微波处理对辐射松吸声性能的影响*

樊正强 彭立民,2 刘美宏 冯 云

(1.中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所 北京 100091)

当今社会，随着工业迅速发展和城市化进程不断加快，伴随而来的建筑噪声和交通噪声等噪声污染给人们的身体、工作和生活造成了极大困扰，不仅严重影响人们的工作效率和生活质量，而且还可能导致听力下降、引起心脑血管等疾病(Montes-Gonzlezetal.，2018)。使用吸声材料是解决噪声污染、改善室内外声学环境的主要方法之一。

木材是一种可再生、加工性能好的多孔材料，但吸声性能普遍较差。研究表明，除轻木(Ochromalagopus)等特殊木材外(王军锋等，2015；余珊等，2018)，大部分木材的平均吸声系数(α)不超过0.2(Smardzewskietal.，2014；Jiangetal.，2004)，一般不能用作吸声材料(α>0.2被称为吸声材料，α越大，材料的吸声性能越好)。木材吸声性能不佳是因为木材中除纹孔、导管等结构外，其他孔隙相对封闭，且还存在树脂、树胶等物质堵塞孔隙，从而导致声波在木材中传播较为困难(熊伟等，2018)。基于物理法、化学法和生物法等改性手段改变木材自身属性，使木材孔隙率增大、气体渗透性提高，可以达到改善木材吸声性能的目的，如宋博骐等(2015)采用150 ℃高温蒸汽处理樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)，处理后木材细胞壁收缩、胞间层出现间隙，吸声性能得到明显改善，但蒸汽处理存在处理时间长且不均匀的短板；Kang等(2008)采用苯与乙醇混合溶液对日本落叶松(Larixkaempferi)进行脱木质素处理，处理后木材吸声系数提高20%～30%，但化学试剂可能带来环境污染问题；腐朽菌侵蚀杨木(Populus)能够使木材纹孔膜消失，孔隙之间的连通性增加，吸声性能提升，但微生物处理过程不易控制(王东等，2015)。

微波改性具有效率高、处理过程可控、环境友好等优点，是实现木材功能化的重要手段之一。采用微波处理木材时，木材中的水分子会被交变电场迅速极化，旋转摩擦生热，热量使木材中的水分迅速蒸发转化为水蒸气，当蒸汽压力达到纹孔和薄壁细胞等结构的承受极限时，纹孔和射线薄壁细胞甚至厚壁细胞会被破坏形成新的流体通道，内部孔隙连通性增加、孔隙率和渗透性提高(何盛，2014；Pooniaetal.，2016；Torgovnikovetal.，2009)。Wang(2014)采用30 kW功率微波处理樟子松，其吸声性能得到显著提升。

目前，我国对木材的需求量极大，每年都需要从国外进口大量木材。辐射松(Pinusradiata)是我国进口量最大的木材之一，具有生长周期短、加工性能好等优点，广泛应用于室内装饰和家具制造领域，实现辐射松等进口木材高效利用、提高其附加价值具有重要意义。鉴于此，本研究采用高强度微波对辐射松进行改性处理，探究不同微波功率、处理时间和木材纹理方向对辐射松吸声性能的影响，以期提高木材的附加价值、拓展木材的应用领域。

1 材料与方法

1.1 试验材料

辐射松生材木方购于江苏省太仓创秋木业有限公司，产地新西兰，规格为1 200 mm×200 mm×120 mm(轴向×径向×弦向)，密度0.65～0.80 g·cm-3，含水率80%～100%。辐射松的基本构造及主要性质见表1。

1.2 试材处理方法

1.2.1 生材干燥处理 微波处理前，木材含水率不宜过高，否则不仅会导致微波穿透深度大幅下降，而且木材内部温度分布均匀性也会变差，影响最终处理效果(廖春荣等，2017)。将生材木方置于气干棚或干燥窑内进行干燥处理，含水率调控至40%～60%。

1.2.2 微波处理 将干燥后的木方置于连续隧道式高强度微波设备(南京三乐微波技术发展有限公司，型号WX100 L，隧道谐振腔长度0.5 m)中进行微波处理。经初步试验，微波功率选择100、120和140 kW，处理时间选取20和30 s较为合适(试验因素与水平见表2)。若微波功率过小、处理时间过短，微波起到的干燥作用较大，但对微观结构的破坏和木材孔隙率的提升作用较小，不能满足试验需求；若微波功率过大、处理时间过长，可能造成木材表面炭化甚至起火。木材纹理方向选择径切面和弦切面，横切面实际应用价值不大，在此不做讨论。

1.3 吸声性能测试

根据GB/T 18 696.2—2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》测试微波处理材和对照材的法向吸声系数，每组4个试件，每个试件重复测试3次，取平均值。

使用四通道阻抗管系统(北京声望公司)测试1/3倍频程的法向吸声系数。测试系统包括阻抗大管(型号SW422，直径100 mm，测量频率范围63～1 600 Hz)、阻抗小管(型号SW477，直径30 mm，测量频率范围1 000～6 300 Hz)、四通道声学分析仪MC3242和噪声振动测试软件VA-Lab。

测试条件：大气温度19 ℃，相对湿度50%，大气压力101 325 Pa，空气密度1.206 1 kg·m-3，声速342.651 m·s-1，空气特征阻抗413.273 Pa s·m-1，样品厚度20 mm，板后空腔50 mm。

1.4 含水率和密度测试

根据GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》和GB/T 1933—2009《木材密度测定方法》测试辐射松试样含水率和密度，重复测试5次，取平均值。

1.5 微观结构形貌观察

将微波处理材和对照材的径切面和弦切面加工成5 mm×5 mm样品，用导电胶固定样品后使用离子溅射仪对其进行喷金处理，移入样品仓，通过扫描电子显微镜(日立公司S-4800，加速电压10 kV)观察辐射松管胞和纹孔等微观结构形貌。

1.6 解剖构造观察和组织比量测算

使用滑走切片机(型号LEICA SM 2010R)将浸泡好的辐射松样品切成厚15 μm的三切面切片，先用2%番红水溶液染色1～2 min，再用梯度乙醇溶液脱水处理，经二甲苯冲洗至完全透明为止，滴加少许加拿大树胶制成永久切片，通过光学显微镜(型号基恩士VHX-6000)观察其解剖构造；运用ImageJ软件对辐射松横切面进行图像特征处理，测算木材组织比量。

2 结果与分析

与对照材相比，微波处理材密度和含水率显著下降，不同处理条件下辐射松吸声性能均有不同程度提升，吸声系数提高4.79%～201.9%，平均吸声系数最高达0.320(表3)。功率在120 kW(包括120 kW)以下，微波处理材裂缝不明显，功率在120 kW以上，微波处理材裂缝明显。处理材裂缝是否明显与木材含水率和接收到的总能量有关，在木材内部自由水充足的条件下，当木材接收到的总能量超过某个阈值，其内部就会在短时间内产生足够的水蒸气压力破坏自身结构，进而出现明显裂缝。

表3 微波处理材的吸声性能①Tab.3 Sound absorption performance of microwave treated wood

2.1 辐射松的解剖构造和微观结构形貌

观察图1中辐射松微观三切面组织切片发现，早晚材管胞呈方形、不规则多边形和卵圆形，在木材组织中占比最大(约91.1%)，为辐射松的主要构造；早材管胞壁较薄，且大于晚材管胞；在弦切面可以观察到辐射松存在单列和纺锤形2类木射线，单列木射线大多高3～10个细胞，纺锤形木射线具有径向树脂道，单列木射线数量远多于纺锤形木射线；在径切面可以观察到管胞壁上具有1列具缘纹孔、1～2个松木型交叉场纹孔。

图1 辐射松微观三切面解剖构造Fig.1 The anatomical structure of three main sections of radiata pineA:横切面Cross section；B:弦切面Tangential section；C:径切面Radial section.

木材在构造上是一种非均一的有机体，各方向解剖构造不同是各切面吸声系数差异的主要原因。辐射松径切面和弦切面的解剖构造差异主要体现于木射线(在组织中占比约8.1%)，弦切面可以观察到较为丰富的木射线，因而弦切面的微观孔隙多于径切面。

图2A、B为辐射松对照材和微波处理材管胞胞间层的扫描电镜图，对照材轴向管胞之间连接紧密，纹孔结构完好，而微波处理材出现明显裂隙，这是因为裂隙处胞间层的连接相对其他地方薄弱，高强度微波处理使细胞内部水分汽化破坏了胞间层的连接。图2C、D为辐射松对照材和微波处理材管胞壁上纹孔的扫描电镜图，对照材大部分纹孔结构完好，经微波处理后纹孔缘被破坏，部分纹孔膜消失，纹孔口打开。图2E、F显示管胞壁上出现裂纹，裂纹与细胞轴向夹角30°左右，对应管胞壁主体结构的S2层(刘一星等，2012)，这表明管胞壁裂纹是沿着S2层微纤丝排列方向裂开的。

图2 微波处理前后辐射松径切面微观结构形貌Fig.2 Microstructure morphology of radial section before and after microwave treatment of radiata pineA：对照材胞间层；B：微波处理材胞间层破裂；C：对照材闭塞纹孔；D：微波处理材纹孔口打开；E：微波处理材管胞壁出现细微裂纹；F：微波处理材管胞壁裂纹(微波功率140 kW，处理时间30 s，含水率40%～60%)。A:True middle lamella of control samples;B:True middle lamella of microwave treated samples cracked;C:The control samples had aspirated pit;D:Pit aperture opened after microwave treatment;E:Micro-cracks appeared in the cell wall of microwave treated samples;F:Tracheid wall crack after microwave treatment(microwave power is 140 kW,treated time is 30 s,moisture content is 40%-60%).

上述微观结构变化说明，微波处理对辐射松木材至少产生纹孔膜消失、胞间层和管胞壁破裂3种影响，这些改变可以提高木材孔隙率和气体渗透性，使声波在木材中传播更为通畅，耗散更多声能，从而提高吸声性能。

2.2 微波功率对辐射松吸声性能的影响

当处理时间为30 s、木材纹理方向为弦切面时，不同微波功率处理条件下 20 mm厚辐射松的吸声系数如图3所示，与陈瑞英等(1994)研究结果相吻合。微波处理材和对照材在1 000 Hz以下的低频范围内变化不显著，吸声系数呈先上升后下降的趋势；在1 000 Hz左右出现吸声低谷，吸声低谷出现是由于样品面积过小，在阻抗大管与阻抗小管频率交界处(1 000～1 600 Hz)引起的边缘效应所致(王鹏等，2008)；在1 000 Hz以上差异显著，吸声系数随频率升高呈上升趋势，其中140 kW微波处理材吸声系数上升趋势最大，对照材吸声系数趋于平稳。不同条件下微波处理材的平均吸声系数相比对照材均有显著提升，微波功率越大，吸声性能越好，140 kW微波处理材的平均吸声系数高达0.320，比120、100 kW微波处理材和对照材提高37.3%、39.7%和91.6%。

图3 不同微波功率处理条件下辐射松的吸声系数Fig.3 Sound absorption coefficient of radiata pine in different microwave powers

微波处理材和对照材在1 000 Hz以下频段存在1～2个共振峰，这是由材料自身共振造成的，当入射声波频率接近材料固有频率时，更多声能会在材料的共振效应作用下转化为机械能散失，导致在固有频率处形成吸声波峰；在1 000 Hz以上频段时，低密度木材的吸声性能显著大于高密度木材，这是因为木材密度越低，流阻越小，中高频段的吸声性能对较低流阻具有选择性(王东等，2015)。

微波处理材的吸声系数在1 000 Hz以上高频范围比低频范围差异更显著，这是因为，首先，微波改性处理导致木材微观结构破坏，孔隙之间连通性增加、孔隙率提高(孔隙率由对照材的64.7%最大上升至74.0%)，孔隙率提高对高频范围的吸声性能提升更大(Chungetal.，2017)，且可使更多声波进入木材内部，木材内部的比表面积增加，声波与木材内部孔壁摩擦增多从而提高吸声性能；其次，高频声波的波长较短，不易发生衍射。

2.3 处理时间对辐射松吸声性能的影响

当微波功率为140 kW、木材纹理方向为弦切面时，不同处理时间条件下20 mm厚辐射松的吸声系数如图4所示。微波处理材的吸声系数在整个频段几乎均高于对照材，30 s处理材的平均吸声系数比20 s处理材和对照材分别高28.5%和91.6%。在63～1 000 Hz频段，微波处理材的吸声系数呈先上升后下降的趋势，30 s处理材和20 s处理材的平均吸声系数相差不大；在1 000 Hz以上频段，微波处理材的吸声系数均呈上升趋势，30 s处理材的平均吸声系数比20 s处理材提升113.9%。

图4 不同处理时间条件下辐射松的吸声系数Fig.4 Sound absorption coefficient of radiata pine in different treated times

在微波功率、木材纹理方向相同的条件下，处理时间越长，辐射松吸声效果越好，这是因为当木材中自由水含量一定时，处理时间越长，产生的水蒸气越多，蒸汽压力越大，对木材微观结构的破坏作用越强，能够产生更多相互连通的孔隙通道，使得声波更易与孔隙内壁摩擦耗散声能；但当处理时间超过某个阈值后，木材中自由水全部变为水蒸气散失，新的孔隙通道不再增加，木材平均吸声系数趋于稳定。

2.4 径切面与弦切面的吸声性能对比

当微波功率为140 kW、处理时间为30 s时，不同木材纹理方向条件下20 mm厚辐射松的吸声系数如图5所示。微波处理材的吸声系数在整个频段几乎均高于对照材，对照材径切面的吸声系数在1 000 Hz以上低于对照材弦切面，在1 000 Hz以下高于对照材弦切面，二者吸声系数在高频范围内趋于不变。相同微波处理条件下，处理材弦切面的平均吸声系数比径切面高9.6%～29.6%。

图5 不同木材纹理方向条件下辐射松的吸声系数Fig.5 Sound absorption coefficient of radiata pine in different wood grain directions

由辐射松的解剖构造(图1)可知，径切面和弦切面结构相近，主要差异在于木射线。辐射松弦切面存在丰富的单列木射线和少量纺锤形木射线，在组织中占比约8.1%。木射线是木材中唯一沿径向排列的细胞，弦切面是木射线细胞的断面，因而弦切面的微观孔隙多于径切面。当有声波入射时，声波与弦切面上微观孔隙摩擦会加速声能耗散，故弦切面的平均吸声系数略高于径切面(陈瑞英等，1994；于海鹏等，2008)；同时，弦切面上早晚材为串联分布，径切面上早晚材为并联分布，早材孔隙大于晚材，声波易发生反射(王东等，2014)。

2.5 吸声系数方差分析与显著性检验

方差分析(表4)表明，微波处理工艺对辐射松的吸声性能存在交互作用。对吸声系数数据进行偏相关分析，结果如表5所示。

表4 吸声系数方差分析与显著性检验①Tab.4 Variance analysis and significance test of sound absorption coefficient

表5 各因素对微波处理材吸声性能的偏相关分析Tab.5 Partial correlation analysis of each factor on sound absorption performance of microwave treated wood

由表4可知，微波功率、处理时间和木材纹理方向对微波处理材的吸声性能均有显著影响，但处理时间和木材纹理方向共同作用对微波处理材的吸声性能无显著影响。由表5可知，微波功率、处理时间和木材纹理方向对微波处理材吸声性能的正相关程度为中等，3个因素对吸声系数的影响顺序为木材纹理方向>处理时间>微波功率。

3 结论

与对照材相比，微波处理材密度和含水率显著下降，不同处理条件下辐射松吸声性能均有不同程度提升，平均吸声系数最高达0.320，分别比对照材径切面和对照材弦切面提升201.9%和91.6%，微波改性处理是提高木材吸声性能的有效方法；不同条件下微波处理材的吸声系数在1 000 Hz以下的低频范围内变化不显著，吸声系数呈先上升后下降的趋势，在1 000 Hz左右出现吸声低谷，在1 000 Hz以上差异显著，吸声系数随频率升高呈上升趋势。微波功率越大、处理时间越长，处理材吸声性能越好，吸声系数曲线上升趋势越大。通过光学显微镜观察辐射松解剖构造，弦切面相较于径切面存在丰富的单列木射线和少量纺锤形木射线，弦切面的吸声性能略好于径切面。扫描电镜观察发现，微波处理材轴向管胞壁和胞间层出现裂缝，管胞上纹孔膜消失，木材孔隙率和相邻孔隙之间的连通性增加，声波在木材内部传播更为通畅，在微观层面上解释了吸声性能提高的原因。方差分析和偏相关性分析结果表明，微波功率、处理时间和木材纹理方向对微波处理材的吸声性能均有显著影响，3个因素对吸声系数的影响顺序为木材纹理方向>处理时间>微波功率。最佳微波处理工艺为微波功率140 kW、处理时间30 s、木材纹理方向选择弦切面。微波处理材的吸声系数最高可达0.320，属于吸声材料范畴。