炭化处理对杨木声学振动特性的影响

1/9炭化处理对杨木声学振动特性的影响炭化处理对杨木声学振动特性的影响声学品质好的木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，可以借助冲击作用通过本身的振动将声能辐射，从而发出的乐音具有优美的音色1。木材振动所辐射的声能，其音色受共振频率影响，其音调受基本频率的高低影响，其响度受振幅大小影响，这种特性是木材能够广泛用于乐器音板的重要依据。木材的声学性能主要受其物理、构造特征、化学属性影响，前人对木材物理、宏微观构造特征对声学性能影响方面开展了大量的研究，但目前尚少见到炭化木在乐器共鸣板方面的应用以及炭化木声学振动性能方面研究的报道。炭化处理不仅使木材产生物理方面的变化，而且化学属性改变也是密不可分2。在物理性质方面，接触角增大，疏水性增强，产生应力松弛；吸湿性降低，尺寸稳定性提高，不易变形，耐气候性显著提高34。在化学性质上，因为腐朽菌主要通过分解降解酶从而分解木材的纤维素、木质素、半纤维素，使木材结构被破坏。半纤维素发生降解反应，纤维素结晶度增加等热处理过程中，木材中的半纤维素先降解，随着温度升高大分子链断裂产生了自由基，这些新产生的基团和分子作为木材的保护剂，使得2/9木材的耐腐性能提高5。而且炭化木颜色美观、耐久，内外一致，且可以模拟名贵树种颜色6。炭化处理过程不添加任何化学物质为纯物理技术，在木材热处理过程中只涉及到温度和水蒸气，具有环保性，是环境友好型材料7。从而炭化处理在一定程度上改变木材的材性，颜色加深、尺度稳定性增加、力学强度提高28以及声学性能发生变化等810。炭化处理后仅有少量的变形外围管胞的直径变化比较明显，只有个别木材在木射线方向上的宽度有变化11。当前，利用炭化木的这些特点，炭化处理工艺应用于生产地热地板12，也可以生产木醋酸13。但针对木材进行炭化处理后的声学振动性能的变化规律的研究尚少开展。本文以白杨木木材为研究对象，采用170、190、210的超高温热处理工艺利用傅立叶变换频振动频谱分析仪分析木材炭化前后声学性能指标的变化，展开炭化工艺对木材声学性能影响的讨论与研究，以期可以拓展木材炭化技术的使用范围。1试验材料与方法试样材料选择规格为长度300MM宽度100MM厚度300MM100MM30MM的白杨木树种试件45块，试件含水率为12，试件无开裂无结疤并且无虫蛀。在室温下精确测量3/9试件长度、宽度、厚度，并称重算出密度。1试验方法炭化工艺。首先将烘箱预热至80，将标准规格的杨木放入烘箱中。以1/MIN的升温速度加热烘箱使温度达到要求的炭化温度，以防止木材因升温速度过快产生应力而变形。达到预定的炭化温度后进行保温，保温时间分别为2、3、H。保温时间终了关闭加热源，待试件在烘箱中自然冷却至100再取出。当烘箱温度自120以上时，通入氮气作本文由论文联盟HTTP/收集整理为试件的保护气体。实验分组见表1。木材声学性质测定基于梁的振动理论，采用两端自由的边界条件，用快速傅立叶变换频振动频谱分析仪测定炭化处理前后的木材各项声学性能14。测试原理示意如图1所示。变化率炭化后的数值炭化前的数值炭化前的数值100。从图1可以看出在试样波节点处用弹力三角架将试件水平支起，用小锤片敲击试件的一端或中心部，试件另一端下方放置的信号接收装置，接收装置将接收到的信号通过前置放大镜、滤波器后，由FFT分析处理得到共振频率；再经计算得到弹性模量、剪切模量、声阻抗、声辐射强度等声学振动性能参数。并通过公式计算炭化前后各项4/9振动参数的变化率。结果与分析炭化处理对密度的影响经炭化处理后，木材密度的变化规律及不同工艺条件对密度影响的比较如图2所示。从图2可以看出，经炭化处理后，杨木密度均有所降低，降低率在范围；从变化率上看，随着炭化温度的提高，密度的降低率逐步提高，即杨木密度随着炭化温度的增加而降低的程度越大。结合炭化温度及保温时间两个因素，当保温时间越长、炭化处理温度越高时，密度下降越多，炭化温度为210、保温时间为H的条件下，试件密度降低率最大，其数值从/CM3降到/CM3，降低率为；炭化温度为170、保温时间为H的条件下，试样密度下降最少，从G/CM3变化到/CM3，下降了。比较不同保温时间对试件密度的影响可以看出，经170保温时间条件下进行炭化处理后，密度降低范围为/CM3，降低幅度在；在190条件下，密度降低范围为/CM3，降低幅度在；在210条件下，密度降低范围为/CM3，降低幅度在。2炭化处理对比动弹性模量的影响矢野浩之研究了以德国云杉作为乐器材的音响性质与机械性质，结果表明德国云杉的上等材比动弹性模量5/9大15。结果表明高比动弹性模量决定共振箱性能的最重要参数1617。经炭化处理后，木材比动弹性模量的变化规律及不同工艺条件对其值的影响的比较如图3所示。从图3可以看出，经炭化处理后，大部分的杨木比动弹性模量有所提高，从图3可以看出，比较不同炭化温度之间的差异，炭化温度为170时，比动弹性模量的值都呈现增大的变化规律，然而炭化温度为190或者210都出现了少数试件的比动弹性模量的值下降的现象。在不同保温条件下，保温H对试件的比动弹性模量的影响最为显著，比动弹性模量提高范围为到，即从到；在190和210处理条件下，比动弹性模量出现有所下降的情况。综合比较不同的处理工艺可以得出，当炭化处理温度为170，保温时间H时，试件的比动弹性模量提高最明显，从增长到，提高率为；而在210的处理温度及H的保温时间条件下，试件的声辐射品质常数从下降到GPA，减少最多，为。最佳的处理工艺为170的炭化工艺和H的保温时间。2炭化处理对声辐射阻尼系数的影响根据振动学理论，为了获得较高的振动效率，木材声辐射品质常数的值应该越大越好18。声辐射品质常数越大，木材能够获得的振动能量就能最大限度地用于向空气中辐射声能，获得的声音音量大且持久性强。炭化前后6/9声辐射品质常数的变化规律如图4所示。从图4可以看出，经炭化处理后，杨木的声辐射品质常数均有所提高，比较不同处理温度之间的差异可以看出，随着炭化温度的升高，声辐射品质常数的增大率呈现增大的变化规律，即声辐射品质常数随着炭化温度的增加而增加。从图4可以看出，炭化处理温度为210时，对试件声辐射品质常数的影响最为显著，在不同保温条件下，声辐射品质常数提高范围为M4/KGS，提高率为；当炭化处理温度为190时，声辐射品质常数提高范围为/KGS，其提高率为；而在170处理条件下，声辐射品质常数提高范围为/KGS。提高率为。综合比较不同的处理工艺可以得出，当炭化处理温度为210，保温时间为H时，试件声辐射品质常数提高最明显，从M4/KGS增长到M4/KGS，提高率为；而在170的处理温度及H的保温时间条件下，试件声辐射品质常数从M4/KGS提高到/KGS，提高率最小，仅为。2炭化处理对声阻抗的影响木材声学理论认为，声阻抗越小，说明声音的能量在传播过程中损失越少，声音的音质也会更好17。炭化前后声阻抗的变化规律如图5所示。从图5可以看出，经炭化处理后，杨木的声阻抗值均有所降低；比较相同处理温度不同保温时间的处理条件7/9可以得出，随着保温时间的延长，声阻抗降低率呈现逐步提高的变化规律；比较不同的处理温度可以得出，炭化温度越高，声阻抗值下降越明显，在210的炭化温度处理条件下，声阻抗值降低范围为10610KG/SM2；降低率为；在190的炭化温度处理条件下，声阻抗值降低范围为10610KG/SM2，降低率为；在170的炭化温度处理条件下，声阻抗值降低范围为10610KG/SM2，降低率为。综合比较各处理工艺条件可以得出，在210、保温时间H的条件下进行处理时，试件的声阻抗值下降最显著，从10KG/SM2下降到了10KG/SM2，降低率为；而170、保温时间H的条件下，试件声阻抗值从10KG/SM2下降至10KG/SM2，降低率最小，仅为。2炭化处理对E/G的影响经炭化处理后，木材E/G值的变化规律及不同工艺条件对E/G值影响的比较如图6所示。从图6可以看出，经炭化处理后，杨木E/G值均有所降低；比较不同的处理温度可以得出，在210的炭化温度处理条件下，E/G值降低范围为；降低率为；在190的炭化温度处理条件下，E/G值降低范围为，降低率为；在170的炭化温度处理条件下，E/G值降低范围为，降低率为。综合比较各处理工艺条件可以得8/9出，当炭化温度为190，保温时间为H，试件E/G值的下降幅度最大，从下降至，降低率为；而在炭化温度190，保温时间H条件下，试件E/G值从降至，下降率最少，仅为。不同于炭化处理工艺对声辐射品质常数、声阻抗等声学性能参数的影响，随着处理温度的变化，或者随着保温时间的延长，E/G降低率的变化没有明显的规律。究竟是什么原因导致这样的结果，还有待于进一步的研究与分析。综合以上分析可以得出，炭化处理工艺对不同的声学振动参数有不同的影响规律，当处理温度为H、保温时间为190时，可以较为显著的提高木材的声学振动性能。结论通过分析不同炭化处理温度、不同保温时间对木材比动弹性模量、声辐射阻尼系数、声阻抗及E/G值的影响，得出以下几点结论当炭化处理温度越高、保温时间越长时，密度下降越多，炭化温度为210、保温时间为H时，试件密度降低率最大，降低率为。比动弹性模量的结果当处理温度为170、保温时间为H时，比动弹性模量可以增加，提高木材综合声学振动性能。9/9经炭化处理后，杨木的声辐射品质常数均有所提高，随着炭化温度的升高，声辐射品质常数的增大率呈现增大的变化规律。当炭化处理温度为210，保温时间为H时，试件声辐射品质常数提高最明显，提高率为。经炭化处理后，杨木的声阻抗值均