吸湿循环处理对常用乐器用材声学振动性能的影响

2021-10-20余德倩赵晨鹏翟胜丞陈冰炜阚玉娜王正

林业工程学报 2021年5期

余德倩，赵晨鹏，翟胜丞*，陈冰炜，阚玉娜，王正

(1. 南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；2. 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037)

乐器作为音乐产生的硬件，针对乐器用材品质的研究对于推动音乐的发展至关重要。在生产过程中，除了制造工艺，乐器的制作原料对乐器质量也有着重要影响。乐器用木材对于树种、纹理方向、年轮宽度、晚材率等均有较高的要求[1]。就树种而言，国外的钢琴、小提琴、大提琴等通常使用西加云杉做共鸣板，中国的传统乐器如古琴、古筝、瑟、琵琶等，共鸣面板常用材料为泡桐、梓木、杉木。木材声学性能的好坏主要取决于振动效率的高低，声学振动性能可以用比动弹性模量(E/ρ)、声辐射阻尼系数(R)、声阻抗(ω)等参数进行综合评价[2]；比动弹性模量和声辐射阻尼系数较大且声阻抗较小时，有利于声能量的高效率转换或响应速度的提高[3]。

目前，木质乐器制造过程中木材原料长时间自然老化是重要环节[4]。经过长时间自然老化的木材，由于纤维素的再结晶和半纤维素的解聚，降低了木材吸湿性，使发音效果更稳定，声学振动性能更好，因此，自然老化被认为是提高木材声学性能的有效手段。然而，木材自然老化非常缓慢，所需时间长达几十年至几百年不等。通过改性常用乐器用材，短时间内即可达到原本需要几百年自然老化的效果，不仅能满足人们对乐器质量的更高要求，而且有利于乐器用材的生产和乐器制造业的进一步发展。高温热处理[5-7]、化学药剂浸渍处理[8]以及吸湿循环处理[9-10]等是国内外研究改善木材振动性能的常用方法。赵美霞等[11]采用超声和高温热处理相结合的方法对人工林杉木进行处理，研究发现处理后的杉木结晶度得到提高，木材的声学振动性能得到有效改善。在400 W功率超声处理8 min，并在220 ℃下热处理30 min的杉木声学振动性能最接近陈放古木。秦丽丽[12]比较了糠醇、聚乙烯醇浸渍对泡桐(Paulowniaelongata)的处理效果，结果表明，浸渍处理后的泡桐声学振动性能有所提高，其中聚乙烯醇浸渍处理改良效果最好。Se Golpayegani等[13]模拟传统湿热处理方式，通过减少抽提物含量或者降低含水率提高木材声学振动性能，对比发现吸湿循环处理对桑树(Morusalba)的声学性能改善显著优于冷水浸泡和短期热水处理。前人研究多集中于探索有效的改性处理方法，而有关木材本身解剖构造的特异性对改性效果的影响并未进行深入研究。

本研究以泡桐、梓木、杉木这3种中国传统乐器用材以及西加云杉这一西洋常用乐器用材为研究对象，并对试件进行吸湿循环处理，探讨吸湿循环处理对不同树种木材声学振动性能的改良效果，以期为乐器用木材声学振动性能的改良研究提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

选取泡桐(Paulowniasp.)、梓木(Catalpasp.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、西加云杉(Piceasitchenrsis)4种木材为研究对象。将无开裂变形、无腐朽、无变色、无节子、无虫眼等可见缺陷的原材料加工成规格为250 mm(纵向)×50 mm(径向)×15 mm(弦向)的试件，各表面均用砂纸打磨平整。各树种加工3个试件，并置于温度25 ℃、相对湿度60%的环境中平衡，以备测试。

声学性能测试所用设备为CRAS振动及动态信号采集分析系统，主要包括信号调理箱、信号采集箱及其配套分析软件。

1.2 解剖构造

1.2.1 解剖特征观察

在试样上截取5 mm×5 mm×5 mm的样品，经YAMATO滑走式切片机制备厚度为15 μm的切片，采用1%(质量分数)的番红溶液染色，梯度脱水并透明处理后封片。采用OLYMPUS BX51光学显微镜对切片进行观察并拍照，并用Image J软件测量组织比量。

1.2.2 纤维形态测定

采用富兰克林离析法对试样进行解离。分别取各样品直径约1 mm的小木条置于试管中，加入适量冰醋酸和30%双氧水配置成的解离液(体积比1∶1)，于75 ℃水浴加热12 h对试样进行解离，解离后的试样用蒸馏水反复清洗至中性。向试管滴入适量1%番红溶液，混合均匀。将样品置于生物显微镜下进行拍照，用Motic Images Plus软件测量木材纤维/管胞的长度、宽度和双壁厚。随机测定30个，取平均值，并计算标准差。由于针叶材早晚材管胞形态差异较大，管胞直径(宽度)以径向直径为准。

1.3 吸湿循环处理

吸湿装置为装有NaBr饱和盐溶液的干燥器，试验过程中控制吸湿装置温度为25 ℃、相对湿度为60%。吸湿循环过程包含两步：1)试样置于烘箱中60 ℃处理48 h；2)处理过的试样放入吸湿装置中恒湿处理，完成一次循环。该试验共完成4次循环处理，并对每一次吸湿循环处理前后的试样称质量，并进行声学振动性能的测试。

循环处理结束后，参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》，将试样置于烘箱中(105±2) ℃处理，当试样的质量基本达到恒定时，再测定试样的绝干质量，计算试样各阶段的含水率。各阶段试样编号为：未处理材(CK)、处理1次(BA1)、处理2次(BA2)、处理3次(BA3)、处理4次(BA4)。

1.4 声学振动性能测试方法和参数计算

基于梁的振动理论，采用两端自由的边界条件，用CRAS振动及动态信号采集分析系统测定木材的各项声学振动性能。在距离木材试件两端0.224L(L为木材纵向长度)处用橡皮筋将其悬挂，实现自由梁[14]，如图1所示。将加速度传感器用双面胶粘在试件一端的中间，用小铁锤敲击另一端对应位置，使其产生振动。加速度传感器将振动信号转化为电信号，信号经过放大、滤波，再由A/D转换器转换成数字信号后，对其进行数字化分析处理，得到试件的一阶固有频率。为了排除环境变化对测试的影响，测试均在25 ℃、相对湿度60%的环境中进行。

图1 声学频率测试系统示意图Fig. 1 The acoustic frequency test system schematic diagram

利用测得的试件尺寸、密度以及一阶固有频率，根据式(1)计算弹性模量(E)[15]：

(1)

式中：ρ为试件密度，kg/m3；h为试件厚度，m；f1为一阶固有频率，Hz。

声辐射阻尼系数(R)根据式(2)计算得到：

(2)

式中，ν为声速，m/s。

声阻抗(ω)根据式(3)计算得到：

(3)

2 结果与分析

2.1 不同乐器用材显微构造的差异

试验所用4种乐器用材的横切面显微构造见图2。泡桐(图2a)和梓木(图2b)均为阔叶环孔材，生长轮明显，早晚材急变；此外，泡桐的薄壁组织较发达。杉木(图2c)和西加云杉(图2d)均为针叶材且生长轮明显，早晚材急变；杉木轴向薄壁细胞呈星散状，西加云杉具有树脂道。

注：V为导管分子(管孔)；R为木射线；AP为轴向薄壁细胞；C为树脂道。图2 不同乐器用材横切面显微构造Fig. 2 Micro-structure of different wood species for musical instruments

各树种木材解剖构造的组织比量见表1。泡桐中的导管组织比量为17.77%，较梓木高3.26%；2种针叶材管胞的组织比量明显高于阔叶材木纤维的组织比量，其中杉木最高为94.33%，泡桐最低仅为61.33%。试验还对所用原料的纤维/管胞形态进行了测定，结果如表2所示，试验所用2种针叶材的管胞长度和直径均大于阔叶材。其中，西加云杉的管胞长宽比最大为95.2±27.1，约为泡桐纤维的3倍。西加云杉和杉木的双壁厚分别为(10.1±3.1)和(9.2±2.1) μm，约为泡桐和梓木的2倍。已有研究表明，木材的比动弹性模量和声阻抗会随细胞壁平均厚度的增大而减小[16]。Baar等[17]以4种热带阔叶材为研究对象，发现木材的动态弹性模量随着射线组织体积的减小而增大，具有较长纤维和较细射线的木材声学性能更好。

表1 各树种木材解剖特征的组织比量Tabel 1 Tissue ratios of anatomical characteristics of each wood species %

表2 各树种木材纤维/管胞形态Tabel 2 Fiber/tracheid morphology of each wood species

2.2 吸湿循环处理前后声学振动性能的比较

2.2.1 吸湿循环处理前后试件含水率和比动弹性模量的变化

吸湿循环处理过程中试件含水率和比动弹性模量的变化情况见图3。含水率是影响木材振动性能的重要因素[18]。吸湿循环处理后，含水率下降；第1次循环处理后显著下降，之后略有下降。比动弹性模量是评价木材声学振动性能的重要指标，比动弹性模量越大，木材的声学振动性能越好[19]。由图3b可以看出，吸湿循环处理后，针叶材的比动弹性模量大于阔叶材。有研究表明，细胞组成越单一，结构越均匀，木材的比动弹性模量越大[20]。针叶材中管胞和木射线排列越均匀，木材振动效率越高[21]。因此，纤维长度的差异可能造成针叶材比动弹性模量高于阔叶材。Brancheriau等[22]研究发现，纤维越长，长宽比越大，越有利于声波在木材中的传播。

图3 吸湿循环处理过程中试件含水率和比动弹性模量的变化Fig. 3 The moisture content and specific dynamic modulus of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸湿循环过程中，木材比动弹性模量均有所增大，阔叶材的增长率远大于针叶材。增长率最大的泡桐为27.95%，增长率最小的西加云杉为3.84%，这是由于比动弹性模量受弹性模量和密度的影响。结合图3a可知，木材含水率的降低是比动弹性模量提高的主要原因。赵美霞等[11]对杉木进行高温热处理的研究中发现，处理后杉木的比动弹性模量最大为19 308.34 MPa，接近陈放古木。本研究中吸湿循环处理后，杉木的比动弹性模量达到23 970.48 MPa，也接近陈放后杉木的性能[23]。

2.2.2 吸湿循环处理前后声辐射阻尼系数的变化

声辐射阻尼系数是评价声学振动性能的重要指标之一，声辐射阻尼系数较大时，更有利于声波在木材中的传播[3]。吸湿循环处理过程中声辐射阻尼系数的变化如图4所示。

图4 吸湿循环处理过程中试件声辐射阻尼系数的变化Fig. 4 Sound radiation coefficients of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸湿循环处理后，杉木的声辐射阻尼系数最大为15.21 m4/(kg·s)，梓木最小为8.46 m4/(kg·s)。其中，泡桐的声辐射阻尼系数优于西加云杉，这与比动弹性模量的结果有所差异。Brancheriau等[22]的研究发现，轴向薄壁组织是具有优良声学性能的木材组织，呈少量且均匀的傍管状最好。泡桐中较为发达的轴向薄壁组织可能导致其具有更高的声辐射阻尼系数。阔叶材中，泡桐的声辐射阻尼系数为13.46 m4/(kg·s)，约为梓木的2倍，这可能是由于泡桐的纤维长度大于梓木。在马丽娜[24]对几种针、阔叶材构造与声学振动性质的关系研究中也有类似发现，纤维长度越长，振动效率越高，木材的声辐射阻尼系数越大。针叶材中，杉木的声辐射阻尼系数大于西加云杉，这与沈隽[25]关于云杉属木材构造对声学振动参数的研究中，木材的纤维长度和长宽比越大，木材的声辐射阻尼系数越大的规律不一致。这可能是由于西加云杉木材具有树脂道，结构均匀程度有所下降，其影响程度大于管胞长度和长宽比，导致声辐射阻尼系数降低。

吸湿循环处理过程中声辐射阻尼系数均增大，其中泡桐的增长率最大，为44.37%，西加云杉最小，为7.90%，阔叶材的增长率远大于针叶材，其中对泡桐的声辐射阻尼系数提高最有效。这是由于声辐射阻尼系数是木材中声速与木材密度之比，吸湿循环处理过程中木材水分的减少会使木材密度降低，且水分含量的降低能提高声速[26]。

2.2.3 吸湿循环处理前后声阻抗的变化

声阻抗是衡量声音在传播过程中所受阻力的参数，其值越大阻力就越大，产生的声音就越细弱，反之则越洪亮[27]。吸湿循环处理前后4种试件声阻抗的变化如图5所示。吸湿循环处理前，声阻抗从大到小依次为梓木>西加云杉>杉木>泡桐，分别为2.51，2.26，1.64和1.62 MPa·s/m。吸湿循环处理后，声阻抗从大到小依次为：西加云杉>梓木>杉木>泡桐，分别为2.13，2.12，1.53和1.43 MPa·s/m。其中，梓木的声阻抗变化率最大为-15.54%，西加云杉最小为-5.75%。吸湿循环处理对于4个树种均有降低声阻抗的作用。Obataya等[28]研究了在环境条件下间歇干燥和调质过程对云杉木材振动特性的影响，发现随着木材水分的减少，密度降低，木材振动传播的阻力减弱，声学性能提高。

图5 吸湿循环处理过程中试件声阻抗的变化Fig. 5 Specific acoustic impedance of the specimen changes during the hygroscopic cycle

结合图3a可以看出，木材含水率变化会导致其声阻抗产生变化，且声阻抗变化规律与含水率基本一致。前人研究发现[29]，泡桐的声阻抗为1.0～2.0 MPa·s/m，吸湿循环处理后，其声阻抗从1.62 MPa·s/m降低到1.43 MPa·s/m，处于较好水平。沈隽[25]研究发现，西加云杉的声阻抗为2.0～3.0 MPa·s/m。本研究中吸湿循环处理后，西加云杉的声阻抗降至2.13 MPa·s/m，处于较好的水平。

2.2.4 吸湿循环处理对木材声学振动性能影响的综合分析

吸湿循环处理是一种常见的人工加速湿热老化试验方法[30]。根据可表征木材声学振动性能的3个参数(比动弹性模量、声辐射阻尼系数和声阻抗)进行综合分析发现，吸湿循环处理提高了木材声学振动性能，这主要是由于吸湿循环处理降低了木材含水率所致。木材可看作是由木材实质(即木材细胞壁)、水和空气组成的系统，木材实质比水分更有利于振动的传播，木材中水分含量的下降有利于提高振动效率[26]。木材细胞壁中水分的减少使木材细胞壁更加密实，更有利于木材的振动。吸湿循环处理2次后比动弹性模量、声辐射阻尼系数和声阻抗这3个参数均达到稳定，原因可能为吸湿循环处理2次后，木材内的水分达到平衡。前人研究不同树种木材经吸湿循环处理后发现，声学振动性能也发生类似变化。如Se Golpayegani等[13]和Karami等[31]分别对桑树、云杉进行温和湿热处理，发现比动弹性模量升高，声音传播的阻力降低，声学振动性能得到提高；Akahoshi等[32]对木管乐器振动簧片进行干湿循环处理，发现干湿循环一次后振动性能急剧升高，然后略有增加或保持不变。此外，吸湿循环处理提高了木材声学振动性能，阔叶材声学振动性能的提高相比针叶材更显著。吸湿循环处理引起木材的含水率变化，而渗透性是影响水分扩散的关键因素。结合前人研究，分析其原因可能为：针叶材水分扩散的主要通道是由管胞内腔和具缘纹孔对组成的毛细管体系，在心材形成过程中，纹孔塞向一侧偏移，形成闭塞纹孔，阻碍了水分的流动；阔叶材主要为彼此间通过穿孔相互连通的导管[33]。佟永萍[34]研究表明，杉木心材纹孔闭塞，渗透性差。鲍甫成等[35]对泡桐的渗透性研究发现，泡桐具有疏导流体的天然特性。