抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响*

李 瑞 苗媛媛,2 钱晓东 林 斌 金祥龙 李慕之 刘镇波,2

(1.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室 哈尔滨 150040； 2.木质新型材料教育部工程研究中心 哈尔滨 150040)

云杉(Picea)、泡桐(Paulownia)等树种木材具有优良的声学振动性能，常被用来制作乐器共鸣板(余德倩等， 2021； 尹玉雪等， 2021)，其中云杉木材主要用于制作西洋乐器音板，泡桐木材主要用于制作民族乐器音板(常德龙等， 2018)。当前，优质木材资源的日益匮乏对乐器制造行业的可持续发展产生了很大影响，木材声学振动性能的功能性改良越来越受到关注。

木材中含有丰富的抽提物，抽提物的种类、含量以及抽提方法对木材声学振动性能具有不同程度影响(Miaoetal., 2021)，基于木材抽提物的声学振动性能改良得到了学者们的广泛重视。Traore等(2010)采用乙醇-甲苯对木材进行抽提处理，结果发现抽提物含量与密度、动弹性模量和比动弹性模量正相关，与耗损角正切负相关。Brémaud等(2011)以非洲紫檀(Pterocarpussoyauxii)及其抽提物为研究对象，探究抽提物对木材声学振动特性能的影响，结果发现抽提处理后阻尼系数增加，而对比动弹性模量影响较小。沙汀鸥(2015)采用1%NaOH、苯醇、热水对水杉(Metasequoiaglyptostroboides)进行抽提处理，结果表明抽提物显著影响水杉的对数衰减系数，总体上衰减系数随抽提物含量递减呈下降趋势。Roohnia等(2015)探究不同抽提处理对枫木(Acerspp.)声学振动性能的影响，结果表明丙酮/乙醇抽提处理相对热水抽提处理更有助于提升木材声学振动性能，且采用联合抽提方式可更有效地改善木材声学振动性能。武亚峰等(2017)利用不同溶剂对云杉(Piceaasperata)进行抽提处理，结果发现不同溶剂抽提处理后木材比动弹性模量提升3%～6%，对数衰减系数下降13%左右，且不同抽提溶剂对木材声学振动性能的影响不同。秦丽丽等(2017)研究兰考泡桐(Paulowniaelongata)木材物理特征和化学组分对其声学振动性能的影响，结果发现木材综纤维素含量约75%、木质素含量约18%以及1%NaOH抽提物含量约20%时木材声学振动性能最好。

从以往研究可以看出，抽提处理是一种改善木材声学振动性能的有效方法，但不同学者采用不用抽提方法对乐器共鸣板用不同树种木材进行抽提处理得出的结果不尽相同，这表明抽提处理对木材声学振动性能影响的差异性； 且在评价抽提处理效果时，主要针对比动弹性模量和衰减系数进行分析，对其他指标的分析相对较少，这是不够全面的。鉴于此，本研究以我国民族乐器主要用材——泡桐木材为研究对象，采用苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇4种溶剂对其进行抽提处理，并从振动弹性特性(弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ)、振动能量分配(对数衰减系数σ、声阻抗ω、声辐射品质常数R)、振动频谱特性(E/G)和振动能量传输[传声速度υ、传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ·ρ)]等方面进行分析，探究不同溶剂抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响，以期为木材声学品质改良提供理论依据，为我国民族乐器制造行业可持续发展、乐器产品声学品质提高提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取40块径切且无疵兰考泡桐试件为试验材料，尺寸规格为300 mm(L)×30 mm(R)×10 mm(T)。试件生长轮宽度8～25 mm，气干密度0.2～0.3 g·cm-3。

1.2 仪器设备和化学试剂

仪器设备： FX101-1型电热鼓风干燥箱、双通道快速傅里叶变换频谱分析仪(CF-5220Z)、自制恒温抽提器(室温条件20 ℃，大气压力条件)、电子天平YP12002(精度0.1 g)。

化学试剂： 去离子水、无水乙醇(AR，水分≤0.3%)、苯甲醇(AR，≥99%)和二氯甲烷(AR，≥99%)。

1.3 木材声学振动性能参数测试方法及物理意义

基于梁弯曲振动理论，在两端自由的边界条件下，用弹性支架在试件基频振动节点位置(距端面距离为0.224L)将其支起，信号传感器置于试件一端的下方，用小锤敲击试件另一端上面，通过频谱分析仪获得试件振动频率(吕晓东等， 2018)，进而计算木材弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R、声阻抗ω、对数衰减系数σ、E/G、传声速度υ、传输参数υ/σ和声转换效率υ/(σ·ρ)等指标。

比动弹性模量E/ρ表示顺纹方向细胞壁的平均动杨氏模量，可依此判断振动加速度大小； 声辐射品质常数R表示将入射能量转换为声能的程度，可依此判别声压大小； 声阻抗ω对于声音的传播，特别是2种介质边界上发生的阻力有决定意义； 对数衰减系数σ表示因摩擦引起的能量损耗；E/G表示频谱曲线的“包络线”特性，与乐音的自然程度、旋律的突出性、发音的敏锐程度等听觉心理量相关； 声转换效率υ/(σ·ρ)表示弦乐器中弦的振动能量传递给乐器的能量转换效率； 传输参数υ/σ表示乐器音板的振动传递特性。

1.4 试验方法

将试件置于温度20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱内平衡处理后，测量其初始质量M、密度ρ和各项声学振动性能参数； 再将40块试件平均分为4组，每组分别采用去离子水、无水乙醇、二氯甲烷、苯甲醇溶剂进行为期15天的抽提处理。处理完的试件擦干表面溶剂，再次置于恒温恒湿箱内(相对湿度65%、温度20 ℃)平衡处理，待试件恒质量后，测量其最终质量M′，密度ρ′和各项声学振动性能参数，并通过下式计算抽提处理前后声学振动性能指标变化率：

(1)

其中：X为变化率；x为处理前试件声学振动性能指标；x′为处理后试件声学振动性能指标。

2 结果与讨论

2.1 不同溶剂抽提处理对木材密度ρ、弹性模量E和比动弹性模量E/ρ的影响

木材密度ρ、弹性模量E与其声学振动性能直接相关，低密度和高弹性模量有利于木材声学振动效率的提高(刘一星等， 2001)。抽提处理前后泡桐木材密度ρ、弹性模量E和比动弹性模量E/ρ及其变化率如图1所示。

图1 4种溶剂抽提处理前后泡桐木材密度ρ、弹性模量E和比动弹性模量E/ρ及其变化率

由图1a可知，泡桐木材经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，密度ρ呈降低趋势，分别减小6.88%、9.06%、5.78%和4.91%，其中经二氯甲烷抽提处理后密度ρ减小程度最为明显(9.06%),这可能是不同溶剂抽提出的物质含量不同，导致密度ρ减小程度不一致。由图1b可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材弹性模量E变化均不明显，经去离子水抽提处理后，弹性模量E呈降低趋势，下降幅度为-2.91%，而经其他几种溶剂抽提处理后，弹性模量E呈小幅增大，其中经二氯甲烷抽提处理后弹性模量E增大程度相对较明显，增幅为3.67%。

E/ρ是衡量木材声学振动性能的重要指标之一，E/ρ越高，木材声学振动性能越好(刘镇波等， 2012)。由图1c可知，泡桐木材经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，E/ρ均有不同程度改善，其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最明显，增幅达13.99%。木材中各种抽提物含量不同，不同溶剂对木材中抽提物的溶解能力也不同(武亚峰等， 2017)，去离子水主要溶解无机盐或灰分等溶于水的化合物， 二氯甲烷主要溶解醇类、萜烯类和酸类化合物，苯甲醇主要溶解醇类和萜烯类化合物，无水乙醇主要溶解醇类和酚类化合物。因此，根据相似相溶原理，经不同溶剂抽提处理后，泡桐木材密度减少程度不同，弹性模量变化程度也不同，且密度变化程度更显著，最终使得木材比动弹性模量改善较为明显。

2.2 不同溶剂抽提处理对木材剪切模量G和E/G的影响

剪切模量G是木材物理性能的重要指标之一，与木材力学性能密切相关，E/G是评价木材音色优良与否的重要指标之一，E/G越高，音色效果越好(刘镇波等， 2010)。抽提处理前后泡桐木材剪切模量G和E/G及其变化率如图2所示。

图2 4种溶剂抽提处理前后泡桐木材剪切模量G和E/G及其变化率

由图2a可知，泡桐木材经无水乙醇抽提处理后，剪切模量G减小且降低幅度最大(-4.04%)，经苯甲醇抽提处理后，剪切模量G增加幅度最大(1.76%)，而去离子水、二氯甲烷抽提处理对剪切模量G影响较小。由图2b可知，泡桐木材经去离子水抽提处理后，E/G降低(-2.56%)，其余3种溶剂抽提处理后，E/G呈增长的变化趋势，其中无水乙醇抽提处理E/G增长率最大(4.50%)。根据以往研究结果(肖祥希等， 2018)，无水乙醇抽提的主要是有机酸和树脂类化合物，因此可以推断，泡桐木材中有机酸和树脂类化合物的析出有利于E/G提高，即有助于木材音色改善。从振动能量角度考虑，木材中侵填体减少，其振动能量利用率提高，从而使得木材振动声学品质更加均匀、优美。

2.3 不同溶剂抽提处理对木材声阻抗ω、声辐射品质常数R和传声速度υ的影响

声阻抗ω和声辐射品质常数R是木材声学振动性能的重要参数，声阻抗ω越低，木材声学振动性能越好(刘镇波等， 2010)。声辐射品质常数R指木材及其制品向周围空气辐射声功率的大小，用作乐器共鸣板时，常选用声辐射品质常数R较高的木材(Yangetal., 2016)。抽提处理前后泡桐木材声阻抗ω、声辐射品质常数R和传声速度υ及其变化率如图3所示。

图3 4种溶剂抽提处理前后泡桐木材声阻抗ω、声辐射品质常数R和传声速度v及其变化率

由图3a可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材声阻抗ω均呈降低的变化趋势，其中经去离子水抽提处理后降低幅度最大(-5.03%)，经无水乙醇抽提处理后降低幅度最小(-2.49%)。由图3b可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材声辐射品质常数R均得到提高，其中经二氯甲烷抽提处理后提高幅度最大(17.28%)，经无水乙醇抽提处理后提高幅度最小(7.95%)。对比分析抽提物种类发现，醇类化合物抽出对木材声辐射品质常数R影响较大。

传声速度υ是反映木材声学振动传递的重要指标，与木材弹性模量E、密度ρ等均有内在联系(Kubojimaetal., 2006)。由图3c可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材传声速度υ均得到提高，其中经二氯甲烷抽提处理后增幅最大(6.77%)，经去离子水抽提处理后增幅最小(2.11%)。根据以往研究结果(肖祥希等， 2008), 二氯甲烷抽提的主要是醇类化合物，因此可以推断，泡桐木材中醇类化合物对木材传声速度v影响较大。从能量利用率角度考虑，木材中侵填体(部分为胶状脂类化合物)被抽出，大大减少声能吸收和消耗，从而使得振动能量用于声学传输的效率更高，因此传输过程中木材传声速度υ得到提高。

2.4 不同溶剂抽提处理对木材对数衰减系数σ、传输参数υ/σ和声转换效率υ/(σ·ρ)的影响

对数衰减系数σ、传输参数υ/σ和声转换效率υ/(σ·ρ)是评价振动能量传递效率的重要指标，常用来表征木材振动传输特性(Onoetal., 1983)。经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材对数衰减系数σ、传输参数υ/σ和声转换效率υ/(σ·ρ)及其变化率如图4所示。

图4 4种溶剂抽提处理前后泡桐木材对数衰减系数σ、传输参数υ/σ和声转换效率υ/(σ·ρ)及其变化率

对数衰减系数σ越小，能量转换效率越大，用于声学振动辐射的能量也就越高，声学性能越好(吕晓东等, 2018)。由图4a可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材对数衰减系数σ均呈降低的变化趋势，其中经去离子水抽提处理后降低幅度最大(-23.45%)，经无水乙醇抽提处理后降低幅度最小(-11.20%)。由图4b可知，经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，泡桐木材传输参数υ/σ均得到提高，提高幅度分别为33.39%、34.29%、33.65%和15.50%，其中二氯甲烷抽提处理对木材传输参数υ/σ影响较大。由图4c可知，4种溶剂抽提处理也有利于提高木材声转换效率υ/(σ·ρ)，其中经二氯甲烷抽提处理后提高幅度最大(47.66%)。

去离子水抽提的主要是无机盐类和烃类化合物，苯甲醇抽提的主要是醇类和萜烯类化合物，二氯甲烷抽提的主要是醇类、萜烯类和酸类化合物(Palmetal， 2003)。由上述分析可知，无机盐类和烃类化合物对木材对数衰减系数σ影响较大，其存在会增大木材振动能量消耗； 而二氯甲烷抽提物对木材传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ·ρ)影响较大，其存在会加剧木材振动时声转换过程的能量消耗。

2.5 抽提处理前后木材表面形貌的变化

泡桐未处理材和抽提处理材的微观结构如图5所示。

图5 泡桐未处理材和抽提处理材的微观结构(SEM)

对比未处理材和抽提处理材的微观结构可以看出，未处理材纹孔和树脂道内充满侵填体，抽提处理后木材中侵填体被抽出，导管壁面更加光滑、纹孔纹路清晰。经抽提处理后，密度ρ降低，E/ρ、声辐射品质常数R增加，有利于木材声学振动性能提升(朱玲静等， 2017)； 从微观结构也可以看出，未处理材细胞壁上附着有一些抽提物，抽提处理后细胞壁上的物质消失。二氯甲烷和苯甲醇的抽提效果最好，木材纹孔、木射线相比无水乙醇和去离子水抽提得更干净。从木材声学振动性能参数来看，将这些膜状或颗粒状内含物抽出后，密度ρ减小，E/ρ、声辐射品质常数R增大； 从能量方面考虑，根据能量守恒定律可知，木材受振动敲击后做阻尼振动，外界给予的能量一部分用于木材振动向外部辐射，另一部分用于内部消耗，而内部抽提物存在会加剧振动内摩擦，即更多振动能量转变为热量损耗。抽提处理后木材中侵填体被抽出，使得因内摩擦损耗的能量减少，声转换效率υ/(σ·ρ)、传输参数υ/σ提高，对数衰减率σ降低，从而有利于改善木材声学振动性能。

2.6 抽提处理对泡桐木材结晶度的影响

以往研究表明，木材结晶度与弹性模量E、比动弹性模量E/ρ等存在正相关关系(沈隽等, 2001)。4种溶剂抽提处理后泡桐木材X射线衍射(XRD)图谱以及结晶度及其变化率如图6、7所示。

图6 泡桐未处理材和抽提处理材的XRD图谱

图7 4种抽提处理前后泡桐木材结晶度及其变化率

由图6可知，经4种溶剂抽提处理后，泡桐木材X射线衍射峰位置未发生偏移，仅衍射峰强度有所不同，说明抽提处理未改变木材晶型，即保留了木材的基本结构。对比泡桐木材相对结晶度(图7)发现，经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，相对结晶度分别增加4.37%、10.25%、3.56%和7.66%，变化率为8.18%、17.42%、6.37%和12.80%，其中二氯甲烷抽提处理效果最明显。以往研究(Xuetal., 2014)表明，木材相对结晶度越高，弹性模量E、比动弹性模量E/ρ越大，同时传声速度υ提高，木材声学振动性能越好(周贤武等, 2018)。

2.7 抽提处理前后泡桐木材红外光谱分析

采用红外光谱分析木材内部官能团变化情况，抽提处理前后泡桐木材红外光谱如图8所示。

3 650～3 100 cm-1范围为羟基—OH伸缩振动区域(Miaoetal., 2018)，由图8可知，不同溶剂对该区域影响程度不同，苯甲醇抽提处理后木材羟基振动减少，其次是二氯甲烷、无水乙醇和去离子水，未处理材羟基振动最明显，说明抽提处理后醇类或酚类物质减少； 1 000 cm-1处主要是纤维素、半纤维素和木质素上的C—O键振动(庄琳等， 2017)，虽然不同溶剂的影响程度略有差别，但均减弱该处的吸收峰，表明木材中一些萜烯类化合物和无机盐含量降低。可见，抽提处理使木材中游离羟基减少，同时导致半纤维素降解，并抽提出木材内一些杂质，降低木材密度ρ，有利于比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R提高，木材中内含物减少降低内摩擦损耗，提高传声速度υ和声转换效率υ/(σ·ρ)，改善了木材声学振动性能。

图8 泡桐未处理材和抽提处理材的红外光谱

3 结论

经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，泡桐木材声学振动性能参数均发生变化，比动弹性模量E/ρ分别增加4.26%、13.99%、7.24%和5.20%， 声辐射品质常数R分别增加9.85%、17.28%、10.36%和7.95%，E/G分别增加-2.56%、3.26%、2.51%和4.50%，传声速度υ分别增加2.11%、6.77%、3.56%和2.57%， 声阻抗ω呈降低的变化趋势，变化率分别为-5.03%、-2.87%、-2.51%和-2.49%。

从能量利用率来看，经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后，泡桐木材对数衰减系数σ均呈降低的变化趋势，变化率分别为-23.45%、-20.49%、-22.52%和-11.20%； 传输参数υ/σ均得到提高，分别增加33.39%、34.29%、33.65%和15.50%，除经无水乙醇抽提处理外，其余3种抽提处理对传输参数υ/σ的影响几乎相同； 声转换率υ/(σ·ρ)也均得到提升，分别增加43.25%、47.66%、43.38%和21.27%，经前3种溶剂抽提处理后，泡桐木材声转换效率变化较为接近。

有机溶剂二氯甲烷和苯甲醇的抽提效果比极性溶剂去离子水好，但无水乙醇的抽提效果总体来看不如去离子水,这可能是由于无水乙醇的高挥发性，导致无法更好抽提出木材中的有机物质。从变化率来看，不同溶剂抽提处理的改善效果不同，今后可考虑采取多种溶剂抽提结合的方式全面提升木材声学振动性能。