油熱處理對竹材聲學(xué)振動性能的影響

梁雨薇，何瀾，張梁，張海洋，蔣桂章，劉睿哲，劉鎮(zhèn)波

摘要：為探究油熱處理對竹材聲學(xué)振動性能、尺寸穩(wěn)定性的影響規(guī)律，減少竹樂器在使用過程中出現(xiàn)開裂、變形，從而導(dǎo)致音質(zhì)受損的不利影響，以大豆油為加熱介質(zhì)對竹材進(jìn)行熱處理，熱處理溫度分別為140、170、200 ℃，加熱時間分別為2 h 和4 h，利用雙通道快速傅里葉變換分析儀得到試件處理前后的振動頻譜圖，讀取其前五階彎曲振動頻率，分析聲學(xué)振動性能參數(shù)，研究油熱處理對竹材聲學(xué)振動性能、尺寸穩(wěn)定性的影響。處理后竹材的比動彈性模量（Esp）、聲輻射品質(zhì)常數(shù)（R）有明顯提高，密度（ρ ）、聲阻抗（ω）、動力學(xué)損耗角正切（tanδ）和E/G呈下降趨勢，聲學(xué)振動效率得到提高。其中，經(jīng)200 ℃、4 h處理后帶有竹節(jié)的竹材聲學(xué)振動性能提升最大，Esp增幅為29.20%、ρ降幅為15.12%、R增幅為33.75%、ω降幅為3.41%、tanδ降幅為40.52%，E/G降幅為2.33%。最小體積干縮率和最大抗吸濕膨脹率分別為0.33%、56.95%，體積干縮率和體積吸濕膨脹率隨處理時間和溫度的增大而減小。結(jié)果表明，當(dāng)油熱處理時間為200 ℃，時間為4 h時，試件的聲學(xué)振動性能得到了較好的改善，油熱處理對竹材聲學(xué)振動性能和尺寸穩(wěn)定性的提升有積極作用。

關(guān)鍵詞：竹材；油熱處理；聲學(xué)振動性能；尺寸穩(wěn)定性；微觀構(gòu)造

中圖分類號：S781.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2024）03-0115-10

Effect of Oil Heat Treatment on the Acoustic Vibration?Performance of Bamboo

LIANG Yuwei， HE Lan， ZHANG Liang， ZHANG Haiyang， JIANG Guizhang， LIU Ruizhe， LIU Zhenbo*

（Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology （Northeast Forestry University），?Ministry of Education， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to explore the impact of oil heat treatment on the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo materials， and to reduce the adverse effects of cracking， deformation， and damage to sound quality of bamboo musical instruments during use， the experiment used soybean oil as the heating medium to heat treat bamboo， with heat treatment temperatures of 140 ℃， 170 ℃， and 200 ℃ and heating times of 2 and 4 hours. The vibration spectrum of the specimens before and after treatment was obtained using the dual channel FFT analyzer， and took the first to fifth bending vibration frequencies. Its acoustic vibration performance parameters were analyzed to study the effect of oil heat treatment on the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo. After treatment， the specific dynamic modulus of elasticity （Esp） and sound radiation quality constant （R ） of bamboo had significantly increased， and the density （ρ ）， acoustic impedance （ω ）， dynamic loss angle tangent （tanδ ）， E/G showed a downward trend， and the acoustic vibration efficiency had been improved. After being treated at 200 ℃ for 4 hours， the materials with bamboo nodes showed the greatest improvement in acoustic vibration performance， with an increase in Esp of 29.20%， a decrease in ρ of 15.12%， an increase in R of 33.75%， a decrease in ω of 3.41%， a decrease in tanδ of 40.52%， and a decrease in E/G value of 2.33%. The minimum volume dry shrinkage and maximum anti hygroscopic expansion were 0.33% and 56.95%， respectively. The volume dry shrinkage and volume hygroscopic expansion decreased with increasing treatment time and temperature. Results showed that when the oil heat treatment time was 200 ℃ and the time was 4 hours， the acoustic vibration performance of the specimens was better improved. Oil heat treatment had positive effects on improving the acoustic vibration performance and dimensional stability of bamboo.

Keywords：oil treatment; acoustic vibration performance; dimensional stability; microstructure

0引言

竹類植物種類繁多，分布廣泛，是世界上僅次于木材的第二大植物資源[1]。我國竹子資源豐富，竹林面積達(dá)756萬hm2，年產(chǎn)竹材量居世界首位。自古以來竹子就在人們的生活中扮演著重要角色，在金屬材料出現(xiàn)前的古代社會更是占據(jù)著舉足輕重的地位。古人利用燃燒竹子發(fā)出噼啪聲驅(qū)散邪氣，這是最早的原始音樂[2]。竹樂器在商代時開始增多，繁榮于周代，秦漢時期發(fā)展基本完成，各類竹樂器相互輝映，齊聚一堂，唐朝一半以上的樂器都是由竹子制成的[3]?？梢哉f竹樂器是人類最早使用的樂器之一，是群眾精神文化生活中不可缺少的重要組成部分[4-5]。竹子強(qiáng)度高、彎曲延展性好、硬度適宜，作為樂器用材展現(xiàn)出了優(yōu)良的聲學(xué)特性，最常用來制作竹樂器的竹子有毛竹、紫竹、白竹和苦竹等[6-9]。但由于其本身的特性難以長久保存，許多竹樂器消失在了歷史長河中，直至近年來隨著人們對精神文化需求的日益增加，民族竹制樂器受到了越來越多的關(guān)注，因此竹樂器的保護(hù)和傳承就顯得尤為重要。

新伐竹材含水率過高，含有許多有機(jī)組分，且抽提物中抗腐成分少、天然耐久性低，不宜馬上制作樂器，應(yīng)儲存1 a以上，待含水率趨于穩(wěn)定后進(jìn)行下一步的加工[10-11]。工匠制作樂器時基本采用風(fēng)干和烘烤2種方式對竹材進(jìn)行處理，烘烤時要不斷移動以防竹材炸裂[12]，這種處理方式不僅費時且對工匠的技術(shù)能力要求很高，因此在工藝上進(jìn)行改良，對竹制樂器的加工和產(chǎn)品穩(wěn)定性的提高有很大幫助。為減少竹材陳放時間、提高使用效率，可以選擇物理方法對竹材進(jìn)行處理，在保證其聲學(xué)振動性能不減弱的同時提高制作樂器的效率。王思敏[13]對毛竹竹片、毛竹地板和木質(zhì)人造板的聲學(xué)振動特性進(jìn)行了研究，對不同種類人造板的聲學(xué)品質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致分析，尋找出了影響板材聲學(xué)振動性能的因素?；赧紊萚14]對竹材熱處理工藝進(jìn)行了分析總結(jié)，得出單一的處理工藝會對竹材產(chǎn)生負(fù)面影響，今后的研究應(yīng)側(cè)重于多工藝結(jié)合的結(jié)論。毛竹材經(jīng)甲基硅油、桐油熱處理后，其物理、化學(xué)和防腐等性能均有不同程度的提升，溫度提升至200 ℃后，竹材的力學(xué)性能急速下降，滿足不了建筑、包裝等領(lǐng)域的性能需求[15-16]。

目前用物理法處理竹材的研究多集中在處理后竹材成分組成[17-18]、防霉性能[19-21]、力學(xué)性能[22-24]和顏色變化[25-27]等方面的研究，對竹材聲學(xué)振動性能改良的研究較為少見。研究竹材聲學(xué)振動性能對竹樂器的加工制造，延長樂器的使用壽命有很大幫助。相較于甲基硅油、桐油等加熱介質(zhì)，經(jīng)大豆油處理過的樂器竹材安全性更高，且成本較低。本研究以大豆油為加熱介質(zhì)對毛竹材進(jìn)行高溫油熱處理，研究竹材處理前后聲學(xué)振動性能、尺寸穩(wěn)定性的變化，為提高竹樂器的使用價值，延長使用壽命提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

試驗材料為安徽省蕪湖市5年生毛竹（Phyllostachys edulis），尺寸為200 mm（縱向，L）×20 mm（弦向，T）×10 mm（徑向，R），表面無明顯缺陷。試件分6組，每組10塊：無竹節(jié)竹片5塊、距端部2 cm處有竹節(jié)的竹片5塊。

1.2試驗方法

1.2.1油熱處理

將試件放入恒溫恒濕箱（20 ℃、65%RH）平衡含水率至12%，待質(zhì)量穩(wěn)定后測量毛竹的物理參數(shù)及聲學(xué)振動性能參數(shù)，而后將試件置于140、170、200 ℃的大豆油中分別常壓處理2 h和4 h（表1）。試驗開始前將試件平鋪在油浴鍋中，因竹片密度小于大豆油，所以在油浴鍋邊放置掛鉤懸掛放置鐵網(wǎng)，將試件完全壓入油中。取出處理完的試件，使用無塵擦拭紙擦去表面油分，在室溫條件下放置24 h后進(jìn)行物理參數(shù)、聲學(xué)振動性能的測試。聲學(xué)振動性能測試試驗如圖1所示。

1.2.2聲學(xué)振動性能測試

本試驗基于梁的振動理論，采用彎曲振動的試驗方法進(jìn)行測試。用刀背對處于兩端自由邊界條件下的試件進(jìn)行瞬時敲擊，經(jīng)另一側(cè)傳感器接受振動信號，再由雙通道快速傅里葉變換分析儀（ONO SOKKI，CF-5220Z）得到振動頻譜，進(jìn)而計算出毛竹各項聲學(xué)振動性能參數(shù)，動態(tài)彈性模量（E）、比動彈性模量（Esp）、聲輻射品質(zhì)常數(shù)（R）、聲阻抗（ω）、對數(shù)衰減率（δ）、動力學(xué)損耗角正切（tanδ）、動態(tài)彈性模量E與動態(tài)剛性模量G之比（E/G）等。

E=48π2dL4f2iβ4h2×10-9。（1）

式中：E為動態(tài)彈性模量，GPa；ρ為密度，kg/m3；L為長度，m；fi為共振頻率，Hz；i表示振動階次；d為不同共振階數(shù)對應(yīng)的系數(shù)；h為厚度，m。

Esp=Ed。（2）

式中，Esp為比動彈性模量，GPa。

R=Eρ3。（3）

式中，R為聲輻射品質(zhì)常數(shù)，m4/（kg·s）。

ω=ρE。（4）

式中，ω為聲阻抗，（Pa·s）/m。

δ=1nlnAiAi+1。（5）

tanδ=δπ。（6）

式中：δ為對數(shù)衰減率；tanδ為動力學(xué)損耗角正切；Ai為試件時域正弦波的第i個振幅。

1.2.3尺寸穩(wěn)定性測試

竹材發(fā)音效果穩(wěn)定性主要取決于其抗吸濕能力和尺寸穩(wěn)定性，外界濕度變化會影響竹材的含水率，進(jìn)而導(dǎo)致音色產(chǎn)生變化。通過對竹材進(jìn)行物理或化學(xué)等方面的處理能夠減小這種不利影響，提高樂器用竹材的使用價值和壽命。根據(jù)GB/T 15780—1995[28]對試件的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行測試，通過體積變化計算試件的體積干縮率和抗吸濕膨脹率。

α=Vm-VnVm×100%。（7）

β=V1-V0V0×100%。（8）

γ=βa-βbβa×100%。（9）

式中：α為干縮率，%；Vm、Vn為竹材絕干前、后的體積，mm3；β為體積吸濕膨脹率，%；V0、V1分別為竹材水浴處理前、后的體積，mm3；γ為改性竹材的抗吸濕體積膨脹率，%；βa為未改性竹材的體積吸濕膨脹率，%；βb為改性竹材的體積吸濕膨脹率，%。

1.2.3微觀形貌測試

本試驗選取含水率12%的未處理材和經(jīng)200 ℃、4 h油熱處理后的試件進(jìn)行微觀形貌的觀察。設(shè)備采用美國FEI公司制造的QUANTA 200型掃描電子顯微鏡，選取倍數(shù)為100倍和1 000倍的照片進(jìn)行分析。

2結(jié)果與分析

2.1油熱處理對竹材聲學(xué)振動性能的影響

竹材密度指單位體積內(nèi)細(xì)胞壁實質(zhì)物質(zhì)含量多少的物理量，是一個重要的物理力學(xué)指標(biāo)，也是樂器用材選材的重要指標(biāo)之一。油熱處理后密度變化如圖2所示。A、B、C、D、E、F表示不同溫度時間的組別名稱。

由圖2可知，6組試件經(jīng)油熱處理后，密度有不同程度的降低，帶有竹節(jié)的竹材密度變化率最大，竹節(jié)組的變化率分別為-5.26%、-5.33%、-8.48%、-8.42%、-13.98%和-15.12%，比相同時間溫度條件下的無節(jié)組高2%左右，經(jīng)200 ℃、4 h處理后ρ降幅最大，無節(jié)組降幅為12.50%，竹節(jié)組降幅為15.12%，竹節(jié)處的縱向、徑向和環(huán)向維管束等組成的纖維排列結(jié)構(gòu)參與了液體和離子的運輸，有利于水分、抽提物等物質(zhì)的析出，密度下降得更為明顯[29-30]。

Esp是試件的動態(tài)彈性模量（E）與相對密度（ρ）之比，表示竹材單位細(xì)胞壁物質(zhì)的振動加速度，值越大，其振動效率越高，樂器聲學(xué)品質(zhì)就越好[31]。經(jīng)過處理后的竹材Esp有明顯提升，隨時間和溫度的增加，變化率整體呈上升趨勢，如圖3所示。由圖3（c）可知，A無節(jié)組、B竹節(jié)組增幅最小，分別為19.35%、21.98%；F無節(jié)組和竹節(jié)組增幅最大，分別為27.62%、29.20%，這表明處理溫度和時間的增加對Esp的提升有積極作用。6組試件中A、C、D、F組的Esp分別為2.75、3.53、3.40、3.51 GPa，2.46、2.98、2.60、3.50 GPa，帶竹節(jié)竹材的Esp均大于無節(jié)組，B、E兩組變化率差值在1%內(nèi)。本研究中經(jīng)200 ℃、4 h處理的帶竹節(jié)竹材Esp增幅最大，從12.02 GPa提高至15.53 GPa，表明油熱處理對含竹節(jié)竹材的Esp提升效果更好。

聲輻射品質(zhì)常指竹材向周圍空氣輻射聲功率的大小，是表征竹材音質(zhì)的重要參數(shù)，樂器用材通常選用R較大的竹材[32]。由圖3（f）可知，無節(jié)組和竹節(jié)組的R變化范圍分別為13.06%～29.12%、16.96%～33.75%，F(xiàn)竹節(jié)組R增長最大，達(dá)到了6.73 m4/（kg·s）。處理時間不變的情況下，處理溫度高時R變化率更大，A、C、E無節(jié)組變化率為13.06%、18.76%、28.50%，A、C、E竹節(jié)組變化率為16.96%、23.97%、30.60%；B、D、F無節(jié)組變化率為15.37%、17.57%、29.12%，B、D、F竹節(jié)組變化率為17.00%、22.82%、33.75%，這表明在加熱時間相同的情況下，選用較高的溫度更有利于提高竹材的R（170、200 ℃）。加熱溫度相同時，帶有竹節(jié)竹材的R增幅大于無竹節(jié)竹材的增幅，6組試件中140 ℃和200 ℃條件下經(jīng)4 h處理后的竹材R增幅大于經(jīng)2 h處理后的增幅。油熱處理對竹材R有明顯提升作用，200 ℃、4 h組處理效果最佳。

聲阻抗（ω）指介質(zhì)對聲波傳播的阻力大小，與振動的時間響應(yīng)特性有關(guān)[33]，決定了竹材的聲音傳播效果，是表征竹材聲學(xué)振動特性的一個重要參數(shù)，如圖4所示。由圖4（c）可知，A、B、C、D無節(jié)組和竹節(jié)組ω的變化率范圍為2.22%～5.82%、2.89%～5.24%，E、F的變化率分別為-1.08%和-3.45%、-1.17%和-3.14%，隨著時間溫度的增加，ω的變化率呈下降趨勢。當(dāng)處理溫度達(dá)到200 ℃時，纖維素和半纖維素發(fā)生降解使竹材的密度降低[15]，E、F組試件的密度下降幅度最大，而動態(tài)彈性模量的增幅達(dá)到最低，聲阻抗與密度和動彈性模量的乘積呈正比例關(guān)系，二者乘積變小，ω隨之下降，這是ω降低的主要原因[34]。6組試件中只有經(jīng)200 ℃、2 h和200 ℃、4 h油熱處理后的2組試件ω下降，其余4組的ω均有所增長。在樂器選材方面優(yōu)先選取ω小的竹材，ω越小，則代表著其聲學(xué)振動特性更為優(yōu)良。在本研究中，較高的處理溫度（200 ℃）有利于竹材獲取較低的ω，且油熱處理對帶有竹節(jié)竹材的聲阻抗值降低效果更佳。

由圖5（a）和圖5（b）可知，6組試件經(jīng)處理后損耗角正切值明顯降低，F(xiàn)組的tanδ降幅最大，分別為33.12%、40.52%。tanδ越小，竹材的振動能量損失越小，振動效率越高。由圖5（c）可知，在較低的加熱溫度下（140、170 ℃），經(jīng)4 h處理后竹材的tanδ降幅比經(jīng)2 h處理后的降幅更大。處理時間相同時，在溫度較高的條件下竹材的tanδ降幅大于處理溫度較低時的降幅。帶有竹節(jié)竹材的tanδ降幅大于相同處理溫度時間條件下無竹節(jié)竹材tanδ的降幅，這表明油熱處理有利于降低竹材的動力學(xué)損耗角正切值，能使樂器的聲音更加宏亮飽滿，且對帶竹節(jié)竹材效果更好。

動態(tài)彈性模量（E）與動態(tài)剛性模量（G）的比值（E/G）是用來描述材料在外力作用下變形方式的指標(biāo)，是有關(guān)音色品質(zhì)評價的重要參數(shù)，E/G越高，竹材的音色效果越好。由圖6可以看出，6組試件經(jīng)過油熱處理后E/G均有不同程度的降低，隨著處理時間和溫度的增加，變化率的降幅呈負(fù)相關(guān)關(guān)系逐漸減小，無節(jié)組由-13.23%變?yōu)?3.11%，竹節(jié)組從-15.99%變?yōu)?2.33%，可見處理后竹材的頻譜分布均勻性降低，對音色沒有較好的提升效果。經(jīng)200 ℃、4 h處理后，竹材的E/G降幅最小，雖然在音色方面沒有明顯的提升效果，但相較于其他5組數(shù)據(jù)稍顯優(yōu)異。

2.2油熱處理對竹材尺寸穩(wěn)定性的影響

竹材的發(fā)音效果穩(wěn)定性主要取決于其尺寸穩(wěn)定性和抗吸濕能力，油熱處理竹材經(jīng)過絕干和水浴處理后的干縮率和抗吸濕膨脹率，見表2。

由表2可以看出，未經(jīng)改性處理的竹材絕干后體積變化最大，無竹節(jié)組和竹節(jié)組的體積干縮率分別為2.69%、3.68%，無竹節(jié)竹材經(jīng)200 ℃、2 h處理后干縮率最小，為0.33%，帶竹節(jié)竹材經(jīng)200 ℃、4 h處理后干縮率最小，為0.50%。經(jīng)15 d水浴處理后，經(jīng)200 ℃、4 h處理后的竹材抗吸濕膨脹率最大，分別為56.95%、56.80%，試件的體積干縮率和抗吸濕膨脹率隨著處理時間、溫度的增加總體呈下降趨勢。在相同的濕度環(huán)境下，抗吸濕能力強(qiáng)的竹材會表現(xiàn)出更優(yōu)異的聲學(xué)品質(zhì)，同時有較高的尺寸穩(wěn)定性。經(jīng)200 ℃油熱處理后竹材的體積干縮率最小，這主要是由于高溫處理后，竹材的半纖維素和木質(zhì)素發(fā)生熱解，使得游離羥基變少，從而導(dǎo)致竹材的體積干縮率下降，尺寸穩(wěn)定性提升[35]。油熱處理后竹材中的水分與油進(jìn)行了替換浸入到竹纖維中[36]，不易滲出，這是導(dǎo)致干縮率和抗吸濕膨脹率變化的主要原因。竹節(jié)由縱向、徑向、橫向、環(huán)向維管束構(gòu)成，試件經(jīng)過絕干處理后，細(xì)胞壁與細(xì)胞腔產(chǎn)生收縮，竹材各個方向的尺寸發(fā)生變化，體積干縮率大于只由軸向維管束構(gòu)成的無節(jié)部分。

2.3油熱處理對竹材微觀形貌的影響

利用掃描電鏡觀察毛竹未處理材和經(jīng)過200 ℃、4 h油熱處理竹材的徑切面，包括竹材的導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、初生韌皮部和纖維鞘等，如圖7和圖8所示。

2組試件均用刀片劈開，由圖7可知，經(jīng)油熱處理后試件表面較未處理材更加光滑，極少出現(xiàn)撕裂、分層等現(xiàn)象。油熱處理后的竹材薄壁細(xì)胞間隙以及靠近導(dǎo)管方向的纖維帽被大豆油填充，不僅能隔絕水分的進(jìn)出，減少開裂、霉變等不利影響，更能維持樂器材本身性能的穩(wěn)定性，以便在后續(xù)使用中維持其原本的音質(zhì)音色。由圖8可知，少量大豆油從紋孔中進(jìn)入細(xì)胞腔，以紋孔為中心小范圍擴(kuò)散，堵塞了紋孔，會對竹材聲音的傳播產(chǎn)生影響。從數(shù)據(jù)得知油熱處理后試件的聲學(xué)振動性能有所提高，這表明紋孔數(shù)量適當(dāng)減小有利于聲音的傳播，對試件聲學(xué)振動性能的提高有積極作用。

3結(jié)論

本研究以竹材為研究對象，對油熱處理前后竹材的聲學(xué)振動性能和尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

1）竹材的聲學(xué)振動效率隨油熱處理溫度和時間的增加逐漸提高，比動彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)值增大，動力學(xué)損耗角正切、密度值降低，聲阻抗變化率呈下降趨勢，E/G下降幅度逐漸減?。ㄓ?15.99%提高到-2.33%）。

2）油熱處理后竹材的體積干縮率降低，無節(jié)組的降幅范圍為0.33%～2.69%，竹節(jié)組降幅為0.50%～3.68%，F(xiàn)組的抗吸濕膨脹率最大，分別為56.95%、56.80%。處理時間相同時，經(jīng)200 ℃油熱處理后的竹材尺寸穩(wěn)定性好，發(fā)音效果更穩(wěn)定；同一溫度條件下，經(jīng)4 h處理后的竹材聲學(xué)振動性能更好。

3）油熱處理對帶有竹節(jié)竹材的聲學(xué)振動性能提高效果更好。

4）總體來看，經(jīng)200 ℃、4 h油熱處理后的竹材聲學(xué)振動性能提高得更顯著，油熱處理是一種提高竹材聲學(xué)振動效率的有效方法。

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