强帖！！！ 《木材的声学性质》 不回帖者不欢迎！！！！

antonfung

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木材的声学性质！


我好学，所以爱寻找一些什么资料，我跟随过夏老师，所有这些资料就在他专题名下发布！！

5.6 木材声学性质 木材声学性质，包括木材传声特性、空间声学性质、木材的振动特性和乐器声学性能品质等与声波有关的固体材料特性。
5.6.1 声音的基本特性声音是传播中的能量，它的强度是通过垂直于传播方向上单位面积的功率，单位为W／cm2。声音强度级可用声学仪器来度量。
人耳对声音的感觉与它的频率有关，同样强度较低频率的声音比高频率的声音响度大。人耳平均可听到的最微弱的声音强度叫做听觉阈，在1000Hz时是10-8 W／crn2。
测量一个声音的强度级时，可将它的强度与这个听觉阈的强度进行比较。由于人耳能感觉到的声音强度范围很广，通常用对数强度级来反映。
声音的强度级公式如下：

5.6.2 木材的传声特性木材传声特性的主要指标为声速v。木材是各向异性材料，木材传声特性具有明显的方向性和规律性。木材顺纹方向声音传播速度v‖明显大于横纹方向v┻(表4-16)，二者关系如下，



表5-16中木材顺纹传声速度是横纹传声速度（径向与弦向均值）的3倍以上。木材顺纹传声速度是径向、弦向传声速度的1.8倍、2.3倍以上。顺纹传声速度大，与木材中大部分细胞纵向排列和细胞壁S2层微纤丝纤维素链状分子结构方向有关。
横纹方向上，木材径向声速比弦向声速稍大一些（表5-17），这与木射线组织比率，早、晚材密度差异程度以及晚材率等木材构造因素的影响有关。
木材的声速还受含水率的影响，在纤维饱和点以下，声速随含水率的增加呈急剧下降的直线关系；在纤维饱和点以上这种变化缓和了许多，呈平缓下降的直线关系。
5.6.3 木材的振动特性当一定强度的周期机械力或声波作用于木材时，木材按照其固有频率发生振动，其连续振动的时间、振幅的大小取决于作用力的大小和振动频率。由于内部摩擦的能量衰减作用，木材这种振动的振幅不断地减小，直至振动能量全部衰减消失为止。这种振动为衰减的自由振动或阻尼自由振动。
共振是指物质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。共振现象对应的频率称为共振频率或固有频率。物体的固有频率由它的几何形状、形体尺寸、材料本身的特性(弹性模量、密度等)和振动的方式等综合决定。但是，在给定振动方式、形体几何形状和尺寸条件的情况下，则固有频率完全决定于材料本身的特性。
木材等固体材料通常有三种基本的振动方式：纵向振动、横向振动(弯曲振动)和扭转振动（图4-21）。

5.6.3.1 纵向振动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[图5-23(a)]。运动中不包含介质的弯曲和扭转的波动成分，为纯纵波。叩击木材的一个端面时，木材内产生的振动和木棒的一个端面受到超声脉冲作用时木材内产生的振动都是纵向振动。
设木棒长度为L，密度为ρ，动弹性模量为E，则长度方向的声速v和基本共振频率fr，有下列关系：

木材的纵向振动，除了在基本共振频率fr（以下简称基频）发生共振之外，在fr的整倍数频率处亦发生共振，称高次谐振动或倍频程谐振动。
5.6.3.2 横向振动横向振动是振动元素位移方向和引起的应力方向互相垂直的运动。横向振动包括弯曲运动。通常在木结构和乐器上使用的木材，在工作时主要是横向弯曲振动，如钢琴的音板(振动时以弯曲振动为主，但属于复杂的板振动)与木横梁静态弯曲相对应的动态弯曲振动等，可以认为是横向振动。
木棒横向振动的共振频率通常比它的纵向共振频率低得多。横向共振频率，不仅取决于木材试样的几何形状、尺寸和声速，且与木材的固定(或支撑)方式，即振动运动受到抑制的方式有关。矩形试件的共振动频率尤可由下式表示：

5.6.3.3 扭转振动扭转振动是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[图6-23(d)]。此情况下，木材试件内抵抗这种扭转力矩的应力参数为刚性模量G，或称作剪切弹性模量。如果木棒的惯性矩与外加质量的惯性矩相比可以忽略不计的话，则试件基本共振频率／，取决于该外加质量的惯性矩I,试件的尺寸和刚性模量C，公式表示如下：

5.**.木材的声辐射性能和内摩擦衰减5.**.1 木材内部声摩擦衰减木材在受瞬时冲击力产生横向振动，或在受迫振动过程中突然中止外部激振力，那么，随着时间的变化，木材振动能量会逐渐减小、消失，而振幅会逐渐降低，直至处于静止状态。原因在于能量在振动过程中被消耗而衰减。
木材的动能量消耗衰减分成两个部分：内摩擦衰减（克服木材内部分子间摩擦和与界面的摩擦，动能转变为热能而被消耗）和声辐射衰减（以声波的形式向空气中辐射能量以克服空气阻力）和。如消耗于内摩擦等热损耗因素的能量越小，用于声辐射的能量越大，则声振动的能量转换效率就越高。
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（表4-18）。受外部冲击力或周期力作用而振动的木材，当外力作用停止之后，其振动处于阻尼振动状态，振幅随时间的增大按负指数规律衰减。其中两个连续振动周期振幅值之比的自然对数，为对数衰减率δ(又称对数缩减量)，用公式表示如下：

木材的对数衰减率随树种的不同有一定程度的变异，变化范围为0.020~0.036。针叶材的对数衰减率较低。一般来说，对数衰减率较低的木材较适于制作乐器的共鸣板。因为δ低，说明振动衰减率低，有利于维持一定的余音，使乐器的声银饱满而余韵。同时，δ较低，则振动能量损失小，振动效率高，乐音饱满宏亮。

5.**.2 木材的声辐射性能木材及其制品的声辐射能力，即向周围空气辐射声功率的大小，与传声速度成正比，与密度ρ成反比，用声辐射阻尼系数R来表示：

声辐射阻尼系数又称声辐射品质常数(简称声辐射常数)，常用于评价材料声辐射品质的好坏。木材的声辐射常数，随树种不同有很大的变化。通常密度高的树种，其弹性模量也高，但声辐射常数往往比较低。木材用作乐器的共鸣板(音板)时，应尽量选用声辐射常数较高的树种（表5-18）。
5.**.3 木材的声阻抗木材声阻抗ω为木材密度与木材声速ρ的乘积，由下式表达：

木材声阻抗数值见表
木材声阻抗对于声音的传播，特别是两种介质的边界上反射所发生的阻力是有决定意义的。两种介质的声阻抗差别越大，向声阻抗小的介质一方反射就越强烈。从振动特性的角度来看，它主要与振动的时间响应特性有关。与其他固体材料相比，木材具有较小的声阻抗和非常高的声辐射常数，是一种具有优良声辐射特性的材料。
5.6.5 木材对声的反射、吸收和透射任何材料对入射到其表面上的空气声波，都能产生反射，吸收和透射三种作用．声波作用在木材表面，一部分被反射回来，一部分被木材本身的震动吸收，还有一部分被透过。
5.6.5.1 木材对声的反射木材的声阻抗比空气约高出104的数量级，入射的声能可大部分反射回来。木材是利用声反射造成最佳音质的室内材料。在要求声学质量的大厅，音乐厅和录音室等处所，其内壁大都用木材和木质材料装饰以改善室内的音响条件。大厅中，声学条件可应用声学板来增强，如北京音乐厅，不仅内壁采用木材，并在大厅后方还悬吊一些木板，即声学板。
5.6.5.2 木材对声的吸收和透射木材的吸音性能可用吸声系数表示，它是吸收入射能的百分率，亦即吸收和透射的能量之比值的百分率。2cm厚的冷杉板材，其平均吸声系数约为0.1，说明其木材有90%左右的入射声能被反射。
打开的窗口，空气分子自由移入和逸出，它与孔壁间摩擦生热的量很小，其吸声系数为1.0或100％。因此声音吸收性能好的材料，要求质地较软、多孔。软质纤维板、木丝板和吸音板是声音吸收性能较好的材料。
人耳能感觉到的声音频率范围是20～20，000Hz。木材和木质材料的声吸收效果还与声源频率有关。软质纤维板对频率较高部分的吸收较多，效果随板增厚而加大，但这一作用仅至20mm。木丝板由于孔隙体积大和表面孔隙度高，具高的声吸收能力，对声波频率变化的反应也较显著。软质纤维板还可用打孔、开槽的方法来进一步提高对声的吸收性能。


5.6.5.3 隔声
声隔离与声吸收是完全不同的问题，声隔离要求实密质重的材料。材料的声隔离性能可用透射的声强度损失分贝数(D)来表示。单层壁隔声效果不如二层或多层组成密封墙壁的隔声效果好。

透过单层壁的声透射损失，取决于两个因素：

（1）如要求单层壁中声压有较大降低，壁层就须重强。

（2）对频率高的声波隔离效果比对频率低的要好。这是由于惯性的作用，频率越高的声音在壁层中的声压变化越小，声隔离效果也就愈好。

单层壁透射的声强度损失分贝数(D)可用下式计算，


上式未考虑材料的隔声性能的差别。隔音效果与材料种类有关。由图5-22可看出，厚27cm砖墙，对频率为100Hz声音，可减低35dB；随频率加大，声强度损失分贝数D增大，中间也有起伏。5mm厚胶合板，对频率为100Hz的声音可减低11dB；随频率加大，声强度损失分贝数D增大，中间有起伏。在研究木材和木质材料中应注意这一问题。

二或多层组成密封墙壁，声绝缘效果较好。这种结构的透射损失不能用它们各自构成部分的透射强度损失为依据来计算，而必须用试验来确定。常见的木材和木质材料的组合制造木门，隔声效果很好。木材共振性较高，具有很好扩音共振性能。我国很早以前就利用木材制造乐器，如木鱼、琵琶、钢琴、小提琴等，但并不是所有木材都能作乐器

5.6.6 木材振动声学特性的应用
5.6.6.1 合理选择乐器用木材
木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，为乐器制造的主要材料。我国民族乐器琵琶、扬琴、月琴、阮、西洋乐器钢琴、提琴、木琴等，均采用木材制作音板(共鸣板)或发音元件(如木琴)，就是利用了木材的振动特性和良好的声学性能品质。电声乐器系统中，常利用木材的良好音质特性，制成各种类型特殊的音箱，以调整扬声器的声学性质，创造出优美动听的音响效果。

木材的共振性依木材的发音强度与内摩擦力而定，音响系数愈大，则共振性亦随之变大。在冲击力作用下，木材能够由本身的振动辐射声能，发出优美音色的乐音。作为共鸣板，木材能够将弦振动的振幅扩大并美化其音色向空间辐射声能。根据乐器对音板的要求合理选材，就必须运用木材声学性质的指标参数，合理的评价各树种木材声学性能，以指导乐器共鸣板的合理选材。。

共鸣板材料的声学性能品质评价，可从下面三个方面考虑：

（1）振动效率的评价 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。因此，应选用声辐射品质常数较高、内摩擦损耗小的木材。

从声辐射阻尼及的表达式R = (E/ρ3)1/2来看，应选用动弹性模量较大、密度ρ较小的木材，这是一种比较简便的方法。

应力木、具有斜纹理、节子或纹理弯曲等缺陷的木材，其声学性质很差，声辐射常数和比弹性模量下降，对数缩减量和损耗角正切提高，都不适于做乐器共鸣板。

（2）音色的振动性能品质评价 音乐中音色与振动的频谱特性有关，要求频率轴上基频与各高次谐频的幅值分布以及在工作频率范围内的频谱连续。音板、共鸣箱等乐器要求来自弦的各种频率的振动应该很均匀地增强，并将其辐射出去，以保证在整个频域的均匀性。金属材料谐振峰呈现尖锐的离散频谱特性，木材（如云杉）频谱特性及其各高次谐频位置的谐振峰形都比较平缓，呈现出连续谱特性。此外，从人的生理学角度考虑，人耳的等响度曲线特性是对低、中频段听觉比较迟钝，对高频段听觉非常敏锐；而木材（如云杉）频谱特性可实现对低、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。

（3）、发音效果稳定性的评价 木材音板的发音效果稳定性主要取决于木材抗吸湿能力和尺寸稳定性。由于空气湿度变化会引起木材含水率的变化，从而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。如果音板含水率过度增高，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。因此制作音板的木材应进行改性处理，增大其抗吸湿性和尺寸稳定性。目前，甲醛化处理、水杨醇处理和水杨醇•甲醛化等方法处理的木材作音板材料，既能保持木材原有发音稳定等声学性能品质，又能大幅度地提高其抗吸湿性，效果好。

由于各树种木材性质差异大，不是所有木材都能作乐器。乐器材料对年轮的选择，有一定标准，最适宜的年轮宽度为2mm，而且要求在两个毗邻年轮宽度的差异，不超过30%，即年轮宽度均匀，纹理通直。如张辅刚归纳出制琴音板的木材，要求2cm间隔内，生长轮宽度偏差不宜超过0.5mm；整块面板上，最宽和最窄的生长轮宽度差，不宜超过1~2mm(高级小提琴1.0mm，高级大提琴1.5mm，倍大提琴2.0mm)等。

云杉结构致密，材质均匀，年轮宽度适中，它的共振性很高，音色好、发音效果稳定性、为最好的乐器材料。广东乐器厂用云杉(通称百松)做提琴行销国外，人人喜爱。

5.6.6.2 木材共振与无损检测
木材生产及利用上，木材的声音是鉴别木材健全与否的依据，人们常以斧背敲击木材，如为健全木材，发音铿锵，如木材腐朽中空，则发嘶哑声，这是利用声音定性检验木材质量有效快速的方法。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，采用声学方法和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FFT方法，依据木材动弹性模量等声学指标与木材静力学弹性模量和抗弯强度间密切的相关关系，可在一定精度范围内实行木材强度的无损检测。

（1）振动法(共振法) 振动法(共振法)检测是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。利用振动(通常为弯曲振动)测量得到共振频率，进而得到动弹性模量，并分析它与木材静力学抗弯弹性模量、抗弯强度的关系。国内外大量研究结果表明，振动测量得到的动弹性模量与抗弯强度的正相关。超声波检测是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

v = (Eu/ρ)1/2

（2）FFT分析 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，求出共振的基频和各次谐频(取前5次)；应用Timoshonko理论，用电子计算机算出试件的弹性模量E和刚性模量G。

FFT检测的优点在于：与传统测量方法相比，速度快，操作简单，并且同时检测出动弹性模量和刚性模量G。

（3）超声波方法 超声弹性模量与木材的静力学弹性模量、强度之间均为紧密的正相关关系。根据木材力学强度与弹性模量具有相关性的特点，通过实验测定和数据分析，确定超声弹性模量Eu与各种力学强度之间的相关方程表达式，可计算出木材的静力学弹性模量与强度，从而实现无损检测。此外，超声波在通过不连续介质的界面时会强烈反射，在通过松软区域时其声速明显降低，波幅大为下降。根据这种特性，利用接收到穿过木材的超声波速和幅度的综合检测分析，还可以对木材的内部空沿和内部腐配等缺陷进行无损检测。

（4）冲击应力波检测 冲击应力波检测是基于纵波(或表面波)振动的原理进行工作。用固定能量的摆锤敲击木材试件一端的端面，因内应力产生的纵波沿试件长度方向传递，通过应力波速度v的测量及v与弹性模量E的关系，进一步对木材的强度进行估测。

应力波检测的优点在于不受被测物形状和尺寸的影响，而且检测技术简便易行。

摩苍天

全选-复制-粘贴！
感谢楼主！

blueslxh

pear

好东西

张皓丞

顶楼主了

月殇

松哥我顶你哦

兰皮

必顶 必顶

bonika

学习了。感觉太科学了。技术含量理论知识好高呀，就是我的理解能力差了点。呵呵。

晓月

你把我吸引过来了...

小黑_

松哥吉祥，，很有意义的资料。

晓月

Timoshenko，牛人啊！！！！好久没有看到这个名字了！！！他的那篇Vibration Problem in Engineering太神奇了。

我不知道您能不能联系到夏老师，当然作为一个晚辈，我斗胆提出一个不一样的思考方法。我认为这种想法更为精确。

我中文表达不是很好，我看到文中用的是以声速以计算“弹性模量”，从逻辑上来说，所谓的“弹性模量”（这个我不认识）我的理解是类似于传播能量衰减后的数值。如果是这样的话，这种评定木材声学特性的方法就完全忽略了木材的震动方式，以及木材受到震动的振动源。这个算式算的是木材所能受到的能量，不可否认是作为评判木材的很好的一个标准，可是实际应用中震动能量的来源与顺纹横纹没有关系，能量传播不是琴体平面上的，而是立面和平面结合的。很多时候这种计算上的差异，虽然对于大多数情况不会产生太大的决定性的影响，可是也有会出现与实际情况相当大出入的情况出现的可能性。

因此我觉得，应该从震动源与琴体的相对位置下手，考虑琴体的震动形式。

我的拙见让您和夏老师见笑了。

laishan1987

负责~~~~~~~~粘贴

wxjlt

~~~~~~~~~套多了！累眼睛~~~等下打印出来再说！

rxb

喻波

我不够说话的级别了。
当我放个屁就行了。

Pioneer吴

好贴,才看到,学习了,,,,,这些数据得好好研究,,
谢谢老松

疯狂意念

卧槽，这个比较专业，一直没有回帖习惯的，不得不顶了


大概看了一下，不知道我分析的是不是对的，综合来看是杉木最好，然后是....椴木？

[ 本帖最后由 疯狂意念 于 2010-8-7 12:27 编辑 ]

依然憩

强力插入
前排支持
目前看不懂，留着以后揣摩。。。

Bryan.C

喜欢学术帖！

shadowrose

这个必顶

joewang91

很好的东西~

SIULEA

顶，收了

假如爱有天意

xx001

joewang91

不错不错~~~

howardt1212w

我有看過繁體中文版的~
台灣圖書館也有
這個資料真的很強大
如果會使用模擬軟體
還有話時體圖形的軟體
或許可以模擬出最好的琴
可是木料的密度並不是均值
這就有點頭痛了～
頂帖拉~~

luzuxin1314

感谢楼主！ [em37] [em37]

无敌烽火轮

这个，，，这个，，，暂时还消化不了

771856749

632459392

如果我转载你应该会有意见吧！我会刻上你名字的！

make530

不想做罪人！

lele1030

[em29] [em29]

xx001

收藏 [em21]

spinach

不是一般的专业，下载了，慢慢学习吧。

Astar2007

作为一个初中物理老师，我表示看不太懂。

zhangdimusic

_________axl

   我勒个去。。
真是刨根问底拦不住啊。。。

iapamlysys

我靠，极品好贴！！！占位长期钻研之~~~~

songjilai

先顶再看……

dendis

绝对专业，需要慢慢消化