吸濕循環(huán)處理對常用樂器用材聲學(xué)振動性能的影響

余德倩，趙晨鵬，翟勝丞*，陳冰煒，闞玉娜，王正

(1. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

樂器作為音樂產(chǎn)生的硬件，針對樂器用材品質(zhì)的研究對于推動音樂的發(fā)展至關(guān)重要。在生產(chǎn)過程中，除了制造工藝，樂器的制作原料對樂器質(zhì)量也有著重要影響。樂器用木材對于樹種、紋理方向、年輪寬度、晚材率等均有較高的要求[1]。就樹種而言，國外的鋼琴、小提琴、大提琴等通常使用西加云杉做共鳴板，中國的傳統(tǒng)樂器如古琴、古箏、瑟、琵琶等，共鳴面板常用材料為泡桐、梓木、杉木。木材聲學(xué)性能的好壞主要取決于振動效率的高低，聲學(xué)振動性能可以用比動彈性模量(E/ρ)、聲輻射阻尼系數(shù)(R)、聲阻抗(ω)等參數(shù)進行綜合評價[2]；比動彈性模量和聲輻射阻尼系數(shù)較大且聲阻抗較小時，有利于聲能量的高效率轉(zhuǎn)換或響應(yīng)速度的提高[3]。

目前，木質(zhì)樂器制造過程中木材原料長時間自然老化是重要環(huán)節(jié)[4]。經(jīng)過長時間自然老化的木材，由于纖維素的再結(jié)晶和半纖維素的解聚，降低了木材吸濕性，使發(fā)音效果更穩(wěn)定，聲學(xué)振動性能更好，因此，自然老化被認(rèn)為是提高木材聲學(xué)性能的有效手段。然而，木材自然老化非常緩慢，所需時間長達幾十年至幾百年不等。通過改性常用樂器用材，短時間內(nèi)即可達到原本需要幾百年自然老化的效果，不僅能滿足人們對樂器質(zhì)量的更高要求，而且有利于樂器用材的生產(chǎn)和樂器制造業(yè)的進一步發(fā)展。高溫?zé)崽幚韀5-7]、化學(xué)藥劑浸漬處理[8]以及吸濕循環(huán)處理[9-10]等是國內(nèi)外研究改善木材振動性能的常用方法。趙美霞等[11]采用超聲和高溫?zé)崽幚硐嘟Y(jié)合的方法對人工林杉木進行處理，研究發(fā)現(xiàn)處理后的杉木結(jié)晶度得到提高，木材的聲學(xué)振動性能得到有效改善。在400 W功率超聲處理8 min，并在220 ℃下熱處理30 min的杉木聲學(xué)振動性能最接近陳放古木。秦麗麗[12]比較了糠醇、聚乙烯醇浸漬對泡桐(Paulowniaelongata)的處理效果，結(jié)果表明，浸漬處理后的泡桐聲學(xué)振動性能有所提高，其中聚乙烯醇浸漬處理改良效果最好。Se Golpayegani等[13]模擬傳統(tǒng)濕熱處理方式，通過減少抽提物含量或者降低含水率提高木材聲學(xué)振動性能，對比發(fā)現(xiàn)吸濕循環(huán)處理對桑樹(Morusalba)的聲學(xué)性能改善顯著優(yōu)于冷水浸泡和短期熱水處理。前人研究多集中于探索有效的改性處理方法，而有關(guān)木材本身解剖構(gòu)造的特異性對改性效果的影響并未進行深入研究。

本研究以泡桐、梓木、杉木這3種中國傳統(tǒng)樂器用材以及西加云杉這一西洋常用樂器用材為研究對象，并對試件進行吸濕循環(huán)處理，探討吸濕循環(huán)處理對不同樹種木材聲學(xué)振動性能的改良效果，以期為樂器用木材聲學(xué)振動性能的改良研究提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

選取泡桐(Paulowniasp.)、梓木(Catalpasp.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、西加云杉(Piceasitchenrsis)4種木材為研究對象。將無開裂變形、無腐朽、無變色、無節(jié)子、無蟲眼等可見缺陷的原材料加工成規(guī)格為250 mm(縱向)×50 mm(徑向)×15 mm(弦向)的試件，各表面均用砂紙打磨平整。各樹種加工3個試件，并置于溫度25 ℃、相對濕度60%的環(huán)境中平衡，以備測試。

聲學(xué)性能測試所用設(shè)備為CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，主要包括信號調(diào)理箱、信號采集箱及其配套分析軟件。

1.2 解剖構(gòu)造

1.2.1 解剖特征觀察

在試樣上截取5 mm×5 mm×5 mm的樣品，經(jīng)YAMATO滑走式切片機制備厚度為15 μm的切片，采用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的番紅溶液染色，梯度脫水并透明處理后封片。采用OLYMPUS BX51光學(xué)顯微鏡對切片進行觀察并拍照，并用Image J軟件測量組織比量。

1.2.2 纖維形態(tài)測定

采用富蘭克林離析法對試樣進行解離。分別取各樣品直徑約1 mm的小木條置于試管中，加入適量冰醋酸和30%雙氧水配置成的解離液(體積比1∶1)，于75 ℃水浴加熱12 h對試樣進行解離，解離后的試樣用蒸餾水反復(fù)清洗至中性。向試管滴入適量1%番紅溶液，混合均勻。將樣品置于生物顯微鏡下進行拍照，用Motic Images Plus軟件測量木材纖維/管胞的長度、寬度和雙壁厚。隨機測定30個，取平均值，并計算標(biāo)準(zhǔn)差。由于針葉材早晚材管胞形態(tài)差異較大，管胞直徑(寬度)以徑向直徑為準(zhǔn)。

1.3 吸濕循環(huán)處理

吸濕裝置為裝有NaBr飽和鹽溶液的干燥器，試驗過程中控制吸濕裝置溫度為25 ℃、相對濕度為60%。吸濕循環(huán)過程包含兩步：1)試樣置于烘箱中60 ℃處理48 h；2)處理過的試樣放入吸濕裝置中恒濕處理，完成一次循環(huán)。該試驗共完成4次循環(huán)處理，并對每一次吸濕循環(huán)處理前后的試樣稱質(zhì)量，并進行聲學(xué)振動性能的測試。

循環(huán)處理結(jié)束后，參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》，將試樣置于烘箱中(105±2) ℃處理，當(dāng)試樣的質(zhì)量基本達到恒定時，再測定試樣的絕干質(zhì)量，計算試樣各階段的含水率。各階段試樣編號為：未處理材(CK)、處理1次(BA1)、處理2次(BA2)、處理3次(BA3)、處理4次(BA4)。

1.4 聲學(xué)振動性能測試方法和參數(shù)計算

基于梁的振動理論，采用兩端自由的邊界條件，用CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)測定木材的各項聲學(xué)振動性能。在距離木材試件兩端0.224L(L為木材縱向長度)處用橡皮筋將其懸掛，實現(xiàn)自由梁[14]，如圖1所示。將加速度傳感器用雙面膠粘在試件一端的中間，用小鐵錘敲擊另一端對應(yīng)位置，使其產(chǎn)生振動。加速度傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，信號經(jīng)過放大、濾波，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，對其進行數(shù)字化分析處理，得到試件的一階固有頻率。為了排除環(huán)境變化對測試的影響，測試均在25 ℃、相對濕度60%的環(huán)境中進行。

圖1 聲學(xué)頻率測試系統(tǒng)示意圖Fig. 1 The acoustic frequency test system schematic diagram

利用測得的試件尺寸、密度以及一階固有頻率，根據(jù)式(1)計算彈性模量(E)[15]：

(1)

式中：ρ為試件密度，kg/m3；h為試件厚度，m；f1為一階固有頻率，Hz。

聲輻射阻尼系數(shù)(R)根據(jù)式(2)計算得到：

(2)

式中，ν為聲速，m/s。

聲阻抗(ω)根據(jù)式(3)計算得到：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樂器用材顯微構(gòu)造的差異

試驗所用4種樂器用材的橫切面顯微構(gòu)造見圖2。泡桐(圖2a)和梓木(圖2b)均為闊葉環(huán)孔材，生長輪明顯，早晚材急變；此外，泡桐的薄壁組織較發(fā)達。杉木(圖2c)和西加云杉(圖2d)均為針葉材且生長輪明顯，早晚材急變；杉木軸向薄壁細(xì)胞呈星散狀，西加云杉具有樹脂道。

注：V為導(dǎo)管分子(管孔)；R為木射線；AP為軸向薄壁細(xì)胞；C為樹脂道。圖2 不同樂器用材橫切面顯微構(gòu)造Fig. 2 Micro-structure of different wood species for musical instruments

各樹種木材解剖構(gòu)造的組織比量見表1。泡桐中的導(dǎo)管組織比量為17.77%，較梓木高3.26%；2種針葉材管胞的組織比量明顯高于闊葉材木纖維的組織比量，其中杉木最高為94.33%，泡桐最低僅為61.33%。試驗還對所用原料的纖維/管胞形態(tài)進行了測定，結(jié)果如表2所示，試驗所用2種針葉材的管胞長度和直徑均大于闊葉材。其中，西加云杉的管胞長寬比最大為95.2±27.1，約為泡桐纖維的3倍。西加云杉和杉木的雙壁厚分別為(10.1±3.1)和(9.2±2.1) μm，約為泡桐和梓木的2倍。已有研究表明，木材的比動彈性模量和聲阻抗會隨細(xì)胞壁平均厚度的增大而減小[16]。Baar等[17]以4種熱帶闊葉材為研究對象，發(fā)現(xiàn)木材的動態(tài)彈性模量隨著射線組織體積的減小而增大，具有較長纖維和較細(xì)射線的木材聲學(xué)性能更好。

表1 各樹種木材解剖特征的組織比量Tabel 1 Tissue ratios of anatomical characteristics of each wood species %

表2 各樹種木材纖維/管胞形態(tài)Tabel 2 Fiber/tracheid morphology of each wood species

2.2 吸濕循環(huán)處理前后聲學(xué)振動性能的比較

2.2.1 吸濕循環(huán)處理前后試件含水率和比動彈性模量的變化

吸濕循環(huán)處理過程中試件含水率和比動彈性模量的變化情況見圖3。含水率是影響木材振動性能的重要因素[18]。吸濕循環(huán)處理后，含水率下降；第1次循環(huán)處理后顯著下降，之后略有下降。比動彈性模量是評價木材聲學(xué)振動性能的重要指標(biāo)，比動彈性模量越大，木材的聲學(xué)振動性能越好[19]。由圖3b可以看出，吸濕循環(huán)處理后，針葉材的比動彈性模量大于闊葉材。有研究表明，細(xì)胞組成越單一，結(jié)構(gòu)越均勻，木材的比動彈性模量越大[20]。針葉材中管胞和木射線排列越均勻，木材振動效率越高[21]。因此，纖維長度的差異可能造成針葉材比動彈性模量高于闊葉材。Brancheriau等[22]研究發(fā)現(xiàn)，纖維越長，長寬比越大，越有利于聲波在木材中的傳播。

圖3 吸濕循環(huán)處理過程中試件含水率和比動彈性模量的變化Fig. 3 The moisture content and specific dynamic modulus of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸濕循環(huán)過程中，木材比動彈性模量均有所增大，闊葉材的增長率遠(yuǎn)大于針葉材。增長率最大的泡桐為27.95%，增長率最小的西加云杉為3.84%，這是由于比動彈性模量受彈性模量和密度的影響。結(jié)合圖3a可知，木材含水率的降低是比動彈性模量提高的主要原因。趙美霞等[11]對杉木進行高溫?zé)崽幚淼难芯恐邪l(fā)現(xiàn)，處理后杉木的比動彈性模量最大為19 308.34 MPa，接近陳放古木。本研究中吸濕循環(huán)處理后，杉木的比動彈性模量達到23 970.48 MPa，也接近陳放后杉木的性能[23]。

2.2.2 吸濕循環(huán)處理前后聲輻射阻尼系數(shù)的變化

聲輻射阻尼系數(shù)是評價聲學(xué)振動性能的重要指標(biāo)之一，聲輻射阻尼系數(shù)較大時，更有利于聲波在木材中的傳播[3]。吸濕循環(huán)處理過程中聲輻射阻尼系數(shù)的變化如圖4所示。

圖4 吸濕循環(huán)處理過程中試件聲輻射阻尼系數(shù)的變化Fig. 4 Sound radiation coefficients of the specimen changes during the hygroscopic cycle

吸濕循環(huán)處理后，杉木的聲輻射阻尼系數(shù)最大為15.21 m4/(kg·s)，梓木最小為8.46 m4/(kg·s)。其中，泡桐的聲輻射阻尼系數(shù)優(yōu)于西加云杉，這與比動彈性模量的結(jié)果有所差異。Brancheriau等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，軸向薄壁組織是具有優(yōu)良聲學(xué)性能的木材組織，呈少量且均勻的傍管狀最好。泡桐中較為發(fā)達的軸向薄壁組織可能導(dǎo)致其具有更高的聲輻射阻尼系數(shù)。闊葉材中，泡桐的聲輻射阻尼系數(shù)為13.46 m4/(kg·s)，約為梓木的2倍，這可能是由于泡桐的纖維長度大于梓木。在馬麗娜[24]對幾種針、闊葉材構(gòu)造與聲學(xué)振動性質(zhì)的關(guān)系研究中也有類似發(fā)現(xiàn)，纖維長度越長，振動效率越高，木材的聲輻射阻尼系數(shù)越大。針葉材中，杉木的聲輻射阻尼系數(shù)大于西加云杉，這與沈雋[25]關(guān)于云杉屬木材構(gòu)造對聲學(xué)振動參數(shù)的研究中，木材的纖維長度和長寬比越大，木材的聲輻射阻尼系數(shù)越大的規(guī)律不一致。這可能是由于西加云杉木材具有樹脂道，結(jié)構(gòu)均勻程度有所下降，其影響程度大于管胞長度和長寬比，導(dǎo)致聲輻射阻尼系數(shù)降低。

吸濕循環(huán)處理過程中聲輻射阻尼系數(shù)均增大，其中泡桐的增長率最大，為44.37%，西加云杉最小，為7.90%，闊葉材的增長率遠(yuǎn)大于針葉材，其中對泡桐的聲輻射阻尼系數(shù)提高最有效。這是由于聲輻射阻尼系數(shù)是木材中聲速與木材密度之比，吸濕循環(huán)處理過程中木材水分的減少會使木材密度降低，且水分含量的降低能提高聲速[26]。

2.2.3 吸濕循環(huán)處理前后聲阻抗的變化

聲阻抗是衡量聲音在傳播過程中所受阻力的參數(shù)，其值越大阻力就越大，產(chǎn)生的聲音就越細(xì)弱，反之則越洪亮[27]。吸濕循環(huán)處理前后4種試件聲阻抗的變化如圖5所示。吸濕循環(huán)處理前，聲阻抗從大到小依次為梓木>西加云杉>杉木>泡桐，分別為2.51，2.26，1.64和1.62 MPa·s/m。吸濕循環(huán)處理后，聲阻抗從大到小依次為：西加云杉>梓木>杉木>泡桐，分別為2.13，2.12，1.53和1.43 MPa·s/m。其中，梓木的聲阻抗變化率最大為-15.54%，西加云杉最小為-5.75%。吸濕循環(huán)處理對于4個樹種均有降低聲阻抗的作用。Obataya等[28]研究了在環(huán)境條件下間歇干燥和調(diào)質(zhì)過程對云杉木材振動特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著木材水分的減少，密度降低，木材振動傳播的阻力減弱，聲學(xué)性能提高。

圖5 吸濕循環(huán)處理過程中試件聲阻抗的變化Fig. 5 Specific acoustic impedance of the specimen changes during the hygroscopic cycle

結(jié)合圖3a可以看出，木材含水率變化會導(dǎo)致其聲阻抗產(chǎn)生變化，且聲阻抗變化規(guī)律與含水率基本一致。前人研究發(fā)現(xiàn)[29]，泡桐的聲阻抗為1.0～2.0 MPa·s/m，吸濕循環(huán)處理后，其聲阻抗從1.62 MPa·s/m降低到1.43 MPa·s/m，處于較好水平。沈雋[25]研究發(fā)現(xiàn)，西加云杉的聲阻抗為2.0～3.0 MPa·s/m。本研究中吸濕循環(huán)處理后，西加云杉的聲阻抗降至2.13 MPa·s/m，處于較好的水平。

2.2.4 吸濕循環(huán)處理對木材聲學(xué)振動性能影響的綜合分析

吸濕循環(huán)處理是一種常見的人工加速濕熱老化試驗方法[30]。根據(jù)可表征木材聲學(xué)振動性能的3個參數(shù)(比動彈性模量、聲輻射阻尼系數(shù)和聲阻抗)進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，吸濕循環(huán)處理提高了木材聲學(xué)振動性能，這主要是由于吸濕循環(huán)處理降低了木材含水率所致。木材可看作是由木材實質(zhì)(即木材細(xì)胞壁)、水和空氣組成的系統(tǒng)，木材實質(zhì)比水分更有利于振動的傳播，木材中水分含量的下降有利于提高振動效率[26]。木材細(xì)胞壁中水分的減少使木材細(xì)胞壁更加密實，更有利于木材的振動。吸濕循環(huán)處理2次后比動彈性模量、聲輻射阻尼系數(shù)和聲阻抗這3個參數(shù)均達到穩(wěn)定，原因可能為吸濕循環(huán)處理2次后，木材內(nèi)的水分達到平衡。前人研究不同樹種木材經(jīng)吸濕循環(huán)處理后發(fā)現(xiàn)，聲學(xué)振動性能也發(fā)生類似變化。如Se Golpayegani等[13]和Karami等[31]分別對桑樹、云杉進行溫和濕熱處理，發(fā)現(xiàn)比動彈性模量升高，聲音傳播的阻力降低，聲學(xué)振動性能得到提高；Akahoshi等[32]對木管樂器振動簧片進行干濕循環(huán)處理，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)一次后振動性能急劇升高，然后略有增加或保持不變。此外，吸濕循環(huán)處理提高了木材聲學(xué)振動性能，闊葉材聲學(xué)振動性能的提高相比針葉材更顯著。吸濕循環(huán)處理引起木材的含水率變化，而滲透性是影響水分?jǐn)U散的關(guān)鍵因素。結(jié)合前人研究，分析其原因可能為：針葉材水分?jǐn)U散的主要通道是由管胞內(nèi)腔和具緣紋孔對組成的毛細(xì)管體系，在心材形成過程中，紋孔塞向一側(cè)偏移，形成閉塞紋孔，阻礙了水分的流動；闊葉材主要為彼此間通過穿孔相互連通的導(dǎo)管[33]。佟永萍[34]研究表明，杉木心材紋孔閉塞，滲透性差。鮑甫成等[35]對泡桐的滲透性研究發(fā)現(xiàn)，泡桐具有疏導(dǎo)流體的天然特性。

3 結(jié) 論

對泡桐、梓木、杉木、西加云杉進行吸濕循環(huán)處理，通過吸濕循環(huán)處理前后試樣的比動彈性模量、聲輻射阻尼系數(shù)、聲阻抗等指標(biāo)，對4種木材的聲學(xué)振動性能進行分析，得到以下結(jié)論：

1)吸濕循環(huán)處理前后，杉木的比動彈性模量和聲輻射阻尼系數(shù)均為最大，泡桐的聲阻抗最小。

2)吸濕循環(huán)處理后，闊葉材的聲學(xué)振動性能改善程度大于針葉材，其中泡桐的聲學(xué)振動性能提高最顯著。

3)含水率對木材聲學(xué)振動性能有重要影響，吸濕循環(huán)處理過程中含水率的降低使木材細(xì)胞壁更加密實，吸濕穩(wěn)定性提高，聲學(xué)振動性能提高。通過不同干燥方法降低木材含水率，是否能在提高木材聲學(xué)振動性能的同時保證其聲學(xué)性能的穩(wěn)定性，后續(xù)將對此進行深入研究。