油热处理对竹材声学振动性能的影响

梁雨薇，何澜，张梁，张海洋，蒋桂章，刘睿哲，刘镇波

摘要：为探究油热处理对竹材声学振动性能、尺寸稳定性的影响规律，减少竹乐器在使用过程中出现开裂、变形，从而导致音质受损的不利影响，以大豆油为加热介质对竹材进行热处理，热处理温度分别为140、170、200 ℃，加热时间分别为2 h 和4 h，利用双通道快速傅里叶变换分析仪得到试件处理前后的振动频谱图，读取其前五阶弯曲振动频率，分析声学振动性能参数，研究油热处理对竹材声学振动性能、尺寸稳定性的影响。处理后竹材的比动弹性模量（Esp）、声辐射品质常数（R）有明显提高，密度（ρ ）、声阻抗（ω）、动力学损耗角正切（tanδ）和E/G呈下降趋势，声学振动效率得到提高。其中，经200 ℃、4 h处理后带有竹节的竹材声学振动性能提升最大，Esp增幅为29.20%、ρ降幅为15.12%、R增幅为33.75%、ω降幅为3.41%、tanδ降幅为40.52%，E/G降幅为2.33%。最小体积干缩率和最大抗吸湿膨胀率分别为0.33%、56.95%，体积干缩率和体积吸湿膨胀率随处理时间和温度的增大而减小。结果表明，当油热处理时间为200 ℃，时间为4 h时，试件的声学振动性能得到了较好的改善，油热处理对竹材声学振动性能和尺寸稳定性的提升有积极作用。

关键词：竹材；油热处理；声学振动性能；尺寸稳定性；微观构造

中图分类号：S781.9 文献标识码：A文章编号：1006-8023（2024）03-0115-10

Effect of Oil Heat Treatment on the Acoustic Vibration Performance of Bamboo

LIANG Yuwei， HE Lan， ZHANG Liang， ZHANG Haiyang， JIANG Guizhang， LIU Ruizhe， LIU Zhenbo*

（Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology （Northeast Forestry University）， Ministry of Education， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to explore the impact of oil heat treatment on the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo materials， and to reduce the adverse effects of cracking， deformation， and damage to sound quality of bamboo musical instruments during use， the experiment used soybean oil as the heating medium to heat treat bamboo， with heat treatment temperatures of 140 ℃， 170 ℃， and 200 ℃ and heating times of 2 and 4 hours. The vibration spectrum of the specimens before and after treatment was obtained using the dual channel FFT analyzer， and took the first to fifth bending vibration frequencies. Its acoustic vibration performance parameters were analyzed to study the effect of oil heat treatment on the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo. After treatment， the specific dynamic modulus of elasticity （Esp） and sound radiation quality constant （R ） of bamboo had significantly increased， and the density （ρ ）， acoustic impedance （ω ）， dynamic loss angle tangent （tanδ ）， E/G showed a downward trend， and the acoustic vibration efficiency had been improved. After being treated at 200 ℃ for 4 hours， the materials with bamboo nodes showed the greatest improvement in acoustic vibration performance， with an increase in Esp of 29.20%， a decrease in ρ of 15.12%， an increase in R of 33.75%， a decrease in ω of 3.41%， a decrease in tanδ of 40.52%， and a decrease in E/G value of 2.33%. The minimum volume dry shrinkage and maximum anti hygroscopic expansion were 0.33% and 56.95%， respectively. The volume dry shrinkage and volume hygroscopic expansion decreased with increasing treatment time and temperature. Results showed that when the oil heat treatment time was 200 ℃ and the time was 4 hours， the acoustic vibration performance of the specimens was better improved. Oil heat treatment had positive effects on improving the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo.

Keywords：oil treatment; acoustic vibration performance; dimensional stability; microstructure

0引言

竹类植物种类繁多，分布广泛，是世界上仅次于木材的第二大植物资源[1]。我国竹子资源丰富，竹林面积达756万hm2，年产竹材量居世界首位。自古以来竹子就在人们的生活中扮演着重要角色，在金属材料出现前的古代社会更是占据着举足轻重的地位。古人利用燃烧竹子发出噼啪声驱散邪气，这是最早的原始音乐[2]。竹乐器在商代时开始增多，繁荣于周代，秦汉时期发展基本完成，各类竹乐器相互辉映，齐聚一堂，唐朝一半以上的乐器都是由竹子制成的[3]。可以说竹乐器是人类最早使用的乐器之一，是群众精神文化生活中不可缺少的重要组成部分[4-5]。竹子强度高、弯曲延展性好、硬度适宜，作为乐器用材展现出了优良的声学特性，最常用来制作竹乐器的竹子有毛竹、紫竹、白竹和苦竹等[6-9]。但由于其本身的特性难以长久保存，许多竹乐器消失在了历史长河中，直至近年来随着人们对精神文化需求的日益增加，民族竹制乐器受到了越来越多的关注，因此竹乐器的保护和传承就显得尤为重要。

新伐竹材含水率过高，含有许多有机组分，且抽提物中抗腐成分少、天然耐久性低，不宜马上制作乐器，应储存1 a以上，待含水率趋于稳定后进行下一步的加工[10-11]。工匠制作乐器时基本采用风干和烘烤2种方式对竹材进行处理，烘烤时要不断移动以防竹材炸裂[12]，这种处理方式不仅费时且对工匠的技术能力要求很高，因此在工艺上进行改良，对竹制乐器的加工和产品稳定性的提高有很大帮助。为减少竹材陈放时间、提高使用效率，可以选择物理方法对竹材进行处理，在保证其声学振动性能不减弱的同时提高制作乐器的效率。王思敏[13]对毛竹竹片、毛竹地板和木质人造板的声学振动特性进行了研究，对不同种类人造板的声学品质进行了细致分析，寻找出了影响板材声学振动性能的因素。霍鑫升等[14]对竹材热处理工艺进行了分析总结，得出单一的处理工艺会对竹材产生负面影响，今后的研究应侧重于多工艺结合的结论。毛竹材经甲基硅油、桐油热处理后，其物理、化学和防腐等性能均有不同程度的提升，温度提升至200 ℃后，竹材的力学性能急速下降，满足不了建筑、包装等领域的性能需求[15-16]。

目前用物理法处理竹材的研究多集中在处理后竹材成分组成[17-18]、防霉性能[19-21]、力学性能[22-24]和颜色变化[25-27]等方面的研究，对竹材声学振动性能改良的研究较为少见。研究竹材声学振动性能对竹乐器的加工制造，延长乐器的使用寿命有很大帮助。相较于甲基硅油、桐油等加热介质，经大豆油处理过的乐器竹材安全性更高，且成本较低。本研究以大豆油为加热介质对毛竹材进行高温油热处理，研究竹材处理前后声学振动性能、尺寸稳定性的变化，为提高竹乐器的使用价值，延长使用寿命提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料

试验材料为安徽省芜湖市5年生毛竹（Phyllostachys edulis），尺寸为200 mm（纵向，L）×20 mm（弦向，T）×10 mm（径向，R），表面无明显缺陷。试件分6组，每组10块：无竹节竹片5块、距端部2 cm处有竹节的竹片5块。

1.2试验方法

1.2.1油热处理

将试件放入恒温恒湿箱（20 ℃、65%RH）平衡含水率至12%，待质量稳定后测量毛竹的物理参数及声学振动性能参数，而后将试件置于140、170、200 ℃的大豆油中分别常压处理2 h和4 h（表1）。试验开始前将试件平铺在油浴锅中，因竹片密度小于大豆油，所以在油浴锅边放置挂钩悬挂放置铁网，将试件完全压入油中。取出处理完的试件，使用无尘擦拭纸擦去表面油分，在室温条件下放置24 h后进行物理参数、声学振动性能的测试。声学振动性能测试试验如图1所示。

1.2.2声学振动性能测试

本试验基于梁的振动理论，采用弯曲振动的试验方法进行测试。用刀背对处于两端自由边界条件下的试件进行瞬时敲击，经另一侧传感器接受振动信号，再由双通道快速傅里叶变换分析仪（ONO SOKKI，CF-5220Z）得到振动频谱，进而计算出毛竹各项声学振动性能参数，动态弹性模量（E）、比动弹性模量（Esp）、声辐射品质常数（R）、声阻抗（ω）、对数衰减率（δ）、动力学损耗角正切（tanδ）、动态弹性模量E与动态刚性模量G之比（E/G）等。

E=48π2dL4f2iβ4h2×10-9。（1）

式中：E为动态弹性模量，GPa；ρ为密度，kg/m3；L为长度，m；fi为共振频率，Hz；i表示振动阶次；d为不同共振阶数对应的系数；h为厚度，m。

Esp=Ed。（2）

式中，Esp为比动弹性模量，GPa。

R=Eρ3。（3）

式中，R为声辐射品质常数，m4/（kg·s）。

ω=ρE。（4）

式中，ω为声阻抗，（Pa·s）/m。

δ=1nlnAiAi+1。（5）

tanδ=δπ。（6）

式中：δ为对数衰减率；tanδ为动力学损耗角正切；Ai为试件时域正弦波的第i个振幅。

1.2.3尺寸稳定性测试

竹材发音效果稳定性主要取决于其抗吸湿能力和尺寸稳定性，外界湿度变化会影响竹材的含水率，进而导致音色产生变化。通过对竹材进行物理或化学等方面的处理能够减小这种不利影响，提高乐器用竹材的使用价值和寿命。根据GB/T 15780—1995[28]对试件的尺寸稳定性进行测试，通过体积变化计算试件的体积干缩率和抗吸湿膨胀率。

α=Vm-VnVm×100%。（7）

β=V1-V0V0×100%。（8）

γ=βa-βbβa×100%。（9）

式中：α为干缩率，%；Vm、Vn为竹材绝干前、后的体积，mm3；β为体积吸湿膨胀率，%；V0、V1分别为竹材水浴处理前、后的体积，mm3；γ为改性竹材的抗吸湿体积膨胀率，%；βa为未改性竹材的体积吸湿膨胀率，%；βb为改性竹材的体积吸湿膨胀率，%。

1.2.3微观形貌测试

本试验选取含水率12%的未处理材和经200 ℃、4 h油热处理后的试件进行微观形貌的观察。设备采用美国FEI公司制造的QUANTA 200型扫描电子显微镜，选取倍数为100倍和1 000倍的照片进行分析。

2结果与分析

2.1油热处理对竹材声学振动性能的影响

竹材密度指单位体积内细胞壁实质物质含量多少的物理量，是一个重要的物理力学指标，也是乐器用材选材的重要指标之一。油热处理后密度变化如图2所示。A、B、C、D、E、F表示不同温度时间的组别名称。

由图2可知，6组试件经油热处理后，密度有不同程度的降低，带有竹节的竹材密度变化率最大，竹节组的变化率分别为-5.26%、-5.33%、-8.48%、-8.42%、-13.98%和-15.12%，比相同时间温度条件下的无节组高2%左右，经200 ℃、4 h处理后ρ降幅最大，无节组降幅为12.50%，竹节组降幅为15.12%，竹节处的纵向、径向和环向维管束等组成的纤维排列结构参与了液体和离子的运输，有利于水分、抽提物等物质的析出，密度下降得更为明显[29-30]。

Esp是试件的动态弹性模量（E）与相对密度（ρ）之比，表示竹材单位细胞壁物质的振动加速度，值越大，其振动效率越高，乐器声学品质就越好[31]。经过处理后的竹材Esp有明显提升，随时间和温度的增加，变化率整体呈上升趋势，如图3所示。由图3（c）可知，A无节组、B竹节组增幅最小，分别为19.35%、21.98%；F无节组和竹节组增幅最大，分别为27.62%、29.20%，这表明处理温度和时间的增加对Esp的提升有积极作用。6组试件中A、C、D、F组的Esp分别为2.75、3.53、3.40、3.51 GPa，2.46、2.98、2.60、3.50 GPa，带竹节竹材的Esp均大于无节组，B、E两组变化率差值在1%内。本研究中经200 ℃、4 h处理的带竹节竹材Esp增幅最大，从12.02 GPa提高至15.53 GPa，表明油热处理对含竹节竹材的Esp提升效果更好。

声辐射品质常指竹材向周围空气辐射声功率的大小，是表征竹材音质的重要参数，乐器用材通常选用R较大的竹材[32]。由图3（f）可知，无节组和竹节组的R变化范围分别为13.06%～29.12%、16.96%～33.75%，F竹节组R增长最大，达到了6.73 m4/（kg·s）。处理时间不变的情况下，处理温度高时R变化率更大，A、C、E无节组变化率为13.06%、18.76%、28.50%，A、C、E竹节组变化率为16.96%、23.97%、30.60%；B、D、F无节组变化率为15.37%、17.57%、29.12%，B、D、F竹节组变化率为17.00%、22.82%、33.75%，这表明在加热时间相同的情况下，选用较高的温度更有利于提高竹材的R（170、200 ℃）。加热温度相同时，带有竹节竹材的R增幅大于无竹节竹材的增幅，6组试件中140 ℃和200 ℃条件下经4 h处理后的竹材R增幅大于经2 h处理后的增幅。油热处理对竹材R有明显提升作用，200 ℃、4 h组处理效果最佳。

声阻抗（ω）指介质对声波传播的阻力大小，与振动的时间响应特性有关[33]，决定了竹材的声音传播效果，是表征竹材声学振动特性的一个重要参数，如图4所示。由图4（c）可知，A、B、C、D无节组和竹节组ω的变化率范围为2.22%～5.82%、2.89%～5.24%，E、F的变化率分别为-1.08%和-3.45%、-1.17%和-3.14%，随着时间温度的增加，ω的变化率呈下降趋势。当处理温度达到200 ℃时，纤维素和半纤维素发生降解使竹材的密度降低[15]，E、F组试件的密度下降幅度最大，而动态弹性模量的增幅达到最低，声阻抗与密度和动弹性模量的乘积呈正比例关系，二者乘积变小，ω随之下降，这是ω降低的主要原因[34]。6组试件中只有经200 ℃、2 h和200 ℃、4 h油热处理后的2组试件ω下降，其余4组的ω均有所增长。在乐器选材方面优先选取ω小的竹材，ω越小，则代表着其声学振动特性更为优良。在本研究中，较高的处理温度（200 ℃）有利于竹材获取较低的ω，且油热处理对带有竹节竹材的声阻抗值降低效果更佳。

由图5（a）和图5（b）可知，6组试件经处理后损耗角正切值明显降低，F组的tanδ降幅最大，分别为33.12%、40.52%。tanδ越小，竹材的振动能量损失越小，振动效率越高。由图5（c）可知，在较低的加热温度下（140、170 ℃），经4 h处理后竹材的tanδ降幅比经2 h处理后的降幅更大。处理时间相同时，在温度较高的条件下竹材的tanδ降幅大于处理温度较低时的降幅。带有竹节竹材的tanδ降幅大于相同处理温度时间条件下无竹节竹材tanδ的降幅，这表明油热处理有利于降低竹材的动力学损耗角正切值，能使乐器的声音更加宏亮饱满，且对带竹节竹材效果更好。

动态弹性模量（E）与动态刚性模量（G）的比值（E/G）是用来描述材料在外力作用下变形方式的指标，是有关音色品质评价的重要参数，E/G越高，竹材的音色效果越好。由图6可以看出，6组试件经过油热处理后E/G均有不同程度的降低，随着处理时间和温度的增加，变化率的降幅呈负相关关系逐渐减小，无节组由-13.23%变为-3.11%，竹节组从-15.99%变为-2.33%，可见处理后竹材的频谱分布均匀性降低，对音色没有较好的提升效果。经200 ℃、4 h处理后，竹材的E/G降幅最小，虽然在音色方面没有明显的提升效果，但相较于其他5组数据稍显优异。

2.2油热处理对竹材尺寸稳定性的影响

竹材的发音效果稳定性主要取决于其尺寸稳定性和抗吸湿能力，油热处理竹材经过绝干和水浴处理后的干缩率和抗吸湿膨胀率，见表2。

由表2可以看出，未经改性处理的竹材绝干后体积变化最大，无竹节组和竹节组的体积干缩率分别为2.69%、3.68%，无竹节竹材经200 ℃、2 h处理后干缩率最小，为0.33%，带竹节竹材经200 ℃、4 h处理后干缩率最小，为0.50%。经15 d水浴处理后，经200 ℃、4 h处理后的竹材抗吸湿膨胀率最大，分别为56.95%、56.80%，试件的体积干缩率和抗吸湿膨胀率随着处理时间、温度的增加总体呈下降趋势。在相同的湿度环境下，抗吸湿能力强的竹材会表现出更优异的声学品质，同时有较高的尺寸稳定性。经200 ℃油热处理后竹材的体积干缩率最小，这主要是由于高温处理后，竹材的半纤维素和木质素发生热解，使得游离羟基变少，从而导致竹材的体积干缩率下降，尺寸稳定性提升[35]。油热处理后竹材中的水分与油进行了替换浸入到竹纤维中[36]，不易渗出，这是导致干缩率和抗吸湿膨胀率变化的主要原因。竹节由纵向、径向、横向、环向维管束构成，试件经过绝干处理后，细胞壁与细胞腔产生收缩，竹材各个方向的尺寸发生变化，体积干缩率大于只由轴向维管束构成的无节部分。

2.3油热处理对竹材微观形貌的影响

利用扫描电镜观察毛竹未处理材和经过200 ℃、4 h油热处理竹材的径切面，包括竹材的导管、薄壁细胞、初生韧皮部和纤维鞘等，如图7和图8所示。

2组试件均用刀片劈开，由图7可知，经油热处理后试件表面较未处理材更加光滑，极少出现撕裂、分层等现象。油热处理后的竹材薄壁细胞间隙以及靠近导管方向的纤维帽被大豆油填充，不仅能隔绝水分的进出，减少开裂、霉变等不利影响，更能维持乐器材本身性能的稳定性，以便在后续使用中维持其原本的音质音色。由图8可知，少量大豆油从纹孔中进入细胞腔，以纹孔为中心小范围扩散，堵塞了纹孔，会对竹材声音的传播产生影响。从数据得知油热处理后试件的声学振动性能有所提高，这表明纹孔数量适当减小有利于声音的传播，对试件声学振动性能的提高有积极作用。

3结论

本研究以竹材为研究对象，对油热处理前后竹材的声学振动性能和尺寸稳定性进行分析，得到以下结论。

1）竹材的声学振动效率随油热处理温度和时间的增加逐渐提高，比动弹性模量、声辐射品质常数值增大，动力学损耗角正切、密度值降低，声阻抗变化率呈下降趋势，E/G下降幅度逐渐减小（由-15.99%提高到-2.33%）。

2）油热处理后竹材的体积干缩率降低，无节组的降幅范围为0.33%～2.69%，竹节组降幅为0.50%～3.68%，F组的抗吸湿膨胀率最大，分别为56.95%、56.80%。处理时间相同时，经200 ℃油热处理后的竹材尺寸稳定性好，发音效果更稳定；同一温度条件下，经4 h处理后的竹材声学振动性能更好。

3）油热处理对带有竹节竹材的声学振动性能提高效果更好。

4）总体来看，经200 ℃、4 h油热处理后的竹材声学振动性能提高得更显著，油热处理是一种提高竹材声学振动效率的有效方法。

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