木材的声学性质

4.2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 制作的音板能在工作频率范围内比较均匀地放大各种频 率的乐音。 云杉的频谱特性的“包络线”具有呈“1/f”分布特征,补偿 了人耳“等响度曲线”对高音过于敏锐，对低音听觉迟 钝的不足。 木材作为一个各向异性和多孔性的材料, 其中尤以云杉属 木材质量轻、比动弹性模量最大、内摩擦较小, 具有最强 的各向异性, 在中等频率范围内具有较高水平的频响特性。 云杉属木材结晶度的提高和纤丝角的减小有利于E/G参数 的提高。
2.2木材振动特性的应用 2.2木材振动特性的应用
木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，为乐器制造 的主要材料。我国民族乐器琵琶、古筝、西洋乐器钢琴、 提琴、木琴等，均采用木材制作音板(共鸣板)或发音元 件(如木琴)，就是利用了木材的振动特性和良好的声学 性能品质。 木材的共振性依木材的发音强度与内摩擦力而定，音响 系数愈大，则共振性亦随之变大。在冲击力作用下，木 材能够由本身的振动辐射声能，发出优美音色的乐音。 作为共鸣板，木材能够将弦振动的振幅扩大并美化其音 色向空间辐射声能。 云杉结构致密，材质均匀，年轮宽度适中，它的共振性 很高，音色好、发音效果稳定性，为最好的乐器材料。
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。 通过实验发现: 木材的密度、纤维素的结晶度与木材年 轮宽度呈负相关, 因为年轮较窄, 使得木材晚材率大, 木 材密度大。张辅刚提出了对制琴音板用材的生长轮宽度 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。 应力木、具有斜纹理、节子或纹理弯曲等缺陷的木材， 其声学性质很差，声辐射常数和比弹性模量下降，对数 缩减量和损耗角正切提高，都不适于做乐器共鸣板。
41200)、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。 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 E / ρ 3 、比动态弹性模量E/ρ、损耗角正切tgδ、 声阻抗 E ⋅ ρ 以及tanδ/E等。 从振动效率的角度来看，在 E / ρ 3 、E/ρ为较大数值，而且 tgδ、 tanδ/E、 E 为较小数值的情况下，有利于声能量的 ⋅ρ 高效率转换或响应速度的提高。
木材顺纹声速是空气声速的11-16倍。其中，顺纹声速： 径向声速：弦向声速≈15：5：3。
另外，木材的声速还受含水率的影响，在纤维饱 和点以下，声速随含水率的增加呈急剧下降的直 线关系；在纤维饱和点以上这种变化缓和了许多， 呈平缓下降的直线关系。 弹性模量与木材的密度、纤维素结晶度呈正相关, 而与微纤丝夹角呈负相关。因此, 生长速度缓慢 的木材, 具有较大的密度和结晶度、较小的微纤 丝夹角, 这样使得材料的弹性模量较大, 适宜于 乐器的制作。 即木材动弹性模量值越大, 密度越小, 木材的振 动效率也就越高, 这样的材料用作乐器材品质就 越好。
冲击应力波检测： 基于纵波(或表面波)振动的原理进行工作。用固定能 量的摆锤敲击木材试件一端的端面，因内应力产生的纵波 沿试件长度方向传递，通过应力波速v的测量及v与弹性模 量E之间的关系，进一步对木材的强度进行估测。 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。
二、木材的振动特性及应用
木材和其它具有弹性的材料一样, 在冲击力或周 期性外力的作用下能产生和传播振动, 这种对外 力振动的反应是木材产生声音效果的源泉。振动 的木材表面将激发周围的空气, 以空气为媒介, 将 振动以波的形式传入人耳。 声学性能好的木材具有优良的声共振性和振动频 谱特性, 能够在冲击力作用下, 由本身的振动辐射 声能, 发出优美音色的乐音, 并将弦振动的振幅扩 大并美化其音色向空间辐射声能。振动的木材及 其制品所辐射的声能, 按其基本频率的高低, 产生 不同的音调; 按其振幅的大小, 产生不同的响度; 按其共振频谱特性, 即谐音(泛音) 的多寡及各谐 音的相对强度, 产生不同的音色。
2.1 木材的振动特性
2.1.1 木材的三种基本振动方式与共振频率
2.1.2 木材的声辐射性能和内摩擦衰减
2.1.3 木材的声阻抗 特性阻抗) 木材的声阻抗(特性阻抗 特性阻抗
2.1.1木材的三种基本振动方式与共振频率
木材等固体材料通常有三种基本的振动方式：纵向振动、 横向振动(弯曲振动)和扭转振动。 （1）纵向振动 纵向振动是振动质点位移方向与由此位移产生的介质内应 力方向相平行的振动(如图a)。 1/ 2 长度方向的声速v：v = E / ρ 基本共振频率fr： v 1 E
木材的声学性质
一、引言 二、木材的振动特性及应用 三、木材的传声特性 四、木材声学性能品质评价简述 五、木材的声传播、声共振与材质无 损检测 六、木材的空间声学性质及应用
一、引言
木材声学主要是研究木材在外在的声波源作用下所产生的 振动特性、传声特性、空间声学性质（吸收、反射、透射） 等与声波有关的木材材料特性。 木材的声学特性研究主要体现在三个方面： （1）乐器共鸣板用木材的声学特性研究：主要研究乐器共 鸣板用木材的声振动特性、选取与改性等内容。 （2）基于声学特性的木质材料无损检测研究：主要是研究 应用声学的方法实现对木质材料的力学性能、内部缺陷等 的检测。 （3）建筑中的木质材料声学特性研究：主要研究作为建筑 用木材的空间声学特性及用木质材料装饰后的室内声学效 果。
木材声辐射品质常数、木材的(内摩擦)对数衰减率(或损 耗角正切)和声阻抗等声学性质参数。 木材振动所消耗的能量是用于声能辐射的能量分量和消耗内 摩擦的能量分量的组合。消耗于内摩擦等热损耗因素的能量 越小，用于声辐射的能量越大，则声振动的能量转换率越高。 （1）声辐射阻尼系数R（又称声辐射品质常数）：木材及其 制品的声幅射能力，即向周围空气辐射声功率的大小，与传 声速度成正比，与密度ρ成反比。
(
)
ρ 木棒长度为L，密度为ρ,弹性模量为E。 木材的纵向振动，除了在基本共振频率fr发生共振之外，在 fr的整倍数频率处亦发生共振，称高次谐振动。
2L 2L
fr =
=
(2)横向振动
横向振动：振动质点位移方向和引起的应力方向互相垂直 的运动(如图b1，b2)（木结构和乐器上使用）。 横向振动包括弯曲运动。通常在木结构和乐器上使用的木 材，在工作时主要是横向弯曲振动，如钢琴的音板（振动 时以弯曲振动为主，但属于复杂的板振动）与木横梁静态 弯曲相对应的动态弯曲振动等，可以认为是横向振动。 木棒横向振动的共振频率通常比它的纵向共振频率低的多。 横向共振频率的影响因素： 横向共振频率的影响因素：木材试样的几何形状、尺寸和 声速，木材的固定（振动运动受到抑制）的方式有关。 矩形试件的共振频率 fr = β 2 h L2 E
4 3π 2
ρ
L为试件长度（m）；h为试件厚度（m）；v为试件传声速 度（长度方向）（m/s）；β 为与试件边界条件有关的常数。
（3）扭转振动
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（如图c） 。 木材试件内抵抗这种扭转力矩的应力参数为刚性模量G， 或称作剪切弹性模量。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。
三、木材的传声特性
木材传声特性的主要指标为声速v。木材是各向异性材 料，木材传声特性具有明显的方向性和规律性,使得木 材在轴向（顺纹方向）、径向、弦向三个主轴方向上 的弹性模量和声速均有差异，最明显的是顺纹方向和 横纹方向（相当于径向和弦向的平均效果）的差异， 对于给定的木材试件，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：
树种
v∥/v
⊥
鱼鳞云 杉 红松 槭木 水曲柳 椴木
0.450 0.404 0.637 0.585 0.414
6.7 6.0 3.2 2.8 3.9
四、木材声学性能品质评价简述
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； 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。
五、木材的声传播、声共振与材质无损检测
超声波检测原理： 木材中的纵波传递速度和弯曲振动的共振频率，均与木 材的动弹性模量具有明确的函数关系。通常采用脉冲式超声 波，故称超声脉冲法。 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与抗弯强度正相关。 振动法检测得到的其他声学参数如对数缩减量δ 、损耗 角正切 tan δ 亦有可能成为评定木材力学强度的指标，亦可采 δ 用E、 两者构成的参数如E/ δ ，估测木材的强度。
表1 木材顺纹及横纹方向的动弹性模量和传声速度
平均密 度 /g·cm3
平均动弹性模量E 平均动弹性模量 d / CPa 顺纹 11.55 10.09 12.66 1243 12.21 横纹 0.26 0.27 1.23 1.61 0.61
平均传声速度v 平均传声速度 / m·s-1 顺纹 5298 4919 4422 4638 5370 横纹 783 818 1368 1642 1360
4.3对发音效果稳定性的评价与改良
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。 采用甲醛化处理和水杨醇处理、水杨醇—甲醛化 等方法处理木材能提高发音的稳定性和声学性能 品质。