10第六章 木材的声学性质

1、 n声波：在具有弹性的媒质声波：在具有弹性的媒质(包括固体、液体和空包括固体、液体和空 气气)中传播的机械波，起源于发声体的振动。中传播的机械波，起源于发声体的振动。 声波有能量，有速度、频率声波有能量，有速度、频率(音调音调)、波长和振幅、波长和振幅 (强度强度)。 人耳能感觉到的声音频率为人耳能感觉到的声音频率为Hz； 频率高于频率高于Hz，并且不引起声感的弹性波称，并且不引起声感的弹性波称 为为；频率低于；频率低于Hz，不能引起听觉的声，不能引起听觉的声 波称为波称为。 n 声音的强度：通过垂直于传播方向上单位面积的功声音的强度：通过垂直于传播方向上单位面积的功 率，单位：率，单位：W/

2、cm2。 n 声音的强度级：声音的强度级：10lg ( I / I0 ) n 强度为强度为 I 的声音用分贝的声音用分贝(dB)表示的强度级；表示的强度级； n I为声音的强度，为声音的强度， W/cm2 ； n I0的听觉阀的强度，即的听觉阀的强度，即10-16 W/cm2 (1000Hz)。 人耳听觉阀的声强级为人耳听觉阀的声强级为；感觉疼痛的声强；感觉疼痛的声强 级为级为；通常人们交谈的声强级约；通常人们交谈的声强级约。人耳。人耳 感到的声强与频率有关！感到的声强与频率有关！ 不同场所的声强级不同场所的声强级 声强级声强级 （dB)dB) 0 10 20 30 40 50 60 70 8

3、0 90 100 120 140 160 180 200 220 240 最最 小小 可可 听听 限限 剧剧 场场 播播 放放 室室 无无 收收 音音 机机 住住 宅宅 有有 收收 音音 机机 住住 宅宅 百百 货货 商商 场场 普普 通通 工工 厂厂 换换 气气 装装 置置 发发 电电 站站 地地 铁铁 变变 电电 站站 最最 大大 可可 听听 限限 标标 准准 大大 气气 压压 大大 炮炮 炮炮 口口 木材声学性质木材声学性质 木材的木材的 振动特性振动特性 木材声学性木材声学性 能品质的评价能品质的评价 空间声学性质空间声学性质 木材的木材的 无损检测无损检测 5.2 木材的振动特性木材

4、的振动特性 n振动振动(周期性振动周期性振动)：物体或物体的一部分沿：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。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自由振动：物体受到瞬间的冲击力后产生 的振动。的振动。 受迫振动：物体受到一定强度的周期性机受迫振动：物体受到一定强度的周期性机 械力或声波等。械力或声波等。 图 木 材 的 振 动 5.2.1木材的三种基本振动方式木材的三种基本振动方式 n纵向振动的声速和频率：纵向振动的声速和频率： n设木棒长度设木棒长度为为L L，密度为密度为，弹性模量为弹性模

5、量为E E，则长度方向的声则长度方向的声 速速和基本共振频率和基本共振频率frfr的公式为：的公式为：V= V= n 基本共振频率：基本共振频率：frfr 振幅最大；振幅最大； L V 2 E 横向振动的共振频率：横向振动的共振频率： a. (束缚在束缚在1/4处处)： fr = (3.55r/L2) b. fr = 0.560r /(L2) = (0.560r/L2) (：时间长度方向上的声速：时间长度方向上的声速) E E B.横向振动横向振动 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

6、括弯曲运动。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。式有关。 n振动元素的位移方向围绕试件长轴进行回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。转，如此往复周期性扭转的振动。 n试件基本共振频率试件基本共振频率fr取决于该外加质量的取决于该外加质量的 惯性矩惯性矩I、试件的尺寸和刚性模量、试件的尺寸和刚性模量G n式中：式中：r为圆截面试件的半径；为圆截面试件的半径；L为试件的为

7、试件的 长度。长度。 n扭转不改变木材的外形尺寸，没有声音发扭转不改变木材的外形尺寸，没有声音发 生。可用以精确确定木材的刚性模量。生。可用以精确确定木材的刚性模量。 C.扭转振动：扭转振动： LI G rf r 8 2 5.2.2 木材的声辐射性能和内摩擦衰减：木材的声辐射性能和内摩擦衰减： n木材木材声辐射品质常数、木材的声辐射品质常数、木材的(内摩擦内摩擦)对数衰减率对数衰减率(或或 损耗角正切损耗角正切)和声阻抗和声阻抗等声学性质参数。等声学性质参数。 n当外力停止后，木材的振幅变化？为什么？当外力停止后，木材的振幅变化？为什么？ a. 向空气中辐射能量时为克服空气阻力所消耗的能量，向

8、空气中辐射能量时为克服空气阻力所消耗的能量， 这部分能量以声波的形式辐射到空气中，由此产生的这部分能量以声波的形式辐射到空气中，由此产生的 衰减为声辐射衰减衰减为声辐射衰减。 n b.木材内部分子的摩擦以及周围接触界面上的摩擦，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。耗衰减。 声辐射阻尼系数声辐射阻尼系数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

9、 功率的大小，与传声速度成正比，与木材密度成反比。功率的大小，与传声速度成正比，与木材密度成反比。 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 共鸣板共鸣板(音板音板)时，应该选择时，应该选择 R 高一些的木材。木材的密度高，高一些的木材。木材的密度高， R往往较小。往往较小。 声辐射阻尼系数声辐射阻尼系数R： 3 Ev R 木材因为摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减率木材因为摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减率来来 表示，又称对数缩减量。表示，又称对数缩减量。 自由振动时：自由振动时：= ln (A1/A2)=T0 A1，A2是两个

10、连续振动周期的振幅；是两个连续振动周期的振幅； :内部阻尼系数；内部阻尼系数； T0:自由振动的周期。自由振动的周期。 木材的对数衰减率木材的对数衰减率大致在大致在0.0200.036，针叶树材的，针叶树材的 较低。对数衰减率较低。对数衰减率较低，较适于制作乐器的共鸣板较低，较适于制作乐器的共鸣板. . B. 内摩擦衰减内摩擦衰减 C.木材的声阻抗木材的声阻抗 (特性阻抗特性阻抗) n木材的声阻抗木材的声阻抗为木材密度与木材声速的乘积。为木材密度与木材声速的乘积。 n木材的声阻抗木材的声阻抗是表征媒质性质的重要物理量，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对于

11、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。传播有决定作用。对乐器来说，以小为好。 n木材与其它固体材料相比，具有较小的声阻抗而木材与其它固体材料相比，具有较小的声阻抗而 有非常高的有非常高的声辐射常数，它是一种在声辐射方面声辐射常数，它是一种在声辐射方面 具有优良特性的材料。具有优良特性的材料。 Ev 木材能传递能量，传声特性的主要指标是声速木材能传递能量，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。木材中声速随木材含水率的增大而降低。 木材中声速的各向异性木材中声速的各向异

12、性; ; 密度密度为一定值，则顺纹传声速度为一定值，则顺纹传声速度v 与横纹传声速 与横纹传声速v 之比， 之比， 与它们各对应方向上弹性横量之间的关系：与它们各对应方向上弹性横量之间的关系： E E v v / 5.2.3 木材的传声特性木材的传声特性 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 . E v 表表 木材顺纹及横纹方向的动弹性模量和传声速度木材顺纹及

13、横纹方向的动弹性模量和传声速度 树种树种 平均密平均密 度度/gcm- 3 平均动弹性模量平均动弹性模量Ed / CPa 平均传声速度平均传声速度v / ms-1 v /v 顺纹顺纹横纹横纹顺纹顺纹横纹横纹 鱼鳞云鱼鳞云 杉杉 0.45011.550.2652987836.7 红松红松0.40410.090.2749198186.0 槭木槭木0.63712.661.23442213683.2 水曲柳水曲柳0.58512431.61463816422.8 椴木椴木0.41412.210.61537013603.9 对振动效率的评价；对振动效率的评价； 有关音色的振动性能品质评价；有关音色的振动性

14、能品质评价； 对发音效果稳定性的评价。对发音效果稳定性的评价。 5.3 木材声学性能品质评价简述木材声学性能品质评价简述 A.A.乐器制作行业对音板乐器制作行业对音板(共鸣共鸣 板板)声学品质方面的要求：声学品质方面的要求： 对振动效率的要求：音板应对振动效率的要求：音板应 该能把弦振动所获得的能量，该能把弦振动所获得的能量， 大部分转变为声辐射到空气大部分转变为声辐射到空气 中，消耗在音板内的能量应中，消耗在音板内的能量应 该尽量少，使发出的声音具该尽量少，使发出的声音具 有较大的音量和足够的持久有较大的音量和足够的持久 性；性； 对振动效率品质的评价对振动效率品质的评价 目前，用于评价木材

15、声学品质的物理量主要有：目前，用于评价木材声学品质的物理量主要有： 声辐射阻尼声辐射阻尼(R 1200)； 比动态弹性模量比动态弹性模量(E/ ，与响应快慢有关，与响应快慢有关)； 内部损耗因子或损耗角正切内部损耗因子或损耗角正切(内摩擦大小内摩擦大小)； 声阻抗以及声阻抗以及(损耗角正切损耗角正切/ E), ,表示每个振动周期表示每个振动周期 内能量损耗的大小。内能量损耗的大小。 选用声辐射品质常数较高选用声辐射品质常数较高(R1200)、内摩擦损耗小的木材。、内摩擦损耗小的木材。 原因：原因：振动效率要求音板应该能把从弦振动所获得的能量，大振动效率要求音板应该能把从弦振动所获得的能量，大

16、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。性。 评价评价(与振动效率有关的与振动效率有关的)木材木材声学性能品质的物理量声学性能品质的物理量主要有：主要有： 、 纤丝角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。提高。 对对生长轮宽度

17、生长轮宽度的要求为：在的要求为：在2cm间隔内，生长轮宽度偏差间隔内，生长轮宽度偏差 不宜超过不宜超过0.5mm；在整块面板上，最宽和最窄的生长轮宽度差，；在整块面板上，最宽和最窄的生长轮宽度差， 不宜超过不宜超过12mm B. 对音色的要求，包括：从音板辐对音色的要求，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，特性等等；所以从音乐声学的观点，

18、 针对音色问题应该分析振动的频谱针对音色问题应该分析振动的频谱 特性。特性。 有关音色的振动性能品质评价有关音色的振动性能品质评价 用振动的用振动的频谱特性频谱特性评价：评价： 云杉木材的频谱特性，明显优于金属材料，使用该材料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。音。 可用动弹性模量可用动弹性模量E与动态刚性模量与动态刚性模量G之比之比E/G这个参数来这个参数来 表达频谱特性曲线的表达频谱特性曲线的“包络线包络线”特性，特性，E/G值高者，其音色效值高者，其音色效 果好

19、。果好。 云杉属木材结晶度的提高和纤丝角的减小有利于云杉属木材结晶度的提高和纤丝角的减小有利于E/G参参 数的提高。数的提高。 C.对发音效果稳定性的对发音效果稳定性的 要求，即要求由音板要求，即要求由音板 制作的乐器，能够适制作的乐器，能够适 应环境湿度的变化，应环境湿度的变化， 一直保持稳定而良好一直保持稳定而良好 的发音效果。的发音效果。 n主要影响因子：抗吸湿能力和尺寸稳定性。主要影响因子：抗吸湿能力和尺寸稳定性。 n原因：空气湿度的变化会引起木材含水率的变化，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引起木材声学性质参数的改变而导致乐器

20、发音效果 不稳定；特别是如果木材含水率过度增高，会因动不稳定；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。严重影响。 n采用甲醛化处理和水杨醇处理、水杨醇采用甲醛化处理和水杨醇处理、水杨醇甲醛化等甲醛化等 方法处理木材能提高发音的稳定性和声学性能品质。方法处理木材能提高发音的稳定性和声学性能品质。 5.4 5.4 木材的声传播、声共振与材质无损木材的声传播、声共振与材质无损 检测检测 n木材中的纵波传递速度和弯曲

21、振动的共振频率，均与木材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，采用声学方法或超声的动弹性模量具有明确的函数关系，采用声学方法或超声 波方法测量动弹性模量或刚性模量或两者同时测量，可在波方法测量动弹性模量或刚性模量或两者同时测量，可在 一定精度范围内实行木材强度的无损检测。一定精度范围内实行木材强度的无损检测。 n基于纵波在木材中的传递原理进行工作的，通常采用脉冲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。式超声波，故称超声脉冲法。 n 在纵波情况下，超声传播速度在纵波情况下，超声传播速度v与密度与密度及超声弹性模量

22、及超声弹性模量Eu 之间的关系为之间的关系为v =（ Eu /）1/2 。 n 基于木材共振频率与弹性模量具有数学关系的原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理进行的。振动测量得到的动弹性模量E与抗弯强度与抗弯强度 的正相关。的正相关。 n 基于纵波基于纵波(或表面波或表面波)振动的原理进行工作。振动的原理进行工作。 n 运用了运用了FFT(快速傅里叶变换快速傅里叶变换)分析仪和电子计算机，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，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算出试件的弹性模量E和刚性模量和刚性模量G。 5.5 木材对声的反射木材对声的反射 n木材的空间声学特性木材的空间声学特性(建筑声学、音乐声学等建筑声学、音乐声学等)。 木材声反射的用途？木材声反射的用途？ 声学板声学板(扩散板、反射板等扩散板、反射板等)：木材的声阻抗比空：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气的高上万倍，入射的声音可大部分反射回来(约约90 )。用于大厅、音乐厅、录音室。调节交混回响时间，。用于大厅、音乐厅、录音室。调节交混回响时间， 形成最佳