10第六章-木材的声学性质

5.1基本概念声波：在具有弹性的媒质(包括固体、液体和空气)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(音调)、波长和振幅(强度)。人耳能感觉到的声音频率为16～20,000Hz；频率高于20,000Hz，并且不引起声感的弹性波称为超声波；频率低于20Hz，不能引起听觉的声波称为次声。声音的强度：声音的强度：通过垂直于传播方向上单位面积的功率，单位：W/cm2。声音的强度级：β＝10×lg(I/I0)β强度为I的声音用分贝(dB)表示的强度级；I为声音的强度，W/cm2；I0的听觉阀的强度，即10-16W/cm2(1000Hz)。人耳听觉阀的声强级为0dB；感觉疼痛的声强级为120dB；通常人们交谈的声强级约70dB。人耳感到的声强与频率有关！不同场所的声强级声强级（dB)0102030405060708090100120140160180200220240最小可听限剧场播放室无收音机住宅有收音机住宅百货商场普通工厂换气装置发电站地铁变电站最大可听限标准大气压大炮炮口木材声学性质木材的振动特性木材声学性能品质的评价空间声学性质木材的无损检测5.2木材的振动特性振动(周期性振动)：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的振动。受迫振动：物体受到一定强度的周期性机械力或声波等。共振：指物体在强度相同而周期变化的外力作用下，能够在特定的频率下振幅急剧增大并得到最大振幅的现象。共振频率或固有频率：由物体的几何形状、形体尺寸、材料本身的特性(弹性模量、密度等)和振动的方式等等决定。图木材的振动5.2.1木材的三种基本振动方式纵向振动的声速和频率：纵向振动是振动单元(质点)的位移方向与由此位移产生的介质内应力方向相平行的振动。设木棒长度为L，密度为ρ，弹性模量为E，则长度方向的声速ν和基本共振频率fr的公式为：V=基本共振频率：fr＝振幅最大；LV2EA.纵向振动横向振动的共振频率：a.(束缚在1/4处)：fr=(3.55×r/L2)×b.fr=0.560×r×ν/(L2)=(0.560×r/L2)×(ν：时间长度方向上的声速)EEB.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。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。试件基本共振频率fr取决于该外加质量的惯性矩I、试件的尺寸和刚性模量G式中：r为圆截面试件的半径；L为试件的长度。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。C.扭转振动：LIGrfr825.2.2木材的声辐射性能和内摩擦衰减：木材声辐射品质常数、木材的(内摩擦)对数衰减率(或损耗角正切)和声阻抗等声学性质参数。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，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。b.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耗衰减。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)：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。木材用作乐器的共鸣板(音板)时，应该选择R高一些的木材。木材的密度高，R往往较小。声辐射阻尼系数R：3EvR木材因为摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减率δ来表示，又称对数缩减量。自由振动时：δ=ln(A1/A2)=α×T0A1，A2是两个连续振动周期的振幅；α:内部阻尼系数；T0:自由振动的周期。木材的对数衰减率δ大致在0.020～0.036，针叶树材的δ较低。对数衰减率δ较低，较适于制作乐器的共鸣板.B.内摩擦衰减C.木材的声阻抗(特性阻抗)木材的声阻抗ω为木材密度与木材声速的乘积。木材的声阻抗ω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传播有决定作用。对乐器来说，以小为好。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声辐射常数，它是一种在声辐射方面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v.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。木材中声速的各向异性;密度ρ为一定值，则顺纹传声速度v∥与横纹传声速v⊥之比，与它们各对应方向上弹性横量之间的关系：EEvv////5.2.3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.Ev表木材顺纹及横纹方向的动弹性模量和传声速度树种平均密度/g·cm-3平均动弹性模量Ed/CPa平均传声速度v/m·s-1v∥/v⊥顺纹横纹顺纹横纹鱼鳞云杉0.45011.550.2652987836.7红松0.40410.090.2749198186.0槭木0.63712.661.23442213683.2水曲柳0.58512431.61463816422.8椴木0.41412.210.61537013603.9木材具有优良的声共振性和振动频谱特性——声学性能品质好对共鸣板材料的声学性能品质评价，可归纳为三个大的方面：①对振动效率的评价；②有关音色的振动性能品质评价；③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A.乐器制作行业对音板(共鸣板)声学品质方面的要求：对振动效率的要求：音板应该能把弦振动所获得的能量，大部分转变为声辐射到空气中，消耗在音板内的能量应该尽量少，使发出的声音具有较大的音量和足够的持久性；对振动效率品质的评价目前，用于评价木材声学品质的物理量主要有：声辐射阻尼(R≥1200)；比动态弹性模量(E/ρ，与响应快慢有关)；内部损耗因子或损耗角正切(内摩擦大小)；声阻抗以及(损耗角正切/E),表示每个振动周期内能量损耗的大小。选用声辐射品质常数较高(R≥1200)、内摩擦损耗小的木材。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性。评价(与振动效率有关的)木材声学性能品质的物理量主要有：声辐射阻尼(声辐射品质常数)、比动态弹性模量E/ρ、损耗角正切tgδ、声阻抗以及tanδ/E等。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。对生长轮宽度的要求为：在2cm间隔内，生长轮宽度偏差不宜超过0.5mm；在整块面板上，最宽和最窄的生长轮宽度差，不宜超过1～2mmB.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，针对音色问题应该分析振动的频谱特性。有关音色的振动性能品质评价用振动的频谱特性评价：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音。云杉的频谱特性的“包络线”具有呈“1/f”分布特征,补偿了人耳“等响度曲线”对高音过于敏锐，对低音听觉迟钝的不足。可用动弹性模量E与动态刚性模量G之比E/G这个参数来表达频谱特性曲线的“包络线”特性，E/G值高者，其音色效果好。云杉属木材结晶度的提高和纤丝角的减小有利于E/G参数的提高。C.对发音效果稳定性的要求，即要求由音板制作的乐器，能够适应环境湿度的变化，一直保持稳定而良好的发音效果。主要影响因子：抗吸湿能力和尺寸稳定性。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。采用甲醛化处理和水杨醇处理、水杨醇—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。5.4木材的声传播、声共振与材质无损检测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。超声波检测：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。在纵波情况下，超声传播速度v与密度ρ及超声弹性模量Eu之间的关系为v=（Eu/ρ）1/2。振动法(共振法)检测：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E与抗弯强度的正相关。冲击应力波检测：基于纵波(或表面波)振动的原理进行工作。FFT分析无损检测：运用了FFT(快速傅里叶变换)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，算出试件的弹性模量E和刚性模量G。5.5木材对声的反射木材的空间声学特性(建筑声学、音乐声学等)。木材声反射的用途？声学板(扩散板、反射板等)：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(约90％)。用于大厅、音乐厅、录音室。调节交混回响时间，形成最佳音质。反射板如果不直接贴墙，必须具有一定的厚度。5.6木材对声的吸收吸音系数：材料吸收和透射的能量之和占入射总能量之比。材料吸音的意义？缩短残响时间，增加声音的清晰度，消除噪音。声吸收要求质地较软的以及多孔材料，如软质纤维板、木丝板、吸音板等，厚度大(20mm以下)，吸音系数增大；刷漆使材料吸音性能下降，表面未修饰的材面吸音能力强；打孔、开槽、增加空气层等可以提高材料的吸音能力。5.7木材对声的透射与隔声建筑中的隔墙，需要有较好的隔声性。指标：声透射损失。透射墙壁的能量大小，取决于初始的声强、隔墙的质量(惯性)、隔墙的刚性和隔墙的支撑方式。对于单一的隔墙，声波的透射损失数TL(dB)与隔墙单位面积的重量W和声波的频率f(Hz)的关系：TL=20logW+20logf-48所以，声隔离要求比重大的材料。木质材料，可用二层或多层复合材料，如胶合板加蜂窝状松散材料等。本章结束