Звуковые свойства древесины

В эту группу входят свойства, определяющие способность древесины проводить, поглощать и отражать звук, а также ее резонансные свойства.

Распространение звука в древесине. Звук, как известно, представ­ляет собой механические волновые колебания, распространяющиеся в уп­ругих средах. Особенности распространения звуковых колебаний зависят от физических свойств среды и характеризуются рядом показателей.

Скорость распространения звука С, м/с, в достаточно длинном стержне в направлении колебательного движения частиц мате­риала (продольные волны) определяется из соотношения

, (59)

где Е - динамический модуль упругости, Н/м², ρ - плотность материала, кг/м³

Скорость распространения звука, м/с, в древесине можно установить по резонансной частоте вынужденных продольных колебаний образца со­гласно уравнению

С = 2 l ƒ_0, (60)

где l - длина образца, м; ƒ₀ - резонансная частота, Гц

Этот показатель можно также определить импульсным ультразвуко­вым методом. Для этого измеряют время τ, с, распространения упругой продольной волны по длине образца l, м, и вычисляют С, м/с, по формуле

. (61)

Средние значения скорости распространения звука при продольных колебаниях, по данным МЛТИ и ЦНИИМОД, для комнатно-сухой древе­сины некоторых пород приведены ниже:

Порода Лиственница Сосна Ель Дуб Ясень Береза

Скорость звука, м/с 4930 5360 5630 4720 4730 5530

В плоскости поперек волокон скорость звука примерно в 3-4 раза меньше, чем вдоль волокон, причем в радиальном направлении она не­сколько выше, чем в тангенциальном. С увеличением влажности и темпе­ратуры древесины скорость распространения звука уменьшается. Скорость звука в других материалах составляет, м/с в стали 5050, в свинце 1200, в каучуке 30, а в воздухе 330.

Важная характеристика древесины при оценке ее способности отра­жать и проводить звук - акустическое сопротивление, Па·с/м:

R=ρС. (62)

Величина этого показателя для комнатно-сухой древесины вдоль во­локон указана ниже:

Порода Лиственница Сосна Ель Дуб Ясень Береза

R·10^-5 Па·с/м 4930 5360 5630 4720 4730 5530

Для сравнения укажем, что воздух имеет акустическое сопротивле­ние 429, каучук 3·10³, а сталь 393·10⁵ Па·с/м.

По мере распространения звуковых волн в материале вследствие по­терь энергии на внутреннее трение происходит затухание колебаний. При этом величина амплитуды уменьшается по экспоненциальному закону.

Для характеристики скорости затухания колебаний и одновременно величины внутреннего трения (вязкости) материала используют показатель δ -логарифмический декремент колебаний, численно равный натуральному логарифму отношения двух амплитуд, отделенных друг от друга интервалом в один период

Для определения декремента колебаний в древесине ЦНИИМОД разработал ГОСТ 16483.31-74. Схема установки, в которой использован электромагнитный способ возбуждения колебаний, показана на рис. 42 Древесина относится к диамагнетикам, т. е. веществам, имеющим отрицательную магнитную восприимчивость, которая у нее составляет (2,5-6)10⁶ Поэтому для возбуждения продольных колебаний на торцы об­разца размерами 20x20x300 мм (последний размер вдоль волокон) наклеи­вают ферромагнитные пластинки.

Образец 4 размещают на опорном устройстве, как показано на схеме рис. 42,а При этом иглы 3 диаметром 1 мм вводят в заранее высверленные отверстия на глубину 5-6 мм. От генератора 1 электромагнитные колеба­ния подаются на возбудитель 2 и через ферромагнитную пластинку 8 при­водят образец в колебательное движение. Механические колебания образ­ца преобразуются датчиком 5 в электрические сигналы, напряжение и час­тота которых измеряется милливольтметром 6 и частотомером 7.

Для возбуждения изгибных колебаний ферромагнитные пластинки наклеивают на боковые стороны образца, а возбудитель и датчик распола­гают по схеме на рис. 42,6. Плавно изменяя частоту колебаний, приводят образец в состояние резонанса Этот момент устанавливают по максималь­ному отклонению стрелки милливольтметра и фиксируют резонансную частоту ƒ₀, по которой можно определить скорость распространения звука [см. формулу (60)]. Для определения декремента колебаний частоту воз­мущающих колебаний изменяют на величину ± Δƒ (по обе стороны от ƒ₀), при которой максимальная (резонансная) амплитуда уменьшается вдвое.

Логарифмический декремент продольных и изгибных колебаний вы­числяют с погрешностью не более 0,5 КГ⁴ Нп (Нп – "непер" - отношение двух физических величин, натуральный логарифм которого равен единице) по формуле

, (63)

где ƒ₀ - частота резонансных колебаний, Гц, ƒ₁ и ƒ₂ - частота колебаний с амплитудой, равной половине резонансной, Гц.

Представление о порядке величин логарифмического декремента ко­лебания древесины дает табл 28

Указанные в таблице значения относятся к случаю действия возни­кающих при колебаниях напряжений вдоль волокон древесины. Если на­пряжения направлены поперек волокон, то, как показал В.В. Тулузаков на древесине ели, δ увеличивается примерно в 4 раза.

28. Логарифмический декремент колебаний древесины

Порода	Влаж­ность W,%	Вид колебаний	Декремент колебаний δ·10^4 Нп	Автор
Сосна Ель		Изгибные Изгибные		В.Д. Никишов (МЛТИ)
Ель		Изгибные	173-307	И.И. Пищик (МЛТИ)
Ясень Бук		Продольные Продольные		А.М. Боровиков и Н.Н. Дулевский (ЦНИИМОД)
Береза		Изгибные		В.Д. Никишов (МЛТИ)
Клен		Изгибные	219-377	И.И. Пищик (МЛТИ)
Тополь		Изгибные		Й. Беничак (ГНИИД, Словакия)

Величина декремента колебаний зависит от частоты. Так, по данным МЛТИ при изгибных колебаниях образцов, подвешенных в местах распо­ложения узловых линий на двух нитях, с увеличением резонансной часто­ты от 0,2 до 1,5 кГц декремент изменяется незначительно; однако в диапа­зоне от 1,5 до 7 кГц величина этого показателя возрастает в 2-4 раза

Сложная зависимость декремента от влажности при комнатной тем­пературе была установлена Ф. Кольманом и Г. Крехом [по 63]. Увлажне­ние древесины вначале приводит к уменьшению декремента; при влажно­сти 6-8 % его значения достигают минимума; затем при повышении влаж­ности до предела насыщения клеточных стенок декремент возрастает, а при дальнейшем увлажнении почти не изменяется. Увеличение температу­ры древесины вызывает снижение величины декремента колебаний.

Показатели, характеризующие распространение звука в древесине, используются для определения ее упругих постоянных и прочности (см.гл. 5). Ультразвуковые испытания древесины позволяют обнаруживать скрытые дефекты. Так, в свежесрубленных деревьях при положительных температурах по изменению скорости распространения ультразвука в по­перечных сечениях ствола можно обнаруживать внутреннюю гниль и ус­танавливать ее протяженность по длине ствола Более подробно методы и результаты ультразвуковых испытаний древесины описаны в монографии [34] и учебном пособии [63]. Ультразвуковые методы применяют также для неразрушающего контроля качества (прочности, жесткости, структур­ной неоднородности, шероховатости) модифицированной древесины и древесных плит.

Ультразвук повышенной интенсивности и частоты используют для обработки древесины с целью улучшения ее пропитки [89].

Звукоизолирующая и звукопоглощающая способность древеси­ны. Звукоизолирующая способность древесины характеризуется ослабле­нием интенсивности прошедшего через нее звука. Интенсивность звука прямо связана со звуковым давлением, возникающим в газовой или жид­кой среде. Величина его может изменяться в очень широких пределах, по­этому для оценки уровня звукового давления применяют логарифмиче­скую шкалу, в которой за начало отсчета принято давление на пороге слышимости. Уровень звукового давления измеряется в относительных ло­гарифмических единицах - децибелах Для примера укажем, что уровень звукового давления, соответствующего обычному разговору, равен 60 дБ, уличному шуму - 70-80 дБ При 120 дБ в слуховом аппарате человека воз­никают болевые ощущения.

Величина звукоизоляционной способности древесины может быть оценена по разнице уровней звукового давления перед и за перегородкой из древесины, а также по относительному уменьшению силы звука, назы­ваемому коэффициентом звукопроницаемости. Так, при толщине З см звукоизоляция сосновой древесины составила 12 дБ, коэф­фициент звукопроницаемости 0,065, для дубовой древесины при толщине 4,5 см соответственно 27 дБ и 0,002. По строительным нормам звукоизоля­ция стен и перегородки должна быть не ниже 40 дБ, междуэтажных пере­крытий - 48 дБ. Отсюда видно, что звукоизолирующая способность мас­сивной древесины сравнительно невысока.

Способность древесины поглощать звук вызвана рассеянием звуко­вой энергии в структурных полостях и необратимыми тепловыми потеря­ми вследствие внутреннего трения. Для характеристики этого свойства ис­пользуют коэффициент звукопоглощения, представляющий собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии пло­ской падающей волны. Коэффициент звукопоглощения сосновой перего­родки толщиной 19 мм в диапазоне частот 100 - 4000 Гц находится в преде­лах 0,081-0,110.

Резонансная способность древесины. Древесина широко применя­ется для изготовления излучателей звука (дек) музыкальных инструментов. Эту древесину называют резонансной. Хотя указанное название не совсем точно отражает физическую сущность явлений, происходящих в древесине при ее использовании в музыкальных инструментах, оно широко распро­странено в практике и применяется в технической литературе [70].

В смычковых, щипковых и клавишных инструментах энергия коле­бания струны передается деке, предназначенной для усиления звука и формирования его тембра. Значительная часть подводимой от струны к де­ке энергии расходуется на потери внутри материала деки, а также в местах ее закрепления на корпусе инструмента. Лишь 3-5 % общей энергии излу­чается в воздух в виде звука.

Качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, оценивается по предложенной акад. Н.Н. Андреевым акустической константе, м⁴/(кг-с):

(64)

где Е - динамический модуль упругости, Н/м² или кг/(м-с²), ρ - плот­ность древесины, кг/м³.

Наибольшая величина акустической константы характерна для дре­весины ели, пихты и кедра, она составляет примерно 12м /(кг·с). Заготов­ки из резонансной древесины должны согласно ГОСТ 6900-83 удовлетво­рять ряду требований. Ширина годичных слоев должна быть в зависимо­сти от вида музыкального инструмента не более 3-6 мм, а содержание поздней древесины в них не более 30 % (для дек концертных роялей не бо­лее 20 %), резонансная древесина должна быть равнослойной, не содер­жать сучков, пороков строения (см. ниже), особенно крени и наклона воло­кон

В последнее время находит применение способ определения акусти­ческой константы по кернам - цилиндрическим образцам диаметром ≈ 4,5 мм высверливаемым в радиальном направлении из ствола растущего дерева или кряжа. В этом случае К, м /(кг·с), вычисляют по формуле, вы­текающей из (64) и (59)

(65)

Скорость распространения звука в древесине С (поперек волокон) измеря­ют ультразвуковым методом. По данным А.А. Колесниковой (МарГТУ) показатель К примерно в 3 раза меньше стандартного.

Большое значение для качества музыкальных инструментов играет однородность материала деки. Для характеристики резонансных свойств деки как анизотропной пластинки в МЛТИ предложен показатель, также названный акустической константой. Этот показатель определяется при испытаниях на изгиб защемленной по контуру круглой пластинки, выре­занной из деки.

Следует отметить, что пока еще нет исчерпывающих объективных показателей качества древесины как материала для дек музыкальных инст­рументов. Акустическая константа может служить лишь приближенным критерием для первичного отбора древесины. Необходимо оценивать так­же потери звуковой энергии в древесине, определяемые величиной декре­мента колебаний δ, а также возможные потери при креплении деки инст­румента к его корпусу. Кроме того, известно, что наилучшими акустиче­скими характеристиками обладает древесина длительной (50 лет и более) выдержки. Значения К и δ у длительно выдержанной и невыдержанной древесины, по данным И.И. Пищика (МЛТИ), примерно одинаковы. Одна­ко в древесине за время выдержки в течение нескольких десятков лет (ста­рения) изменяется содержание гемицеллюлоз; такая древесина более ус­тойчива к температурно-влажностным воздействиям, и изготовленные из нее инструменты обладают большей стабильностью звуковых характеристик.

Дата добавления: 2015-04-30