乐器音板用木材的功能性改良及新型材料

第0章 绪论 0.1 木材的声学振动特性及评价 0.1.1 木材的声学振动特性简介 声是一种机械扰动在气态、液态、固态物质中传播的现象。扰动是指在气态、液态、固态物质中的一个密度的，或者是压力的，或者是速度的某种微小变化，这个变化在弹性介质中就会传播出去，传递的能量就是声，从声的概念上讲，只要弹性介质中存在扰动，就会产生声波。声学是一门研究声波的产生、传播、接收以及与物质相互作用的科学。 木材和其他具有弹性的材料一样，在冲击性或周期性外力作用下，能够产生声波或进行声波传播振动。木材声学主要是研究木材在外在的激励源作用下所产生的振动特性、传声特性、空间声学性质(吸收、反射、透射)等与声波有关的木材材料特性。而乐器音板木材在工作时所体现的材料特性属于声学振动特性范畴。 不同木材的声学振动性能有显著差异，声学振动性能好的木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，能够在冲击力作用下，由本身的振动辐射声能，发出优美音色的乐音。更为重要的是，能够将弦振动的振幅扩大并美化其音色向空间辐射声能。这种特性是木材能够广泛用于乐器共鸣部件制作的重要依据。 0.1.2 木材声学振动性能评价 不同的乐器，其共鸣音板对所使用的木材树种有具体的要求[1，2]，钢琴、小提琴等西洋乐器的共鸣音板一般选择云杉木材，而琵琶、阮、月琴等民族乐器的共鸣面板一般选择泡桐或杉木木材。但木材是一种变异性很大的材料，同树种不同株上的木材，甚至是同株木材上的不同部分，其材性都有差异，这使得可用于制作共鸣板的木材不仅对树种有要求，而且对选材部位、加工方法[3]也有严格的要求。 质量上乘的乐器产品对乐器共鸣板制作材料——木材有极其苛刻的要求[4]，不但要求选用的木材具有很高的振动效率、优良的振动音色，而且还要求具有稳定的含水率，以提高其发音效果。如何根据乐器对音板的要求合理选材，尤其是如何运用木材声学性质的指标参数对木材声学性能品质进行合理的评价，并以此为依据指导乐器共鸣板的合理选材，是十分重要的。 乐器制作行业对乐器音板的声学性能品质有许多具体的要求，综合起来主要有三个方面：**方面是对振动效率的要求，音板应该能把从弦振动传播过来的能量，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*大的音量和足够的持久性；第二方面是对音色的要求，从音板辐射出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应分布均匀与连续，以及具有较小的惯性阻力、较敏锐的时间响应特性等；第三方面是对发音效果稳定性的要求，其要求由音板制作的乐器能够适应环境空气温湿度的变化，保证稳定而良好的发音效果。因此，对乐器共鸣板用木材的声学性能品质评价也应该从这三个方面入手。 1. 对振动效率品质的评价 乐器共鸣板用木材要求具有较高的振动效率。振动效率高的音板，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小，使发出的声音具有较大的音量和足够的持久性。 从现有的文献资料来看，用于评价木材振动效率品质的物理量主要有：声辐射品质常数R、比动弹性模量E/*、损耗角正切tan*、声阻抗*以及tan*与E之比tan*/E等。在R、E/*为较大数值，而且tan*、tan*/E、*为较小数值的情况下，木材的振动效率高，有利于声能量的高效率转换或响应速度的提高。 从声辐射品质常数表达式来看，应选用动弹性模量E较大且密度**较小的木材。比动弹性模量E/**代表顺纹方向细胞壁的平均动弹性模量，而且能够以此判别振动加速度的大小；而R表示将入射的能量转换为声能的程度，并且能以此判别声压的大小。两者都有使振动效率增加的作用。对于内摩擦损耗的定量表征，动力学损耗角正切tan*表征每周期内热损耗能量与介质存储能量之比，更能直接地说明振动效率问题。 2. 有关音色的振动性能品质评价 音色较难进行定量化，其比振动效率的评价复杂。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，即分析在频率轴上基频与各高次谐频的幅值大小、幅值分布，以及在工作频率范围内的连续频谱。乐器对音板(和共鸣箱)的要求之一是，来自弦的各种频率的振动应很均匀地增强，并将其辐射出去，以保证在整个频域的均匀性。 云杉属木材的频谱特性，其基频和2、3次谐频位置的谐振峰形都比较平缓，在此范围基本呈连续谱特性(而不像金属材料那样谐振峰尖锐的离散谱特性)；而且云杉木材从基频开始向各高次谐频各峰连线形成“包络线”，其特性为随频率升高而连续下降的形式，大致符合1/f分布。而其他材料(如铝金属、丙烯酸树脂材料等)的频谱曲线与木材有很大的差异，在低频侧的若干个共振峰的峰点一直居高不下，而且铝材料的共振峰十分尖锐，共振点处峰值极高，当频率偏移时于两侧急剧下降(图0-1)，还有钢材等金属材料的频谱特性也是如此。因此，云杉属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。 图0-1 不同材料振动音色频谱特性[5] 从人体生理学的观点来看，人耳的等响度曲线特性对低、中频段听觉比较迟钝，对高频段听觉非常敏锐，而云杉的频谱特性的“包络线”特征，正实现了对低、中音区的迟钝补偿和对高音区的抑制，补偿了人耳“等响度曲线”造成的听觉不足，使人感觉到的乐音在各个频率范围都是均匀响度，有亲切、自然的感觉，获得良好的听觉效果。 动弹性模量E与动刚性模量G之比E/G可表达频谱特性曲线的“包络线”特性，能较好地评价共鸣用材振动效率和音色的综合品质。E/G参数是描述材料在外力作用下变形方式的指标，其幅频特性与从基频开始向各高次谐频各峰点连线所形成的“包络线”特性十分相近，两者测量值呈紧密的正线性相关。E/G值大时，说明频谱在整个频域内分布十分均匀，这种材料制成的音板就能把来自弦的振动很均匀地增强，并将其辐射出去，即音色效果好。刘一星、沈隽等的研究结果表明：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[6]。针对木材声学品质的实验心理调查研究表明，参数E* **与余音的长短、发音的敏锐程度等听觉心理量有关，而E/G则与乐音的自然程度、旋律的突出性、音色的深厚程度等听觉心理量有关。 3. 对发音效果稳定性的评价与改良 以木材为音板的乐器，其发音效果的稳定性主要取决于木材的抗吸湿能力和尺寸稳定性。这是因为木材具有干缩湿胀的特性，当空气湿度变化时，会引起木材含水率的变化，导致木材声学性质参数的改变而使乐器发音效果不稳定[7，8]；特别是如果木材含水率过度增高，其动弹性模量下降、损耗角正切增大以及尺寸变化产生的内应力等会导致乐器音量降低，音色也受到严重影响。因此，应研究木材吸、放湿过程对声学性质的影响规律并采取措施抑制这种不利影响，或通过功能性改良处理，使音板的声学品质不受外部环境变化的影响，保持音板发音效果的稳定性。 Norimoto等对抑制木材的吸、放湿以改善发音效果稳定性等进行了较为系统的研究。采用弯曲振动法，对吸、放湿过程中，水分平衡和非平衡状态下木材比动弹性模量E/*、动力学损耗角正切tan*、声辐射品质常数R、声阻抗*以及每振动周期能量损耗参数tan*/E进行了测量[9，10]。结果表明，在水分非平衡状态下，含水率对上述各个声学品质参数都有显著的影响，其影响程度按*＜R＜E/*＜ tan**＜tan*/E的顺序变化；在吸湿过程的初期，上述影响更为显著，其中也以tan*和tan*/E的程度为大。在水分平衡状态下，含水率为8%～20%阶段，tan*和tan*/E受水分的影响十分显著。因此可认为，水分对与能量损耗相关的声学品质参数影响作用*为显著，要改良乐器音板材的发音效果稳定性，应从这个方面入手。 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，能够在不降低木材原有声学性能品质的情况下，大幅度地提高抗吸湿性，使得相同高湿度环境条件下处理材的声学性能品质明显优于素材，不但起到了提高发音稳定性的作用，而且提高了声学性能品质。特别是处理后的木材还能够在全部频域获得比较均匀的降低木材内摩擦损耗的改良效果。水杨醇-甲醛化复合处理，只要配料比例适当，能够保证宽频域的改良效果；而且通过改变复合处理中的配料比例，还能够根据需要控制处理材的频率响应特性，以达到各式各样(如不同的音色)的处理效果。 0.2 乐器音板用木材面临的问题 随着人类物质生活水平的提高，人们越来越追求精神生活水平的提高，乐器作为人类一种高雅的娱乐器具，越来越受人们的欢迎，这就促使了乐器工业的快速发展。对用作乐器共鸣板的木材的要求不同于其他木材应用领域，不但要求木材不能有开裂、节子、虫眼等缺陷，而且对木材的密度、年轮宽度、年轮数及微观特征等都有具体的要求。因此，适合于制作乐器共鸣板的木材只局限于少数几种树种的木材，以及这些木材原木中的某些部位。从目前的生产看，用于生产乐器共鸣板的原木出材率一般在10%～20%，这也说明了乐器共鸣板对其所用木材要求苛刻。 我国是乐器生产大国，乐器产值、乐器出口量均为世界**，但也是一个木材资源极其匮乏的国家，尤其是声学品质优良的天然林大径级木材更是少之又少，当木材资源难以满足乐器企业的生产要求时，势必影响乐器行业的可持续发展。 当前，我国为缓解木材资源的供需矛盾，每年需要从国外进口大量木材资源，且比例越来越大，这不但大大提高了乐器产品的成本，而且世界性木材资源的减少，以及当前国际贸易形势的变化，势必对我国乐器制造行业产生巨大的影响，这不是维持我国乐器企业发展的长久之计。因此，需要寻找合理有效的途径来解决这一矛盾。总的来说，有三条解决途径。 (1) 人工培育新的木材资源：这是一条“远水解不了近渴”，但是“前人栽树，后人乘凉”的措施，因为木材资源的培育，尤其是声学性能优良的珍贵资源，并不是一朝一夕可以完成，对于当前来说，这条措施并不具有可行性。 (2) 优材优用，劣材优用，拓展木材资源范围：目前乐器共鸣板的传统用材资源极其匮乏，但低质速生木材资源却非常丰富，因此，在充分、高效利用传统珍贵树种资源基础上，通过改良的手段，拓展可用的木材树种种类，尤其是低质速生材树种。这对于当前的木材科学发展水平来说，是一条可以深入开展研究，可以实现的有效途径。 (3) 新型材料开发：受限于科学技术的发展，以往以木材为原料的乐器只能用木材来制作共鸣板，但随着新型材料科学与技术的发展，采用新型材料代替木材，或者是代替部分木材来制作共鸣板成为可能，同时这也是一条缓解木材资源紧缺的有效途径。 0.3 乐器共鸣板用木材声学振动性能功能性改良研究 0.3.1 木材声学振动性能功能性改良的着手点 要进行木材的声学振动性能改良，首先需要确定改良的着手点与切入点，即对影响木材声学振动性能的主要因子进行改良。前人的研究结果已表明，木材声学振动性能受众多因素影响。树种、木材的选取部位、锯切方向、所含缺陷、木材的物理构造特征(如密度、含水率、生长轮宽度、晚材率、管胞长度、微纤丝角、结晶度等)、化学性质(如所含抽提物含量、成分)等均会对木材声学振动性能产生影响[11-23]。 对于木材的树种、选取部位、锯切方向及所含缺陷等，可以在木材制材加工及选材中加以控制，易于实现。而对于生长轮宽度、晚材率、管胞长度、微纤丝角等木材的物理构造特征，是在木材生长中形成，主要受遗传因素、生长立地条件影响，一般只能通过营林培育加以适当控制，一旦形成后，不易改变。以上两个方面都不是声学性能改良的着手点。 木材的密度、含水率及吸湿特性、主要组分分子结构、抽提物含量等特性易于通过一定的化学、物理处理方法得以改变，而通过控制这些特性的变化则可实现木材声学振动性能的改良。因此，改变这些因子是改良木材声学振