度增加，有利于木材振动效率提高。大多数树种木材各项声振动特性参数达到最优对应的纤维素结晶度在56%～65%左右。

(2) 细胞壁S2层纤丝角

纤丝角是指木材细胞壁中层S2微纤丝与细胞纵轴之间的夹角[5]。沈隽等[2]研究了云杉属8个树种木材S2层纤丝角与木材声振动性能参数的关系，木材S2层纤丝角在9°～17°范围内值越小，比动弹性模量和声辐射阻尼常数值越大，对数缩减量越小。说明S2层纤丝角较小，木材振动性能好。

1.1.4 木材主要缺陷对声振动特性的影响

木材缺陷是指木材的斜纹、节子、裂纹、腐朽、虫眼、应力木等。节子周围的木材纤维(管胞)长轴方向与树木纵向也不平行，节子的存在也使得木材密度分布不均匀。根据沈隽等[2]云杉属木材构造特征与振动特性参数关系的研究结果，管胞径向排列越整齐，即与树木纵向平行时，木材振动效率高。因此节子、斜纹的存在是降低木材振动效率的严重缺陷。应力木S2层纤丝角比正常材大，甚至有些应力木纤维(管胞)出现渗透次生壁的螺纹状裂隙。因此应力木损耗角正切值较正常材大，而应力木的声辐射品质常数较正常材低[8]。裂纹由于木材纤维(管胞)被撕裂、分离；腐朽、虫眼由于细胞壁受到破坏，细胞壁构架物质和粘结物质及侵提物被分解。因此腐朽、虫眼、裂纹、应力木的存在均不同程度地降低了木材振动效率。

1.2 音板结构

不同乐器的音板尺寸、形状、结构各异，因此影响因子也有差别。如钢琴音板主要由共振板、肋木、码桥、音板框组成，共振板是由宽度为80～100 mm，厚度为8～9 mm的板条斜拼而成，肋木固定在共振板下方，其纹理方向与共振板纹理方向垂直。肋木结构可以提高音板横向传播速度，使振动波尽可能快地传播到整个音板，以达到在木材不同纹理方向均匀辐射声能的作用[9]。肋木数量增加会增加音板的刚度,不利于低频振动[17]。钢琴音板的厚要适宜，过厚会影响振动，过薄则音色不佳，适宜的厚度为8～10 mm。

1.3 加工工艺

在加工制作上，音板用木材的锯切工艺、干燥质量、木材尺寸稳定性及共振板和肋木的胶合质量等都是影响音板声学品质的重要因素。

2 音板声学品质的控制

音板是乐器最重要构件，如果没有音板把琴弦振动的能量放大并辐射到空气中，乐器不可能发出优美动听的音乐。为了获得高品质乐器，首先应控制好音板的质量。主要通过控制选材、结构设计、制作工艺等方面控制音板声学品质。

2.1 评选优质原料

音板的作用是产生共振并传播声能，在选材上，其制作材料应选择声振动性能高的木材。木材声振动性质不仅因树种不同而有明显差异；就同一树种木材因来自树木不同部位或不同生长环境，或不同树龄等，其构造特征也有差异，如年轮宽度、晚材率、节子多少、斜纹等，同样不同程度地影响木材声振动性质。因此首先应选择合适的树种木材，才能进行更进一步的评选。国内常用制作音板的木材是云杉属和泡桐属木材。云杉属木材各项物理力学性质相差不大，可归为一类商品木材；其树木生长缓慢，树干通直、直径大。其木材色浅，结构细，生长轮密且宽度均匀，纹理直，尺寸稳定性好，易干燥不变形，是优良的音板用材。泡桐属树木生长快，资源丰富，种间木材差别少。纹理直；密度小；干缩小，干燥快；不裂、不翘。虽然木材年轮宽，但其木材声辐射品质常数(R)高，声阻抗小，也是优良的音板用材。部分音板用树种木材振动性质见表1[8]。除树种不同会影响材振动性质外，木材自身的结构上的差异，同样不同程度影响木材振动性质。为保证音板用材的均匀性，同块音板用材应尽量选取结构相近的木材。年轮宽度小(1.0～1.5 mm，泡桐属木材不受此限制)，均匀，晚材率控制在15%～28%之间；避免节子、斜纹、应力木、腐朽等缺陷。在众多的选材影响因素的评选中，可借助综合坐标法进行权衡。综合坐标法是分析木材综合性能的一种方法，此方法根据计算得出的各项木材性能指标的综合坐标指数进行评价，并且根据实际情况对各性能指标配以权重因子[13]。

表1 部分音板用树种木材振动性质

2.2 设计合理的音板结构

不同乐器的音板尺寸、形状、结构各不相同，根据不同的乐器对结构的不同要求进行设计。可借助计算机软件进行结构设计。如借助基于ANSYS有限元软件，模拟改变音板结构得出不同的振动特性，分析选择最优的结构进行制作。

2.3 控制制作工艺

2.3.1 锯切工艺 木材的缺陷会降低其振动性能，因此在下锯时尽量避开缺陷部位。木材是各项异性材料，其锯切面不同，物理力学性质都有或多或少的差别。径切板具有振动性能高、干缩小，尺寸稳定，不易变形开裂等优点。因此音板用材一般采用径切下锯。为了获得更高的出材率，孙友富[10]通过对三开原木、四开原木、六开原木三种下锯方法的比较分析得出三开原木效果最好，出材率最高。

2.3.2 提高木材尺寸稳定性 对木材进行物理、化学上的处理可以提高木材的尺寸稳定性，如对木材进行高温热处理、浸渍、表面处理等。主要途径有：添加防水剂；涂饰和浸渍处理堵塞水分通道；减少亲水基团(-OH)；用乙酰基(CH3-CO-)替换亲水基团(-OH)等。提高木材尺寸稳定性的方法很多。不同的方法效果不同，需根据不同的木材用途选择处理方法。就音板用材的处理应考虑处理结果是否影响木材振动性能。徐伟等[11]研究了高温热处理工艺对云杉木材尺寸稳定性的影响,在温度140℃、时间8 h的条件下进行高温热处理的钢琴用云杉木材的尺寸稳定性最好。冯德君等[12]研究表明热处理能够极大地降低木材的吸湿性, 同时提高木材的尺寸稳定性。

2.3.3 木材干燥 木材干燥工艺是制作音板的重要环节，干燥质量的好坏直接影响到音板的声学品质。木材因受环境湿度的变化产生干缩湿涨，为了避免音板在使用过程中变形开裂，必须对音板原材料进行干燥，以保障木材含水率与环境湿度相对平衡。一般先自然风干一段时间将含水率降到15%左右，再进行人工干燥，最终将含水率控制在6%～9%左右。干燥结束后需对进行木材恒温恒湿处理，以使木材内部含水率均匀，消除应力。

2.3.4 胶合质量 实木钢琴音板的共振板是由板条斜拼而成，肋木固定在共振板下方。控制好共振板和肋木的胶合质量，使其胶合强度值应不小于0.8 MPa，以保障音板声学品质和使用寿命。

3 音板声学品质评测方法

我国乐器音板声学品质传统的评测是依靠乐器技师实践经验，通过主观听觉和的感觉来判断音质并进行修正。没有定量的参数或指标值来进行客观评价，评价术语也不统一，且主观的感觉受个人心理及文化的不同而造成差异。因此传统的评测方法比较落后，不利于乐器行业发展，也制约我国高品质乐器的生产能力。近年来由于电子技术和计算机技术的进步，虚拟仪器(即检测分析软件)、频谱分析仪等引入音板声学品质的检测中，使音板声学品质有了比较客观的评测技术手段。

3.1 模态试验分析法

模态是指动力结构的固有振动特性，用固有频率、阻尼系数和固有振型等模态参数来描述。模态分析即结构固有振动特性的分析，目的是为了获得模态参数。音板声学品质模态试验分析法是通过试验采集激励力信号及振动响应信号，经过数据转换，求得频响函数(频响函数是用模态参数来表示)。从求得的频响函数估计出音板的模态参数。对音板固有频率、阻尼系数、固有振型等模态参数进行分析得出音板固有振动特性。

3.1.1 操作步骤 模态试验测量系统安装前要进行测量方案的设计，包括设置边界条件、选择激励方式、激励器、传感器、数据采集分析仪器等。边界条件，即试验结构的支撑方式，应该模拟实际安装方式。激励器和激励方式的选择以符合音板实际工作时的激励方式为原则。传感器的选择以信噪比大，满足信号不失真，尽量工作在线性区域内，体积小、重量轻、结构简单为原则。传统的分析仪器主要为频谱分析仪。随着计算机技术发展，由于频谱分析仪价格昂贵，体积大，不便于携带等缺点。虚拟频谱分析仪(模态分析软件)，以软件代替了硬件，使分析工作更方便、快捷。如模态分析软件ModalView具有强大的模态分析功能。根据相关文献[13-16]音板声学品质模态试验分析评测步骤为：(1)建立试验装置，即固定音板、安装传感器、连接数据采集系统等；(2)采集数据，计算频响函数；(3)模态参数识别；(4)结果验证。

3.1.2 优缺点 模态试验分析法是通过试验分析音板的振动特性，其具有测量数据准确、可靠的优点。但由于需制作实际尺寸音板，设计安装试验装置系统，且任何参数的修改都需重做试验。因此过程复杂、成本高、花费时间长。目前此方法还无法实现应用于音板生产过程中的质量控制及结构设计。

3.2 基于ANSYS有限元评测法

有限元法是求解各类工程问题近似解的一种数值计算方法[21]。基于ANSYS有限元评测音板声学品质的方法是将分析的音板实体结构离散成互不重叠的有限个微小单元体，其各相邻单元由节点连接。用这些离散的单元集合体的振动特性代替整个音板的振动特性，借助有限元软件ANSYS计算出音板振动特性参数，包括固有频率、阻尼系数、固有振型等，分析这些参数得出音板的固有振动特性。

3.2.1 操作步骤 根据相关文献[17-22]基于ANSYS有限元评测音板声学品质的过程主要分以下为五个步骤：(1)对音板进行实测，并分析其结构、材料及其边界条件等影响评测结果的因素；(2) 绘制二维平面图，建立3D模型并导入有限元分析软件ANSYS；(3)定义音板尺寸及其材料物理属性；(4)对音板进行网格划分后施加边界条件及载荷；(5)求解并对结果进行分析。

3.2.2 优缺点

(1)优点

基于ANSYS有限元法对音板的声学品质进行评测，整个过程都是借助计算机软件ANSYS进行模拟，不必制作音板和设计安装试验装置系统，就能进行评测。因此该法方便快捷，节约成本和时间。可实现生产过程中指导音板结构设计修改及其质量控制。

(2)缺点

基于ANSYS有限元法对音板的声学品质进行评测的建模或修改模型过程复杂繁琐，对操作人员的专业知识水平要求高，要求既了解乐器的结构又能熟练操作软件；且分析过程中，各种因素会造成数据不准，原因如单元类型选择不正确，物理属性及尺寸数据输入错误，网格划分不恰当，边界条件和载荷不正确等。因此该方法目前主要应用于科研中，还没能普及于实际生产中。

4 展望

目前，木材声振动性能方面研究已经相当广泛，相对比较成熟，基本掌握了木材声振动特性参数的影响因子。但对于指导音板声学设计及生产过程中质量控制的评测手段相对还不成熟。模态试验分析法过程复杂、成本高、耗时长；基于ANSYS有限元评测法对操作环境及操作人员专业知识要求都比较高，且建模或修改模型过程繁琐复杂，工作量大。因此目前这两种方法还无法应用于实际生产的过程控制。针对基于ANSYS有限元评测法的缺点，可借助编程软件和ANSYS中的APDL参数化设计语言相结合进一步开发乐器音板专用铺助评测软件，使每种铺助评测软件都有针对性，根据相应的乐器音板进行设计开发。达到音板建模及其属性定义参数化，便于音板结构优化设计。使操作步骤简单程序化，不受使用者专业和技术的限制，从而实现普及生产中。

为了实现音板的声学设计及声学检测方面达到简单、快捷、节约成本的目的。应加强虚拟仪器方面的研究。虚拟仪器利用计算机强大资源，使硬件软件化；测量系统功能更强大，更灵活；使设计、检测模块化；携带方便，检测成本低；便于实际场所应用普及。木材振动性能的测定、音板用材及加工质量控制、音板声学品质的检测，最终目的是为了能够生产出高品质乐器，而乐器音色的优劣是评测中最难掌握的。如果能引入虚拟仪器对乐器声学品质进行评测，模拟人耳对信号进行采集，模拟人的神经系统对乐器的乐音进行分析，乐器的声学评测也将非常简单、快捷、且成本低。

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TheMainFactorsAffectingAcousticQualityofSoundboardandtheMethodstoEvaluatetheAcousticQualityofSoundboard

LEI Fu-juan1,2, HUANG Teng-hua1,2*, CHEN Gui-dan1,2

(1.ForestryAcademyofGuangxi,Nanning,theGuangxiZhuangAutonomousRegionGuangxi530002;2.ForestProductQualityInspectionCenter,Nanning,theGuangxiZhuangAutonomousRegionGuangxi530002)

This paper summarizes the main factors affecting the wood soundboard acoustic quality: wood acoustic vibration property, soundboard structure and processing technology etc.. and the parameters related to acoustic vibration property like density, moisture content, S2 layer of microfibril angle, cellulose crystallinity, ring width, latewood percentage and variation coefficient. Based on that, the approaches to controlling the soundboard acoustical quality regarding the selection of high-quality raw materials and reasonable design of the soundboard structure and the manufacturing process etc. were introduced. The shortcomings of traditional soundboard acoustical quality judgment evaluation method by subjective experience were analyzed and two objective evaluation methods like modal test analysis and finite element evaluation based on ANSYS were put forward.

Acoustic vibration property of wood; soundboard; acoustic quality; evaluating

S781.3

A

1001-2117(2017)05-0085-05

2017-05-16

雷福娟(1977-)，女，汉族，广西桂林人，本科，工程师，主要从事木材科学研究工作。