林业百科

木材声学性质

2023-04-16

简介

木材与声音有关的性质,如木材的传声、吸声、透声和共振等。在用木材制作乐器和建筑电影院、剧院、礼堂及广播、电视、电影技术用房的音质设计上都具有一定的实用意义。

木材传声性 木材传播声波的能力。以声音在木材中的传播速度(米/秒)表示。木材的传声速度因树种而异。同一树种又因纹理方向而异, 顺纹方向传声最快,为3 625~5 065米/秒, 径向次之,为1 450~1 995米/秒,弦向最慢,为850~1 535米/秒。木材的声速比空气高,顺纹传声与金属、玻璃近似,横纹传声比金属、玻璃低。空气的声速为330米/秒,铁的声速为5 000米/秒,铜的声速为3 900米/秒,玻璃声速为5 100~6 000米/秒。

木材吸音性 声波作用在木材表面,一部分被木材本身的振动吸收,一部分被透过,还有一部分被反射回来。前二者称为木材吸音性,以吸收、透射的音能量与入射总能量之比即吸音系数表示。由于木材的声阻抗比空气大得多,所以作用在木材表面声波的大部分能量被反射回来,如2厘米厚的冷杉板材在不同频率下平均吸声系数为0.1,即90%的能量被反射回来,比砖(吸声系数为0.024)、玻璃(吸声系数为0.035)、油漆布(吸声系数为0.02)吸声系数高,比毛毡吸声系数(为0.12)低。木材吸声系数不仅与其声阻抗有关,还与固定的方式、后部空气间层的深度有关。为了解决厅堂内当音源停止发声后,如回音过长而造成低频混响不清的问题,往往用薄板(如胶合板)与后部空气间层组合成低频吸声系数较高的吸声结构。在要求音质良好的厅堂内部,特别是要求录音质量很高的技术用房,大都用木材装修来控制室内音响条件。也有利用木材对声波反射的能力以美化厅堂的音质,用木材制成各种类型的反射板用在厅堂的舞台、天棚和墙面上。但须有一定的厚度,以增加对声波的反射作用。同时注意交混回响时间,太长则会产生轰轰声,太短则会显得太沉静。

木材透音性 木材透射声波的能力。以透射的音能量与入射总能量之比即透声系数表示。为了防止室外噪音传入室内需选用透声系数小的材料作隔墙。木材透声系数为0.63(2.4厘米厚),介于空气(透声系数为1)和混凝土(2.5厘米厚时,吸声系数为0.11)及沥青(2.9厘米厚时,吸声系数为0.074)吸声系数之间,比较容易让声音透过,故非最佳声绝缘材料。

木材共振性 木材受到周期力(机械力或声波)作用时发生受迫振动,当周期力变化频率与木材固有频率相等时便发生共振,称为木材共振性。

木材的共振现象应用在发生振动中能增强声音而不改变音调,因此木材是制造乐器的重要材料。木材受迫振动后,部分振动能量由木材表面向周围空气中辐射,被空气吸收,称声辐射;另一部分能量被木材内部的摩擦及接触处的摩擦,转变成热能所消耗,称声衰减。前者以声辐射常数表示。

式中 R为声辐射常数(米4/千克·秒);C为木材声速(米/秒);E为木材弹性模量(兆帕);ρ为木材密度(克/立方厘米)。声衰减以对数缩减量表示:

式中δ为对数缩减量;A1、A2为两连续振动周期的振幅;a为内部阻尼系数;T0为自由振动的周期。

木材用作制造乐器材料时,要求能向空气中辐射最多的能量,声音衰减最少,亦即声辐射常数高者,对数缩减量低者适宜作乐器音板。但木材若作工程材料用于某些振动场所,如飞机螺旋桨等,使用高衰减量的材料,可减小振幅,使振动量得以降低。

木材声辐射常数,与密度成反比,随树种不同而异。中国木材声辐射常数为393×10-2~1983×10-24/千克·秒,其中以泡桐1 417×10-2~1 983×10-24/千克·秒,云杉1109×10-2~1313×10-24/千克·秒为最高,是传统乐器用材。中国木材对数缩减量为0.0197~0.0351,其中各种泡桐和各种云杉木材对数缩减量较低,分别为0.0212~0.0264和0.0215~0.0274,说明泡桐、云杉木材最适于作乐器。

据日本E.Fukada研究,云杉木材对数缩减量,以年轮宽为2毫米的最低,年轮宽为1毫米和3毫米的均略高;有腐朽或红变色的更高;受压木亦比正常材高。此外,对数缩减量,在很大程度上随含水率和温度的不同而变化,在含水率为0~10%范围内,含水率低者对数缩减量高;在温度为10~100℃时,温度高者对数缩减量低。

英文

acoustical properties ofwood