不同温湿度处理的乐器用材声学性能变化及机理研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ssl1987310624
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音乐是人类艺术皇冠上一颗璀璨的钻石,对人类文明有着重要意义。器乐是音乐表现形式的主要构成部分,优美器乐的产生依赖不同类型的乐器,针对木质类乐器用材品质的研究对于推动音乐的发展至关重要。本研究从解剖构造、孔隙结构以及化学组分等多角度分析泡桐(Paulownia sp.)、梓木(Catalpa sp.)、杉木(Cunninghamia lanceolata)西加云杉(Picea sitchenrsis)这4种木材声学性能差异的原因,以期更好的探索和解释木质乐器制造的选材用材规则。采用干湿循环处理和高温热处理两种方法对4种木材原料进行人工加速老化,从孔隙结构和化学组分的角度分析探讨木材声学性能的变化机理,为乐器用木材声学振动性能和发音稳定性的人工改良提供理论依据。得出主要结论如下:(1)4种木材中,泡桐、杉木、西加云杉的声学振动性能较好,其中泡桐的比动弹性模量(E/ρ)为22968.32Mpa、声辐射品质常数(R)为14.74m~4/kg·s、声速(v)为4791.99m/s、声阻抗(ω)为1.56,梓木的声学振动性能较差(E/ρ:19762.42Mpa;R:8.55m~4/kg·s;v:4443.07m/s;ω:2.31Mpa·s/m)。我国传统乐器常用泡桐和杉木制作音板、梓木做底板,而西洋乐器常用西加云杉制作音板。不同木材声学性能的科学表征,表明了古人乐器制作选材的科学性。木材解剖构造的不同是各树种声学振动性能存在差异的主要原因,不同树种的化学组分与声学振动性能无明显相关性。杉木和西加云杉中管胞和木射线排列均匀,管胞具有较大的长宽比(杉木:80.19;西加云杉:95.23)和长度(杉木:3433.99μm;西加云杉:4354.85μm),使得该两种树种具有良好声学振动性能。泡桐拥有良好的声学振动性能,主要得益于其具有较大的导管,以及丰富的薄壁组织。木材种具有丰富的内含物以及较厚的木纤维细胞壁是梓木声学振动性能相对较差的主要原因;而各个吸湿和解吸阶段,梓木的平衡含水率、单层分子饱和吸附水含量均低于其他3个树种,表明其吸湿性最差,较少的微孔和中孔是梓木具有优异的发音稳定性的主要原因。(2)干湿循环处理后,各树种的声学振动性能和发音稳定性均得到有效提高。其中泡桐声学振动性能的改善最有效,比动弹性模量、声辐射品质常数、声速分别提高了30.78%、46.09%、14.40%,声阻抗降低了10.65%。各树种的平衡含水率降低,发音稳定性提高。相对湿度60%,干湿循环处理后泡桐、梓木、杉木、西加云杉的平衡含水率分别降低了13.47%、10.93%、16.41%、10.05%。进一步分析表明,干湿循环处理并未改变木材细胞壁的化学组分含量与分布,但细胞壁孔隙结构发生了变化,总孔容减小(泡桐20.56%、梓木36.77%、杉木25.85%、西加云杉50%)。细胞壁孔隙减小,使水蒸气难以进入,降低了单层分子饱和吸水量,平衡含水率降低,发音稳定性提高。(3)高温热处理有效提高了木材的声学振动性能。设置3个温度梯度(160℃、190℃、220℃)对不同树种木材进行热处理,随着热处理温度的升高,木材的声学振动性能增大。综合来看,在终了温度220℃,保温时间2h条件下,不同树种的声学性能改善效果最好。高温热处理降低了木材的吸湿性,发音稳定性提高,并且随着处理温度的升高,发音稳定性提高,主要有三个原因:1)纤维素结晶度提高。不同温度处理后,不同树种的相对结晶度均有提高,泡桐、梓木、杉木、西加云杉纤维素相对结晶度最大增幅分别达到12.07%、26.06%、9.69%、14.75%;结晶度的提高是热处理提高木材声学振动性能的原因。2)木材微孔减少。高温热处理使不同树种的微孔减少,甚至在220℃处理后彻底消失,导致水蒸气难以进入,这是热处理后木材吸湿性降低、发音稳定性提高的主要原因之一。3)半纤维素降解。不同温度处理后不同树种的半纤维素均发生不同程度降解,220℃热处理后降解程度最大,泡桐、梓木、杉木、西加云杉分别降低了59.91%、53.37%、43.43%、24.99%。半纤维素含有大量游离羟基,具有较强的吸湿性,半纤维素降解将使木材的吸湿性能降低。(4)干湿循环处理对木材声学性能影响较小,处理前后木材化学组分未发生明显变化,不同树种木材样品声学振动性能的提高主要归因于平衡含水率的降低。高温热处理与干湿循环处理相比的强度较大,发生了化学性质的改变,样品绝干密度的降低和相对结晶度的提高是声学振动性能提高的主要原因。
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