10第六章 木材的声学性质

5.7 木材对声的透射与隔声

建筑中的隔墙，需要有较好的隔声性。指标：声透射损失。 透射墙壁的能量大小，取决于初始的声强、隔墙的质 量(惯性)、隔墙的刚性和隔墙的支撑方式。对于单一的隔 墙，声波的透射损失数TL(dB)与隔墙单位面积的重量W和 声波的频率f (Hz)的关系： TL = 20logW + 20logf-48 所以，声隔离要求比重大的材料。木质材料，可用二 层或多层复合材料，如胶合板加蜂窝状松散材料等。
最 大 可 听 限
标 准 大 气 压
大 炮 炮 口
木材声学性质
木材的 振动特性
木材声学性 能品质的评价
木材的 空间声学性质 无损检测
5.2 木材的振动特性

振动(周期性振动)：物体或物体的一部分沿 直线或曲线，以一定的时间周期经过其平衡 位置所作的往复运动。 自由振动：物体受到瞬间的冲击力后产生的 振动。 受迫振动：物体受到一定强度的周期性机械 力或声波等。

3
R常常是人们评价木材声辐射品质的好坏。木材用作乐器的 共鸣板(音板)时，应该选择 R 高一些的木材。木材的密度高， R往往较小。
B. 内摩擦衰减
木材因为摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减率δ来 表示，又称对数缩减量。 自由振动时：δ= ln (A1/A2)=α×T0 A1，A2是两个连续振动周期的振幅； α:内部阻尼系数； T0:自由振动的周期。
设木棒长度为L，密度为ρ，弹性模量为E，则长度方向的声 速ν和基本共振频率fr的公式为：V= E
基本共振频率：fr＝
V 振幅最大； 2L
B.横向振动
横向振动：振动元素位移方向和引起的应力方向互相垂直的运 动。（木结构和乐器上使用）横向振动包括弯曲运动。
木棒横向振动的共振频率的影响因素： 木材试样的几何形状、尺寸和声速，振动运动受到抑制的方 式有关。
声音的强度：
声音的强度：通过垂直于传播方向上单位面积的功 率，单位：W/cm2。 声音的强度级：β＝10×lg ( I / I0 ) β强度为 I 的声音用分贝(dB)表示的强度级； I为声音的强度， W/cm2 ； I0的听觉阀的强度，即10-16 W/cm2 (1000Hz)。 人耳听觉阀的声强级为0 dB；感觉疼痛的声强 级为120 dB；通常人们交谈的声强级约70dB。人耳 感到的声强与频率有关！
超声波检测：
基于纵波在木材中的传递原理进行工作的，通常采用脉冲 式超声波，故称超声脉冲法。 在纵波情况下，超声传播速度v与密度ρ及超声弹性模量Eu
之间的关系为v =（ Eu /ρ）1/2 。
振动法(共振法)检测： 基于木材共振频率与弹性模量具有数学关系的原 理进行的。振动测量得到的动弹性模量E与抗弯强度 的正相关。 冲击应力波检测： 基于纵波(或表面波)振动的原理进行工作。 FFT分析无损检测： 运用了FFT(快速傅里叶变换)分析仪和电子计算机， 拾取受敲击后木材试件的振动信号进行瞬态频谱分析， 算出试件的弹性模量E和刚性模量G。
b.木材内部分子的摩擦以及周围接触界面上的摩擦， 动能转变成热能，这种能量衰减称为内摩擦衰减或损 耗衰减。
声辐射阻尼系数R：
声辐射阻尼系数R(简称声辐射阻尼，又称为声辐射品质常数)： 表示木材以及木制品的声辐射能力，即向周围空气中辐射声 功率的大小，与传声速度成正比，与木材密度成反比。
R
v


E
12.66
1243 12.21
1.23
1.61 0.61
4422
4638 5370
1368
1642 1360
3.2
2.8 3.9
5.3 木材声学性能品质评价简述
木材具有优良的声共振性和振动频谱特性— —声学性能品质好 对共鸣板材料的声学性能品质评价，可归纳 为三个大的方面： ① 对振动效率的评价；
本章结束
具有优良特性的材料。
5.2.3 木材的传声特性

木材能传递能量，传声特性的主要指标是声速v.


木材中声速与木材含水率的关系？
木材中声速随木材含水率的增大而降低。
v
E


木材中声速的各向异性;
密度ρ为一定值，则顺纹传声速度v∥与横纹传声速v⊥之比， 与它们各对应方向上弹性横量之间的关系：
v// v
② 有关音色的振动性能品质评价；
③ 对发音效果稳定性的评价。
A.乐器制作行业对音板(共鸣 板)声学品质方面的要求： 对振动效率的要求：音板应 该能把弦振动所获得的能量， 大部分转变为声辐射到空气 中，消耗在音板内的能量应 该尽量少，使发出的声音具 有较大的音量和足够的持久 性；
对振动效率品质的评价
5.5 木材对声的反射
木材的空间声学特性(建筑声学、音乐声学等)。 木材声反射的用途？ 声学板(扩散板、反射板等)：木材的声阻抗比空 气的高上万倍，入射的声音可大部分反射回来(约90 ％)。用于大厅、音乐厅、录音室。调节交混回响时间， 形成最佳音质。 反射板如果不直接贴墙，必须具有一定的厚度。
5.6木材对声的吸收
目前，用于评价木材声学品质的物理量主要有： 声辐射阻尼(R≥ 1200)； 比动态弹性模量(E/ ρ，与响应快慢有关)；
内部损耗因子或损耗角正切(内摩擦大小)；
声阻抗以及(损耗角正切/ E),表示每个振动周期 内能量损耗的大小。
选用声辐射品质常数较高(R≥1200)、内摩擦损耗小的木材。
原因：振动效率要求音板应该能把从弦振动所获得的能量，大 部分转变为声能辐射到空气中去，而损耗于音板材料内摩擦等因 素的能量应尽量小，使发出的声音具有较大的音量和足够的持久 性。
吸音系数：材料吸收和透射的能量之和占入射总能量之比。 材料吸音的意义？ 缩短残响时间，增加声音的清晰度，消除噪音。 声吸收要求质地较软的以及多孔材料，如软质纤维板、木 丝板、吸音板等，厚度大(20mm以下)，吸音系数增大；
刷漆使材料吸音性能下降，表面未修饰的材面吸音能力强；
打孔、开槽、增加空气层等可以提高材料的吸音能力。
B. 对音色的要求，包括：从音板辐
射中的乐音，应具有优美悦耳的音
色，音板在乐音频率范围内频响特
性分布的均匀性和连续性，以及较
小的惯性阻力和较敏锐的时间响应 特性等等；所以从音乐声学的观点， 针对音色问题应该分析振动的频谱 特性。
有关音色的振动性能品质评价
用振动的频谱特性评价：
云杉木材的频谱特性，明显优于金属材料，使用该材料
5 . 1 基本概念
声波：在具有弹性的媒质(包括固体、液体和空 气)中传播的机械波，起源于发声体的振动。 声波有能量，有速度、频率(音调)、波长和振幅 (强度)。 人耳能感觉到的声音频率为16～20,000Hz； 频率高于20,000Hz，并且不引起声感的弹性波称 为超声波；频率低于20Hz，不能引起听觉的声 波称为次声。
横向振动的共振频率： a. (束缚在1/4处)： fr = (3.55×r/L2)×
E

b. fr = 0.560×r×ν /(L2) = (0.560×r/L2)× (ν：时间长度方向上的声速)
E

C.扭转振动：
振动元素的位移方向围绕试件长轴进行回 转，如此往复周期性扭转的振动。 试件基本共振频率fr取决于该外加质量的 惯性矩I、试件的尺寸和刚性模量G
评价(与振动效率有关的)木材声学性能品质的物理量主要有： 声辐射阻尼(声辐射品质常数)、比动态弹性模量E/ρ、损耗 角正切tgδ、声阻抗以及tanδ/E等。 纤丝角小者有利于其木材振动声能转换效率的提高；木材主 要成份纤维素的结晶度的适量增大有利于其木材声学振动效率的 提高。 对生长轮宽度的要求为：在2cm间隔内，生长轮宽度偏差 不宜超过0.5mm；在整块面板上，最宽和最窄的生长轮宽度差， 不宜超过1～2mm
木材的对数衰减率δ大致在0.020～0.036，针叶树材的δ 较低。对数衰减率δ较低，较适于制作乐器的共鸣板.
C.木材的声阻抗 (特性阻抗)
木材的声阻抗ω为木材密度与木材声速的乘积。
v E
木材的声阻抗ω是表征媒质性质的重要物理量，
对于声音的传播，特别是对两种媒质交界处声的 传播有决定作用。对乐器来说，以小为好。 木材与其它固体材料相比，具有较小的声阻抗而 有非常高的声辐射常数，它是一种在声辐射方面
E// E
经科学家测量，在0摄氏度的空气中，声音的传播速度是332米/秒；在水中的传播速度 是1450米/秒；在铁中的传播速度是5000米/秒。声音的传播也与温度有关，声音在热 空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快。另外声音在传播还与阻力有关，当大 风的天气中，声音传播的速度就慢 .
表 木材顺纹及横纹方向的动弹性模量和传声速度
树种
平均密 度/g· cm3
平均动弹性模量Ed / CPa
顺纹 11.55 10.09 横纹 0.26 0.27
平均传声速度v / m· s-1 顺纹 5298 4919 横纹 783 818
v ∥ /v ⊥
鱼鳞云 杉 红松
0.450 0.404
6.7 6.0
槭木
水曲柳 椴木
0.637
0.585 0.414
C.对发音效果稳定性的 要求，即要求由音板 制作的乐器，能够适 应环境湿度的变化， 一直保持稳定而良好 的发音效果。
主要影响因子：抗吸湿能力和尺寸稳定性。 原因：空气湿度的变化会引起木材含水率的变化， 引起木材声学性质参数的改变而导致乐器发音效果 不稳定；特别是如果木材含水率过度增高，会因动 弹性模量下降、损耗角正切增大，以及尺寸变化产 生的内应力等原因导致乐器音量降低，音色也受到 严重影响。
共振：指物体在强度相同而周期变化的外力 作用下，能够在特定的频率下振幅急剧增大 并得到最大振幅的现象。 共振频率或固有频率：由物体的几何形状、 形体尺寸、材料本身的特性(弹性模量、密度 等)和振动的方式等等决定。