基于人工林杉木热处理的古琴面板声学性能优化分析

贺舒

摘要：文章基于人工林杉木，通过超声处理、高温热处理、超声一高温热处理相结合三种工艺，优化古琴面板声学性能。研究结果表明，超声280W、340W、400W，时间8min、9min、lOmin状态下，超声处理功率与时间增加趋势下，杉木制古琴面板声学性能呈先增加后下降的趋势得以改善，尤其是木材对数衰减系数。人工林杉木制古琴面板声学性能优化条件为：超声400W，时间8min，高温220℃，保温时间30min，优化性能效果与陈放古木相接近。超声处理与高温热处理对于杉木制古琴面板声学性能参数影响不可忽视，可以降低木材提取物，提高木材结晶度等方式，改良木材声学性能，优化古琴面板声学性能。

关键词：人工林杉木;热处理;古琴面板;声学性能

中图分类号：0421+.6：S781.38

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2019）08-0101-04

热处理木材的化学与物理性质发生永久性变化，主要是由半纤维素热解所引发。特别是多糖醛酸发生化学反应，生成吸湿性较差的聚合物，加热导致吸着水去除，细胞壁纤维素非结晶区分子链间距缩短，而生成新型氢键结合。在热处理进行中，温度上升，反应持续发生。通过热处理之后木材由于湿度差异出现微小干缩与湿胀变化，生物耐腐蚀性显著强化，抽取物被提取，木材质量减轻，含水率下降，隔热性能提升，声学性能优化[1]。

1 材料方法

1.1 材料

人工林杉木取自广西，初始含水率大约在lOO%。左右。原木材经过锯切之后，利用径切板加工，成为230mmx50mmx3mm规格试件。其中不存在明显节子与缺陷，端面无毛刺，含水率均匀分布。太和坊提供古木，即百年老房梁木，以为面板老料对比。

1.2 性能测试

选用薄板木质材料力学性能检测分析仪，测量振动性能，即实木、纤维板、胶合板等木材比动态弹性模量与对数衰减系数等相关参数。[2]

1.3 试件处理

将木材划分为五组，即C、G、Z、K、M。C代表超声处理;G代表高温热处理;K代表空白对照;M代表古木。针对试件检测苯醇提取物、结晶度、比动态弹性模量、对数衰减系数，超声处理基于蒸馏水环境开展，高温热处理之后，需调整试件到平衡含水率状态，以与古木组比较分析。分析处理结果，布设Z组处理条件，即C组与G组最佳条件相结合，探寻最佳超声一高温热处理条件。

1.4 计算方法

1.4.1 比动态弹性模量

比动态弹性模量为顺纹方向细胞壁平均动杨氏模量，可据此判断振动加速度。计算公式，即：

F=f/ρ

（1）

其中，F代表比动态弹性模量;f代表弹性模量;ρ代表木材密度。

1.4.2 对数衰减系数

对数衰减系数是指木材由于摩擦损耗导致能量损耗。在外部冲击或周期力作用下，发生振动，在外力停止作用后，木材处于阻尼振动状态，振幅在时间增加趋势下渐渐衰减。两个连续振动周期振幅比值的自然对数即是对数衰减率，计算公式，为：

σ=ln（Q1/Q2）=α×P0

（2）

其中，σ代表对数衰减率;Q1与Q2表示两个连续振动周期振幅;α代表内部阻尼系数;P0代表自由振动周期。[3]

2 结果分析

2.1 超声处理模式下的声学性能参数

不同超声处理条件对杉木制古琴面板具体参数的影响，如表1、表2所示。

由表2可知，超声处理模式对杉木制古琴面板的对数衰减系数影响较为明显。时间在8min、9min时，不同功率处理的对数衰减系数都有明显降低趋势，与古木对比差异相对显著。时间在lOmin时，340W与400W功率状态下，与古木相接近。

2.2 高温热处理模式下的声学性能参数

不同高温热处理条件对杉木制古琴面板具体参数的影响，如表3、表4所示。

由表3可知，高溫热处理时间30min条件下，热处理温度不断升高，杉木制古琴面板比动态弹性模量则逐渐升高，最高温度220℃状态下，与古木相接近。

由表4可知，高温热处理可优化杉木制古琴面板对数衰减系数。保温时间30min条件下，热处理温度不断升高，杉木制古琴面板对数衰减系数则逐渐降低，最高温度220℃状态下，低于古木。[5]

2.3 木材物理性质与面板声学性能参数的相关性

古琴面板振动效率品质，为面板将振动获取能量转变为声能辐射性能。在结构上，提取物与结晶度含量对木材振动效率影响比较突出。对数衰减系数与提取物之间的相关性，二者拟合关系为：

y= 0.005x+ 0.017

（3）

R2= 0.809

（4）

其中，x为提取物含量;y为对数衰减系数;R2为相关系数。对数衰减系数与提取物含量相关性，即0.809，表明二者呈高度正相关性关系。

比动态弹性模量与结晶度之间的相关性，二者拟合关系为：

y= 2.038x - 45.2

（5）

R2= 0.971

（6）

比动态弹性模量与结晶度相关性，即0.971，表明二者呈高度相关性关系，所以以提高结晶度的方式，可增加比动态弹性模量，从而优化古琴面板声学性能[6]。

2.4 基于超声处理与高温热处理相结合的声学性能参数

不同结合处理状态时，杉木制古琴面板声学性能具体参数，如表5所示。

由表5可知，基于比动态弹性模量与结晶度越大，对数衰减系数与提取物含量越小，选择最佳结合处理状态，即24组，其超声处理条件为：超声400W，时间8min;高温热处理条件为：温度220℃、时间30min。

不同处理状态最优结果对比分析如表6所示。

由表6可知，超声处理与高温热处理二者结合的处理结果中，比动态弹性模量明显更优，却与古木存在显著差异，对数衰减系数也更佳，且优于古木。结果表明，超声处理与高温热处理相结合条件下，短期内处理杉木制古琴面板可获得与古木相接近的良好性能[7]。

3 结语

综述，古琴琴身是由面板与底板构成，面板选材与加工十分关键，与音质、音效息息相关，良琴主要以多年古木作为面板木材，但是古木数量偏少，需要寻求可取代木材。因此，古琴面板研究不断深化具有重要的现实意义。文章选用人工林杉木，通过超声处理、高温热处理、超声一高温热处理相结合三种工艺，优化了古琴面板声学性能。研究结果表明，人工林杉木制古琴面板声学性能优化条件为：超声400W，时间8min，高温2200C，保温时间30min，优化性能效果与陈放古木相接近。超声处理与高温热处理对于人工杉木声学性能参数有着一定影响，以此可降低木材提取物，提高木材结晶度，促使木材对数衰减系数下降，比动态弹性模量提高，从而强化振动性能，改良优化古琴面板声学性能。

参考文献

[1]许震宇，于洋，复合材料古琴的动态弹性性能研究[J].玻璃钢/复合材料，2015（8）：10-13.

[2]陈康乐，冯德君，张英杰，等，高温热处理对木材力学性能的影响[J].西北林学院学报，2013，28（5）：164-166.

[3]朱玲静，刘一星，刘镇波，等，高温热处理对尾叶桉木材声学振动性能的影响[J].广西林业科学，2017，46（2）：140-145.

[4]全鹏，李芸，牟玉妹，等，高温热处理对UF树脂改性杉木吸湿性和耐湿尺寸稳定性的影响[J].中南林业科技大学学报，2018，38（9）：126-130.

[5]王沈南.热处理温度对杉木木材性质的影响机制研究[D].北京：中国林业科学研究院，2017.

[6]储德淼，超声/高温热处理对古琴面板声学性能的影响[J].木材加工机械，2016（4）：45-50.

[7]武亚峰，黄文娟，赵紫剑，等.不同溶剂抽提对杉木声学振动性能的影响[J].林产工业，2017，44（3）：21-25.