木材聲學(xué)性質(zhì)

1、木材聲學(xué)性質(zhì)1引言木材聲學(xué)主要是研究木材在外在的聲波源作用下所產(chǎn)生的振動特性、傳聲特性、空間聲學(xué)性質(zhì)（吸收、反射、透射）等與聲波有關(guān)的木材材料特性。聲學(xué)技術(shù)在木材科學(xué)研究與技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。木材的聲學(xué)特性研究主要體現(xiàn)在三個方面：（1）樂器共鳴板用木材的聲學(xué)特性研究：主要研究樂器共鳴板用木材的聲振動特性、選取與改性等內(nèi)容。（2）基于聲學(xué)特性的木質(zhì)材料無損檢測研究：主要是研究應(yīng)用聲學(xué)的方法實現(xiàn)對木質(zhì)材料的力學(xué)性能、內(nèi)部缺陷等的檢測。（3）建筑中的木質(zhì)材料聲學(xué)特性研究：主要研究作為建筑用木材的空間聲學(xué)特性及用木質(zhì)材料裝飾后的室內(nèi)聲學(xué)效果。2 聲音的基本特性聲音是傳播中的能量，它的強(qiáng)度是通過垂

2、直于傳播方向上單位面積的功率，單位為Wcm2。聲音強(qiáng)度級可用聲學(xué)儀器來度量。人耳對聲音的感覺與它的頻率有關(guān)，同樣強(qiáng)度較低頻率的聲音比高頻率的聲音響度大。人耳平均可聽到的最微弱的聲音強(qiáng)度叫做聽覺閾，在1000Hz時是10-8 Wcrn2。測量一個聲音的強(qiáng)度級時，可將它的強(qiáng)度與這個聽覺閾的強(qiáng)度進(jìn)行比較。由于人耳能感覺到的聲音強(qiáng)度范圍很廣，通常用對數(shù)強(qiáng)度級來反映。聲音的強(qiáng)度級公式如下：3木材振動特性及應(yīng)用31木材的振動特性木材等固體材料通常有三種基本的振動方式：縱向振動、橫向振動(彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動。縱向振動縱向振動是振動質(zhì)點位移方向與由此位移產(chǎn)生的介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力方向相平行的振動(如圖a。木材的縱向振動

3、，除了在基本共振頻率fr發(fā)生共振之外，在fr的整倍數(shù)頻率處亦發(fā)生共振，稱高次諧振動。橫向振動橫向振動是振動質(zhì)點位移方向和引起的應(yīng)力方向互相垂直的運(yùn)動(如圖b1，b2。橫向振動包括彎曲運(yùn)動。通常在木結(jié)構(gòu)和樂器上使用的木材，在工作時主要是橫向彎曲振動，如鋼琴的音板與木橫梁靜態(tài)彎曲相對應(yīng)的動態(tài)彎曲振動等，可以認(rèn)為是橫向振動。扭轉(zhuǎn)振動扭轉(zhuǎn)振動是振動元素的位移方向圍繞試件長軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)，如此往復(fù)周期性扭轉(zhuǎn)的振動(如圖c。3 .2木材振動特性的應(yīng)用木材具有優(yōu)良的聲共振性和振動頻譜特性，為樂器制造的主要材料。我國民族樂器琵琶、古箏、西洋樂器鋼琴、提琴、木琴等，均采用木材制作音板(共鳴板或發(fā)音元件(如木琴，就是

4、利用了木材的振動特性和良好的聲學(xué)性能品質(zhì)。木材的共振性依木材的發(fā)音強(qiáng)度與內(nèi)摩擦力而定，音響系數(shù)愈大，則共振性亦隨之變大。在沖擊力作用下，木材能夠由本身的振動輻射聲能，發(fā)出優(yōu)美音色的樂音。作為共鳴板，木材能夠?qū)⑾艺駝拥恼穹鶖U(kuò)大并美化其音色向空間輻射聲能。根據(jù)樂器對音板的要求合理選材，就必須運(yùn)用木材聲學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)參數(shù)，合理的評價各樹種木材聲學(xué)性能，以指導(dǎo)樂器共鳴板的合理選材。云杉結(jié)構(gòu)致密，材質(zhì)均勻，年輪寬度適中，它的共振性很高，音色好、發(fā)音效果穩(wěn)定性，為最好的樂器材料。4木材的傳聲特性及應(yīng)用4.1木材的傳聲特性木材傳聲特性的主要指標(biāo)為聲速v。木材是各向異性材料，木材傳聲特性具有明顯的方向性和規(guī)律性

5、。木材順紋方向聲音傳播速度v明顯大于橫紋方向v，二者關(guān)系如下木材傳聲特性的主要為聲速，木材順紋聲速是空氣聲速的11-16倍。其中，順紋聲速：徑向聲速：弦向聲速15：5：3。另外，木材的聲速還受含水率的影響，在纖維飽和點以下，聲速隨含水率的增加呈急劇下降的直線關(guān)系；在纖維飽和點以上這種變化緩和了許多，呈平緩下降的直線關(guān)系。4.2木材的傳聲特性應(yīng)用木材的傳聲特性主要應(yīng)用于木材無損檢測（NDE），從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來，近十幾年才得到迅速發(fā)展。木材無損檢測可以在不破壞木材本身形狀、原有結(jié)構(gòu)的前提下，利用當(dāng)今的物理方法和手段快速測量出木材及木質(zhì)材料的尺寸、規(guī)格、表面形狀和基本物理力學(xué)性。傳統(tǒng)的

6、木材物理、力學(xué)性質(zhì)檢測大都是采用檢測儀器或力學(xué)試驗機(jī)對規(guī)定尺寸、規(guī)格、表面形狀或所能承受的最大載荷。這種方法檢測時間長、條件苛刻、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，且不適于非破壞、在線生快速檢測。無損檢測木材或木質(zhì)材料的物理力學(xué)性質(zhì)，主要方法有X射線攝影檢測法、微波檢測法、聲發(fā)射法、超聲波檢測法、核磁共振法等。5木材空間聲學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用51木材的空間聲學(xué)性質(zhì)木材空間聲學(xué)性質(zhì)指木材對聲的反射、吸收和透射。任何材料對入射到其表面上的空氣聲波，都能產(chǎn)生反射，吸收和透射三種作用。聲波作用在木材表面，一部分被反射回來，一部分被木材本身的震動吸收，還有一部分被透過。木材是利用聲反射造成最佳音質(zhì)的室內(nèi)材料。在要求聲學(xué)質(zhì)量的大

7、廳，音樂廳和錄音室等處所，其內(nèi)壁大都用木材和木質(zhì)材料裝飾以改善室內(nèi)的音響條件。大廳中，聲學(xué)條件可應(yīng)用聲學(xué)板來增強(qiáng)，如北京音樂廳，不僅內(nèi)壁采用木材，并在大廳后方還懸吊一些木板，即聲學(xué)板。木材的吸音性能可用吸聲系數(shù)表示，它是吸收入射能的百分率，亦即吸收和透射的能量之比值的百分率。2cm厚的冷杉板材，其平均吸聲系數(shù)約為0.1，說明其木材有90%左右的入射聲能被反射。木材的聲吸收效果還與聲源頻率有關(guān)。軟質(zhì)纖維板對頻率較高部分的吸收較多，效果隨板增厚而加大，但這一作用僅至20mm。木絲板由于孔隙體積大和表面孔隙度高，具高的聲吸收能力，對聲波頻率變化的反應(yīng)也較顯著。軟質(zhì)纖維板還可用打孔、開槽的方法來進(jìn)一步

8、提高對聲的吸收性能。6木材聲學(xué)研究發(fā)展趨勢雖然前人對聲學(xué)技術(shù)在木材科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用作出了顯著成績，但仍有很多問題需要進(jìn)一步研究，仍有很多方面需要進(jìn)一步發(fā)展：（1）樂器音板的聲振動特性研究。目前的研究主要集中于對適合制作樂器音板的木材單元的聲學(xué)振動性能進(jìn)行評價，很少涉及對已制作好的整塊音板成品的聲振動特性的研究。而樂器音板的振動性能直接決定著樂器產(chǎn)品的質(zhì)量，同時可以反饋所選用的木材的合理性，因此如何評價音板成品的聲學(xué)振動性能是一個重要的課題。（2）應(yīng)用生理心理指標(biāo)評價樂器共鳴板用木材的聲振動特性。目前主要采要聲輻射阻尼常數(shù)R、聲衰減、聲音特性阻抗、比動彈性模量E/等參數(shù)來評價樂器共鳴板用木材的聲振動特性，若能將人的生理心理指標(biāo)納入聲振動特性評價體系，特別是對于制作好的樂器的評價，對樂器共鳴板用木材的選材及制作高檔次的樂器具有實際意義。（3）加強(qiáng)聲信號的處理。從樂器共鳴板用木材或已制作好的音板上采集到的聲信號包含有豐富的信息，但這些信息的提取與分析的方法還比較有限，從目前的研究中可以看出，木材振動信號的分析主要局限于FFT分析，而信號處理與分析的方法非常的豐富，因此將先進(jìn)的信號處理與分析手段應(yīng)用到木材聲振動特性研究中來具有實際意義。（4）目前，在樂器音板的生產(chǎn)中，主要還是依賴技師的經(jīng)驗主觀選材，現(xiàn)有的研究雖然摸索了一些客觀的選材方式，但其在實際生產(chǎn)中應(yīng)用還存在著很多具