木材声学性质

1、木材声学性质1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。声学技术在木材科学研究与技术领域得到了广泛的应用。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。2 声音的基本特性声音是传播中的能量，它的强度是通过垂

2、直于传播方向上单位面积的功率，单位为Wcm2。声音强度级可用声学仪器来度量。人耳对声音的感觉与它的频率有关，同样强度较低频率的声音比高频率的声音响度大。人耳平均可听到的最微弱的声音强度叫做听觉阈，在1000Hz时是10-8 Wcrn2。测量一个声音的强度级时，可将它的强度与这个听觉阈的强度进行比较。由于人耳能感觉到的声音强度范围很广，通常用对数强度级来反映。声音的强度级公式如下：3木材振动特性及应用31木材的振动特性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。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。木材的纵向振动

3、，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。横向振动横向振动是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。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。扭转振动扭转振动是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。3 .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

4、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。根据乐器对音板的要求合理选材，就必须运用木材声学性质的指标参数，合理的评价各树种木材声学性能，以指导乐器共鸣板的合理选材。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。4木材的传声特性及应用4.1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

5、。木材顺纹方向声音传播速度v明显大于横纹方向v，二者关系如下木材传声特性的主要为声速，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。4.2木材的传声特性应用木材的传声特性主要应用于木材无损检测（NDE），从20世纪50年代开始发展起来，近十几年才得到迅速发展。木材无损检测可以在不破坏木材本身形状、原有结构的前提下，利用当今的物理方法和手段快速测量出木材及木质材料的尺寸、规格、表面形状和基本物理力学性。传统的

6、木材物理、力学性质检测大都是采用检测仪器或力学试验机对规定尺寸、规格、表面形状或所能承受的最大载荷。这种方法检测时间长、条件苛刻、稳定性和重现性差，且不适于非破坏、在线生快速检测。无损检测木材或木质材料的物理力学性质，主要方法有X射线摄影检测法、微波检测法、声发射法、超声波检测法、核磁共振法等。5木材空间声学性质及应用51木材的空间声学性质木材空间声学性质指木材对声的反射、吸收和透射。任何材料对入射到其表面上的空气声波，都能产生反射，吸收和透射三种作用。声波作用在木材表面，一部分被反射回来，一部分被木材本身的震动吸收，还有一部分被透过。木材是利用声反射造成最佳音质的室内材料。在要求声学质量的大

7、厅，音乐厅和录音室等处所，其内壁大都用木材和木质材料装饰以改善室内的音响条件。大厅中，声学条件可应用声学板来增强，如北京音乐厅，不仅内壁采用木材，并在大厅后方还悬吊一些木板，即声学板。木材的吸音性能可用吸声系数表示，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，其平均吸声系数约为0.1，说明其木材有90%左右的入射声能被反射。木材的声吸收效果还与声源频率有关。软质纤维板对频率较高部分的吸收较多，效果随板增厚而加大，但这一作用仅至20mm。木丝板由于孔隙体积大和表面孔隙度高，具高的声吸收能力，对声波频率变化的反应也较显著。软质纤维板还可用打孔、开槽的方法来进一步

8、提高对声的吸收性能。6木材声学研究发展趋势虽然前人对声学技术在木材科学领域的应用作出了显著成绩，但仍有很多问题需要进一步研究，仍有很多方面需要进一步发展：（1）乐器音板的声振动特性研究。目前的研究主要集中于对适合制作乐器音板的木材单元的声学振动性能进行评价，很少涉及对已制作好的整块音板成品的声振动特性的研究。而乐器音板的振动性能直接决定着乐器产品的质量，同时可以反馈所选用的木材的合理性，因此如何评价音板成品的声学振动性能是一个重要的课题。（2）应用生理心理指标评价乐器共鸣板用木材的声振动特性。目前主要采要声辐射阻尼常数R、声衰减、声音特性阻抗、比动弹性模量E/等参数来评价乐器共鸣板用木材的声振动特性，若能将人的生理心理指标纳入声振动特性评价体系，特别是对于制作好的乐器的评价，对乐器共鸣板用木材的选材及制作高档次的乐器具有实际意义。（3）加强声信号的处理。从乐器共鸣板用木材或已制作好的音板上采集到的声信号包含有丰富的信息，但这些信息的提取与分析的方法还比较有限，从目前的研究中可以看出，木材振动信号的分析主要局限于FFT分析，而信号处理与分析的方法非常的丰富，因此将先进的信号处理与分析手段应用到木材声振动特性研究中来具有实际意义。（4）目前，在乐器音板的生产中，主要还是依赖技师的经验主观选材，现有的研究虽然摸索了一些客观的选材方式，但其在实际生产中应用还存在着很多具