乐器用一种新型复合材料制备及声音传播性能研究

徐 敏

(渭南师范学院，陕西 渭南 714000)

乐器是音乐创作和传播过程中不可缺少的，传统乐器制作材料一般为传声性能较好的木材；但受木材种类和木材年份的影响，适合制作乐器的木材越来越少。同时，大量天然木材的消耗也不符合现代环保的主体。寻找一种替代天然木材制作乐器的材料是目前较为重要的研究课题。有学者尝试经过物理、化学和生物等处理方法对声学性能不达标的木材进行改性，优化其声学性能[1]。但影响木材声学性能的因素有很多，仅凭单一改性方法难以达到制作乐器的声学要求。采用冷压法制作了木质-复合材料，并对工艺进行优化，研究了其声学性能的变化；结果表明，纤维能有效增强木材的声学性能，制作的复合材料基础性能满足乐器制作要求[2]。基于此，本研究参考文献[2]的思路，以亚麻纤维为增强材料，制作复合材料，并对其阻尼系数进行研究。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本试验主要材料：亚麻纤维垫(佳愉纺织，表面密度210 g/m2)、聚乳酸树脂(亿强塑化科技，标准品)、氢氧化钠(CP，利元化工)。

本试验主要设备：CT-0电热鼓风干燥箱(淮腾机械科技)、HZ-1003B拉力试验机(力显仪器科技)、DMA2980动态力学分析仪(美国TA INSTRUMENTS)。

1.2 试验方法

1.2.1复合材料的准备

水处理纤维：将大麻和亚麻非织造纤维垫放入去离子水中浸泡30 min，自然风干48 h，得到水处理的纤维待用。

碱处理纤维；将大麻和亚麻非织造纤维垫放入质量分数为5%的强氢氧化钠中浸泡180 min，然后用去离子水冲洗多次，自然风干48 h，得到碱处理纤维待用。

1.2.2复合材料的制备

(1)本研究采用层叠加压，制备复合材料。具体过程为：将聚乳酸树脂薄膜切割成尺寸为6 mm×8 mm大小，纤维垫切割成8 mm×12 mm大小，将聚乳酸树脂薄膜与风干纤维交替堆放；

(2)用薄金属板和夹钳对复合材料施加压力并提升温度至200 ℃，完成加热压缩过程。然后放入真空干燥箱内，在温度200 ℃条件下烘干40 min；

(3)取出样品后置于常温冷水中快速降温，5 min后取出，得到复合材料，具体制作过程如图1所示。

图1 复合材料的制作过程Fig.1 Manufacturing process of green materials

1.3 性能测试

1.3.1拉伸性能

参照ASTM D3039标准测试方法进行单调拉伸试验[3]。具体过程为：将样品制作成10 mm×3 mm×100 mm大小，用HZ-1003B型电子拉力试验机进行试验。拉力试验机参数为：测力传感器为500 kg，标距长度为50 mm，十字头速度为2 mm/min。

声音传播速度表达式为[4]：

(1)

式中：c为声音传播速度；E为模量；ρ为密度。

1.3.2抗弯性能

参照ASTM D 790-03进行3点弯曲抗弯测试[5]。样品尺寸为13 mm×3 mm×80 mm，拉力试验机参数与拉伸性能试验一致，支撑跨距为36 mm。

1.4 动态力学测试

将复合材料样品裁剪为13 mm×3 mm×60 mm大小，将桃花心木样品裁剪成14 mm×4 mm×60 mm大小，用动态分析仪进行动态力学测试[6]。因本研究制作的复合材料主要用于乐器的制作，将频率设置为吉他弦频率测试材料阻尼性能[7]。具体为：E调为82 Hz，A调为110.0 Hz，D调为146.8 Hz，G调为196.0 Hz。

2 结果与讨论

2.1 拉伸试验结果

提前对桃花心木传播速度进行测试，测试结果为：声音在百年桃花心木纹理和垂直纹理方向模量分别为0.561、1.885 GPa，传播速度分别为1 009.4、1 884.6 m/s；50年桃花心木纹理和垂直纹理方向模量分别为0.428、2.365 GPa，传播速度分别为883.6、2 055.7 m/s；小于50年桃花心木纹理和垂直纹理方向模量分别为0.568、1.991 GPa，传播速度分别为952.4、1 825.6 m/s。由此可知，声音在竖直纹理方向传播速度较快，这是受木材天然结构的影响所致。为了让乐器达到最好的声音效果，在制作乐器的时候，一般沿木头竖直纹理方向进行制作。因此，要求制作的复合材料声音传播速度与天然桃花心木竖直纹理方向声音传播速度接近[8-9]。

表1为亚麻复合材料中亚麻含量对声音传播的影响。

表1 声音在不同复合材料中的传播速度Tab.1 Propagation velocity of sound in different composites

由表1可以发现，经过碱处理体积分数为15%的样品拉伸弹性模量最大，这是因为亚麻纤维本身具备较大的拉伸模量；当亚麻体积分数越小，其纤维缠结程度越小，使树脂更容易在纤维层流动，因此15%亚麻复合材料模量较高。碱处理后，纤维表面羟基降低，复合材料内部结合力增加，则拉伸模量整体增加[10-11]。同时，在该条件下，树脂充分浸润亚麻纤维，在受荷载时，荷载以树脂为介质，均匀分布在纤维间，不会对复合材料造成毁灭性破坏。碱处理15%复合材料声音传播速度与50年以下桃花心木垂直纹理方向接近[12-13]，这可能是碱处理后，纤维与树脂完整结合，拉伸模量上升；而声音的传播速度与复合材料的拉伸模量表现出正相关，因此经过NaOH改性的声音传播速度较快。水处理方式较碱处理声音传播速度高，这是因为碱处理亚麻纤维时，虽然降低了纤维表面的羟基含量；但同时，会对纤维本身的结构造成一些影响，降低了亚麻纤维本身的拉伸模量。因此，在亚麻纤维含量相对较多时，声音传播速度较水处理的纤维制作的复合材料有所降低。

2.2 弯拉试验结果

在以上试验基础上，对50年桃花心木弯曲模量进行测定，其弯曲模量为6.126 GPa，声音传播速度为2 475.2 m/s；表2为复合材料弯拉试验结果。

表2 复合材料弯曲模量及声音传播速度Tab.2 Bending modulus and sound propagation velocity of composites

由表2可知，20%亚麻复合材料性能高于15%亚麻复合材料；这是因为亚麻纤维材料本身具备较好的弯曲性能，体系内纤维含量越多，则材料结晶度也越高，增加了复合材料的弯曲强度。而20%亚麻纤维复合材料声音传播速度几乎不受处理方式影响，且都与50年桃花心木传播速度较为接近，这是因为亚麻纤维百分比增加，纤维间互相缠结，树脂流动的摩擦阻力增加，复合材料界面性能上升受影响，使声音传播速度差别不大。

2.3 动态力学测试结果

图2为桃花心样品阻尼性能比较。

图2 不同年龄桃花心木阻尼性能Fig.2 Damping performance of mahogany at different ages

观察图2可以发现，在本研究设定的频率下，3种桃花心木样品在不同频率下，阻尼系数没有显著变化，且随年份的增加，阻尼系数随之减低。这是因为桃花心木年份越高，内部摩擦越低，声音在传播时振幅损失小，阻尼系数小。

图3为亚麻复合材料与桃花心木阻尼性能比较，其中图3(a)为20%亚麻复合材料阻尼系数；图3(b)为15%亚麻复合材料阻尼系数。

图3 亚麻复合材料与桃花心木阻尼性能比较Fig.3 Comparison of damping properties between flax composite and mahogany

由图3可知，20%亚麻复合材料阻尼系数几乎不受处理方式的影响，且与桃花心木的阻尼系数类似。这是因为20%亚麻复合材料纤维较多，密度均匀，使声音传播时均匀损耗，因此阻尼系数并无明显差别[14]。同时，亚麻纤维类似于木质基本结构，其声音传播方式与桃花心木类似，因此从阻尼性能方面，20%亚麻复合材料可替代桃花心木作为乐器制作材料使用。而15%亚麻复合材料在不同频率下阻尼系数出现明显变化，这可能是因为纤维含量较低，声音传播损耗不稳，则对应的阻尼性能不稳定。因此，可用20%亚麻纤维复合材料替代桃花心木[15]。

3 结语

本研究采用层叠模压法制作了亚麻复合材料，并研究了不同预处理方式和不同质量分数的亚麻复合材料相关性能及声音在不同材料内的传播速度。最后对复合材料在吉他频率内的阻尼性能进行研究，确定亚麻复合材料替代桃花心木作为乐器制作材料的可行性。

(1)拉伸试验结果表明，声音在碱处理15%亚麻复合材料中的传播速度接近于声音在低于50年桃花心木中的传播速度，整体差别不大；

(2)弯拉试验结果表明，声音在3种处理方式的亚麻复合材料中传播速度差别不大，且随亚麻纤维质量分数的增加，声音传播速度提高；

(3)动态力学测试结果表明，在吉他频率条件下，20%亚麻复合材料与桃花心木材料的阻尼系数拟合度较高，且声音传播较为均匀，证实该复合材料可以替代桃花心木，作为乐器制作材料使用。