乐器共鸣板用木材声学振动性能改良研究现状及趋势

木材是制作乐器共鸣板的重要材料, 木材的声学性能在很大程度上决定了乐器的声学品质。文中在分析乐器板用木材声学振动性能改良的着手点与切入点的基础上, 总结木材声学振动性能改良方面的研究进展, 认为以下几个方面将成为未来研究的热点:1)从弹性模量、比弹性模量、声辐射品质常数和声阻抗等指标出发进行木材声学性能功能性改良研究; 2)开展乐器共鸣板用木材的替代树种用材的功能性改良研究, 扩大可用于制作乐器共鸣板的资源范围; 3)从改善木材声学振动效率和振动音色角度进行木材功能性改良的研究; 4)开展新型的乐器共鸣板用材研究。     

层数与碳纤维方向对木质-碳纤维复合材料声学振动性能的影响

为探究木质-碳纤维复合材料声学振动性能的影响因素及其用作乐器用木材替代材料的可行性,从复合材料层数结构和碳纤维铺设方向两个角度出发,对木质-碳纤维复合材料试件的声学振动性能参数(比动弹性模量、E/G、声阻抗等)进行对比分析,并以常用作乐器音板材料的美国西加云杉作为参照。结果表明,碳纤维方向对复合材料的声学振动性能影响显著,当碳纤维铺设方向从0°到45°,90°时,其声学振动参数比动弹性模量和E/G值都出现不同程度的下降;层数结构对复合材料的音色品质影响较大,当层数从5层增加到7层后,音色品质明显下降。采用层数较少的5层结构(单板/碳纤维布/单板/碳纤维布/单板)和碳纤维方向为0°的铺层设计能获得综合表现较好的声学振动性能,其比动弹性模量为25.55 GPa·cm~3/g,比美国西加云杉比动弹性模量25.98GPa·cm~3/g仅低1.66%,而其E/G值(27.89)甚至比美国西加云杉E/G值(20.14)高38.48%,具有媲美美国西加云杉的音色表现。     

抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响

【目的】探究抽提处理对乐器用泡桐木材声学振动性能的影响,为木材声学品质改良提供理论依据,促进我国乐器产品声学品质提高,缓解乐器共鸣板用优质木材资源日益匮乏的局面。【方法】采用苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇4种溶剂对泡桐木材进行15天的抽提处理,基于两端自由的弯曲振动方法,测定并分析抽提处理对木材弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ、对数衰减系数σ、声阻抗ω、声辐射品质常数R、E/G、传声速度υ、传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ·ρ)等声学振动性能参数的影响规律,并通过微观结构观察、红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)的变化,分析抽提处理对木材声学振动性能的影响机理。【结果】经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后,泡桐木材声学振动性能参数均发生变化。比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R和传声速度υ平均增加7.67%、11.36%和3.75%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为13.99%和17.28%和6.77%;声阻抗ω和对数衰减系数σ平均降低3.23%和19.42%,经去离子水抽提处理后其下降程度最大,降幅分别为-5.03%和-23.45%...     

吸湿循环处理对常用乐器用材声学振动性能的影响

对不同针、阔叶材树种木材进行吸湿循环处理,通过对声学振动性能进行跟踪测试,研究吸湿循环处理对声学振动性能的改良效果,并探讨木材解剖构造的特异性对其声学振动性能改良效果的影响。以4种常用乐器用材泡桐、梓木、杉木和西加云杉为研究对象,制成标准试样250 mm(纵向)×50 mm(径向)×15 mm(弦向),经60℃干燥48 h后,置于25℃、相对湿度60%的环境中平衡,此为1次循环,共循环4次。测量并计算处理前、不同次数循环处理后4种木材声学振动参数的变化,并结合解剖构造进行分析。木材的纤维/管胞长度从大到小依次为西加云杉杉木泡桐梓木。吸湿循环处理后,4种木材比动弹性模量和声辐射阻尼系数均呈增长趋势,其中泡桐的增长率最大,分别为27.95%和44.37%;西加云杉最小分别为3.84%和7.90%。木材的声阻抗变化率,梓木最大为-15.54%,西加云杉最小为-5.75%。试验结果表明:吸湿循环处理前后,梓木的声学振动性能均为最差;吸湿循环处理改善了木材声学振动性能,阔叶材声学振动性能的改善效果优于针叶材,其中泡桐的改善效果最好;吸湿循环处理2次后,木材比动弹性模量和声辐射阻尼系数、声阻抗均达到稳定,继续2次吸湿循环处理后基本保持不变。     

云杉材纹理角度对钢琴音板声学振动性能的影响

云杉材是制作钢琴音板的主要用材,以4种云杉属木材为研究对象,采用快速傅里叶变换分析法测试其共振频率,并计算其声学振动性能参数,分析木材纹理角度对云杉材声学振动性能具有的影响。结果表明:随着纹理角的增大,云杉材的动弹性模量、比动弹性模量增大,损耗角正切减小。当纹理角为90°时,云杉材的振动效率最高、声能损耗最少,声学性能最优。通过综合加权法评定,纹理角90°的麦吊云杉具有最优振动性能。     

横向振动法测量结构用木材弹性模量

介绍了采用横向振动法测定结构用板材弹性模量的理论依据和基本方法,组建了一套悬挂式测试试验系统,该系统包括:脉冲锤、加速度计、计算机等。试验表明横向振动法可以有效测得木材试件的固有频率。测试时,激振点和拾振点间的距离应尽量远,如可以分别位于试材两端部附近。而悬挂方式,如采用弹簧或者软绳悬挂,基本不影响测试结果。试验结果表明,采用横向振动法测得的木材弹性模量值稍大于静态试验弹性模量测量值,但二者间具有显著的相关关系,说明可以采用横向振动法测量木材的弹性模量。为使该研究结论用于实践,开发出了基于简支梁振动原理的板材弹性模量便携式测量装置,该装置可有效测量板材的动弹性模量,继而对结构用板材进行应力分等。     

竹材横向自由振动的研究

开展悬臂横向自由振动法测试以竹片为基本单元的竹集成材弹性模量试验研究,结果发现:长厚比对振动法测试竹材弹性模量影响显著,长厚比大于30时,剪切力和转动对振动的影响可以忽略,而长厚比小于15时,动弹性模量明显小于静弹性模量;竹集成材密度跟动弹性模量呈正比关系;竹集成材动弹性模量与静弹性模量有显著的线性相关性,其相关系数为0.910。研究表明:悬臂横向自由振动法能实现对竹集成板材弹性模量的检测,且具有较高的准确性。     

炭化处理对杨木声学振动特性的影响

为了探究炭化处理对木材板材声学振动性能的影响和规律,本文对45块白杨试件进行不同炭化温度(170、190、210℃)和不同保温时间(2、3、4 h)的炭化处理。采用了傅立叶变换频振动频谱分析仪(fast Fourier transform,FFT)测定炭化处理前后的杨木密度、比动弹性模量、声辐射品质常数、声阻抗及弹性模量与剪切模量比值的变化规律。结果表明:炭化处理工艺对不同的声学振动参数有不同的影响规律,当处理温度为210℃、保温时间为3 h时,可以较为显著的提高木材综合声学振动性能。     

古筝琴板的振动特性初探研究

木质乐器的好坏与木质板材的振动特性有着密切关系。以古筝为例,对琴板振动特性进行了理论分析与试验研究。分析了板的弯曲和扭转振动理论,得出琴板扭转和弯曲振动的固有频率值;通过自由振动试验和弯曲与扭转振动模态试验,得到琴板的自由振动时域图和频谱图及其弯曲振型和扭转振型图;通过理论分析与试验结果对比,验证了古筝琴板振动特性试验方法与结果的有效性,为古筝琴板及其他乐器木质板材的筛选与生产提供了一种有效的科学手段。     

弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能分析

【目的】分析弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能,归纳总结指板用木材的声学振动性能要求,为寻找可替代树种或对人工林木材进行功能改良以替代传统指板用木材提供科学依据。【方法】采用X-射线剖面密度测试仪表征木材一个生长轮内早晚材的密度差异及沿径向密度分布的均匀性;利用超声波微秒计测试木材声传播速度;运用模态分析法测试木材的共振频率和扭转频率,根据矩形截面Euler-Bernoulli方程计算木材声学振动参数。【结果】乌木绝干密度为1 180 kg·m~(-3),阔叶黄檀绝干密度为810 kg·m~(-3),东非黑黄檀绝干密度为1 320 kg·m~(-3);弦乐器共鸣板用硬槭木绝干密度为660 kg·m~(-3),非乐器用木材辐射松绝干密度为480 kg·m~(-3)。乐器用木材一个生长轮内早晚材及相邻生长轮之间密度差异较小,材质均匀。指板用木材轴向和径向声传播速度均低于硬槭木和辐射松。硬槭木顺纹与横纹的声传播速度比为3.2,声学各向异性较优。乌木、东非黑黄檀和阔叶黄檀的动态弹性模量(E')分别为18.2、16.8和14.8 GPa,指板用木材的E'均大于14.0 GPa。指板用木材的比动态弹性模量(E_(sp))均小于18.0 GPa,硬槭木和辐射松的E_(sp)分别为24.5和26.8 GPa,均高于指板用木材。乌木、阔叶黄檀和东非黑黄檀的声辐射品质常数(R)分别为3.21、5.08和2.58 m~3·Pa~(-1)s~(-3),硬槭木和辐射松的R分别为7.17和9.41 m~3·Pa~(-1)s~(-3)。指板用木材的声阻抗(ω)、对数衰减系数(λ)和损耗角正切值(tanδ)均高于硬槭木和辐射松。指板用木材的声学转化率(ACE)和E'/G'均低于硬槭木。乌木、阔叶黄檀、东非黑黄檀、硬槭木和辐射松的动态剪切模量(G')分别为1.97、1.72、2.58、1.21和1.09 GPa,指板用木材的G'均大于硬槭木和辐射松。【结论】指板用木材绝干密度均大于800 kg·m~(-3)。木材密度与其声学振动性能存在一定函数关系,选材时密度和声学振动性能需共同考虑。与共鸣板相比,指板选材对木材声学振动性能的要求远低于共鸣板。在声学振动性能方面,木材的E'和G'是指板选材的主要评估指标,要求尽量选择E'和G'大的木材,E'越大,指板抵抗不同弦张力所引起的弯曲变形能力越强; G'越大,指板抑制不同弦张力所引起的扭转变形能力越强。木材的E_(sp)、R、ACE、E'/G'、λ、tanδ、ω等声学振动参数可不作为指板选材的主要评估指标。     

国产油松、马尾松原木品质应力波法试验及其缺陷研究

为了探讨振动法测量木材动态弹性模量时应力波波速的差异性,本实验选取含有不同节子及内部孔洞的国产油松、马尾松原木为试验材料,采用纵向敲击法测量原木试材的动态弹性模量。建立原木缺陷的数学模型,模拟计算和分析表明,木材节子及孔洞对应力波波速及弹性模量均有影响,而且降低了木材品质。     

云杉属木材纵向和径向声振动特性参数关系的研究

采集7种我国具有代表性的云杉属木材及1种作对比用的美国产西加云杉试件,通过纵、横向木材试件在高次振动模式下的试验,测量木材各项声振动参数.研究发现:纵向材与径向材振动参数比之间存在着一定的相关性,据此可以选择各向异性适中,韧性好,纵向、径向振动受剪切影响小的木材制作乐器的音板.     

乐器用木材声学振动性能改良研究的进展

结合乐器用木材的宏观和微观构造、物理力学性能要求及评价指标,总结乐器用木材声学振动性能的影响因素及参数要求,归纳化学、物理、生物等处理方法在木材声学振动性能改良方面的应用研究及进展,分析各改良方法存在的问题,为木材声学振动特性功能改良的进一步研究提供思路。     

木材声振动特性的研究与进展

木材受机械振动作用表现出的特性,是木材声学性质研究的基础。通过对棒状、薄板木材模型的研究,了解乐器材振动特性,掌握乐器材料振动测试的关键参数,对乐器材选择十分重要。文章论述了国内外木材声振动特性研究的发展历史、研究现状与发展趋势,着重描述了国外同行在此研究领域作出的贡献,为今后国内乐器材振动特性研究提供借鉴。     

基于横向振动法对樟子松木材进行应力分等的研究

以樟子松木材为试验对象,分别运用横向振动法和静态弯曲法得出其动态弹性模量和静态抗弯弹性模量,重点对二者的关系以及尺寸、节子等因素对动态弹性模量的影响进行了研究.其结论是：动态弹性模量与静态抗弯弹性模量以及抗弯强度都有很好的相关关系;尺寸对动态弹性模量没有显著性的影响;节子的个数对木材动态弹性模量有显著性影响.     

高温热处理对挪威云杉及泡桐木振动性能和化学组分的影响北大核心

为考察高温热处理对2种乒乓球底板基材常用木材的振动性能及化学组分的影响,采用常压水蒸气为保护介质,对挪威云杉(Picea abies)和泡桐(Paulownia tomentosa)木材进行热改性处理,温度为190、210、230℃,保温时间为2 h,分析不同热处理温度对2种木材振动性能、结晶度及化学官能团的影响。结果表明:热处理后,挪威云杉和泡桐木的化学组分均发生了一定变化,但均未发生某一组分的完全降解;2种木材的结晶度均有所提升,挪威云杉在230℃时显示出最大结晶度增幅(52.15%,+4.13%),而泡桐的最大增幅出现在210℃(42.94%、+6.17%)。高温热处理能有效改善挪威云杉和泡桐木的固有频率f、对数衰减率δ以及比动弹性模量E/ρ。     

实木板材的动态弹性模量检测

以市场上购买的气干核桃楸、水曲柳和红松板材为试材,采用基于打击音的快速傅里叶变换(FFT)频谱分析方法,检测试材的动态抗弯弹性模量,并与力学实验机测定的试材静态抗弯弹性模量作比较。结果表明:用声共振FFT快速自动检测实木板材的弹性模量具有普遍性意义,且比简单根据木材密度估计的方法提高了木材静弹性模量推测的准确度和精度。     

两种国际通用乒乓球拍底板木材的固有频率及其影响因素

以白梧桐、红桧两种国际通用乒乓板木材为试验材料,采用悬臂板一端固定的横向振动方法,研究木材试件的含水率、纹理角、树种、比模量与固有频率的关系。结果表明:木材试件固有频率随含水率的增加而降低,当含水率达到20%以上时,两种树种固有频率值的变化趋于缓和。在含水率变化范围内,白梧桐试件固有频率值在66~56 Hz之间变化,红桧试件固有频率值在76~60 Hz之间变化。白梧桐、红桧两种树种试件的固有频率均值分别为56.32和69.01 Hz,但白梧桐试件固有频率的稳定性高于红桧,且径切板试件的固有频率大于弦切板的固有频率。在相同尺寸、测试方法和条件下,两种树种试件的固有频率值与比模量的关系符合薄板振动理论推导出的固有频率解的形式;红桧试件的比模量大于白梧桐试件的比模量。通过计算材料的弹性模量和密度,得出相应的比模量,从而可以判断出此材料的固有频率值。     

基于Daubechies小波基的木材声学振动信号分析与评价

针对音板木材振动信号分析不深入的问题,本研究基于小波包分析方法对木材振动信号进行分析,建立一种木材声学振动评价的新方法。利用多通道FFT分析仪获取泡桐木材的振动信号,基于Daubechies小波基函数对振动信号进行3层小波包分解与重构,得到了振动信号的特征值,将小波包变换后木材振动信号的特征值与传统方法测定的声学振动性能参数进行比较分析。研究结果表明:木材的振动信号能量主要集中在0～1 000 Hz,在传播的过程中能量衰减迅速;对振动信号进行时域分析时得出,木材的动态弹性模量随着峭度因子的增大而减小,随着峰值因子的增大而增大;基于Daubechies小波基的分析方法得到的振动信号特征值与声学振动参数之间具有显著的相关性,其中木材信号的特征能量率与木材声学振动参数动态弹性模量、声辐射品质常数以及声传播速度之间存在显著的正相关关系,与声阻抗以及对数衰减率的相关性及变化趋势之间有显著的负相关关系。研究表明,可以应用Daubechies小波对木材振动信号进行分析与评价,此方法为木材声学振动性能的客观评价提供了新思路。     

乐器共鸣面板用木材的特性与声学品质评价

<正>在我国传统的乐器制作选材中,木材扮演着极其重要的角色,多数传统乐器需要借助木质的共鸣面板来实现乐器的特性化发声,而不同的木材由于质地、密度等存在差异,使得在作用于乐器共鸣方面的影响不同,这会对乐器的发声质量产生关键性的影响,因此深入了解乐器共鸣面板用木材的特性及其对乐器发声的作用方式,有助于促进声学品质的评定及优良乐器的制作。《共鸣板用木材的振动特性与民族乐器的声学品质》（刘镇波、黄英来、杨扬著,