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木材构造与声振性质的关系研究

马丽娜  
【摘要】:木材的声振特性,是指木材在冲击力或机械振动作用下所表现出的在木材中传递应力波或在木材周围激发空气介质、传播振动的性质。研究内容涉及声响学、物理学、材料力学等诸多学科。木材的声学特性在两个领域受到重视,一个领域是乐器行业,另一个领域为建筑材料行业,特别是在木材作为音乐厅或房屋内部装饰材料应用的场合。作为一门应用基础性研究,木材动态弹性模量和内耗的测量对木材利用、木材改性、木材微观构造的研究、以及木材的无损检测等都具有指导意义。自古以来人们都在进行这方面的探索,最近的研究文献表明,可以通过对木材进行处理使其构造发生变化,从而改变其动态力学性质,实现对声学特性的控制[1]。本论文正是为此目标,选取 6 个常见且在构造上具有明显不同特征的树种,探究其构造与声振特性的关系,同时还对木材试件在不同试验方法、条件下的声振性质作了研究。 木材动弹性模量和内耗的测定方法很多,依测试原理不同,测量方法主要分为“共振测量法”和“波速测量法”两类。其中,前者是根据测得的物体的共振频率来确定其弹性常数的方法;而后者则是根据测得的物体传递弹性波的波速来确定其弹性常数的方法。 本研究选取的 6 个树种木材是:针叶材:鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. microsperma),马尾松(Pinus massoniana Lamb.);环孔材:水曲柳(Fraxinus mandshurica),泡桐(Paulownia fortunei);散孔材:I-69 杨(poplus spp.),白桦(Betula platyphylla)。共采用了三种动态试验(横向自由振动、纵向自由振动和纵波法)测试了试件的声振参数,所测定的木材声学特性参数包括动弹性模量 Ed、比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数 R、对数衰减率 lnδ、损耗角正切 tanδ、声阻抗ω等,并将动弹性模量和静弹性模量做比较分析;与此同时,还研究了不同温度、湿度以及试件几何尺寸对动弹性模量的影响。试验重点测试了 6 种木材的宏观构造特征、解剖分子形态特征;木材的宏观特征包括生长轮宽度、晚材率(针叶材);木材解剖分子形态特征则包括纤维长度、纤维宽度、双壁厚、长宽比、壁腔比、导管比率(阔叶材)和微纤丝角等;木材物理特征包括木材密度、纤维素结晶度;纤维素结晶度采用了 X-射线衍射仪。在此基础上,本文研究了木材的各种宏、微观构造因子对声振特性的影响,并用主成分分析找出其主要影响因子。 声振法与静态实验法比较具有测定时间短的特点。由于木材不是完全弹性体,所 4 以用测定时间长的静态实验法求得的静弹性模量多少有一些粘性应变的成分。而粘性 应变可忽略不计的动杨氏模量一般较静杨氏模量大,但其差值一般很小。此差值是由 于弹性滞后和弹性后效而产生的,也受到木材构造的影响。三种动态试验测试和静态 试验做比较,结果表明,三种动态试验测得的弹性常数均与静弹性模量具有很好的相 关性,其中横向自由振动试验法精度最高且稳定,可重复性强且操作简单快捷。因此 本论文在分析构造特征与振动特性参数关系过程中,主要采用横向自由振动法的测试 结果进行分析。 根据试验数据,应用统计软件分析了构造特征对振动特性参数的影响,分析了构 造特征与振动特性参数的相互关系,从中不但可以发现相关参数之间变化的规律,还 可以比较不同树种有关参数对声振特性影响的大小。在上述分析基础上进行主成分分 析,通过降维方式简化数据,从众多参数中筛选出几个重要综合指标,使它们尽可能 反映原来指标的信息,并具有明确的专业含义。 通过对 6 个树种木材振动特性参数与构造特征参数的研究,可以得到以下结论: 1. 针叶材的生长轮宽度、晚材率对木材振动特性有重要影响。生长轮宽度适宜、晚 材率高可以使木材具有较好的振动性质 2. 无论对于针阔叶材,木材密度对 E/G 和损耗角正切之外的振动特性参数有很大影 响。 3. 对于针叶材与阔叶材均有:木材结晶度大小与木材动弹性模量、比动弹性模量存 在密切的线性相关。 4. 对于针叶材与阔叶材均有:纤维长度越长,动弹性模量、比动弹性模量值越大, 木材的振动效率就越高,越有利于木材的振动。木材的纤维宽度对振动特性参数 无显著的影响。 5. 对于针叶材与阔叶材均有:S2 层微纤丝角越小,木材比动弹性模量值越大,损耗 角正切越低。 6. 对于针叶材与阔叶材均有:随着温度升高,动弹性模量及比动弹性模量显著下降。 而对数衰减有不同程度的上升。 7. 对于针叶材与阔叶材均有:随着含水率降低,动弹性模量及比动弹性模量显著上 升。而对数衰减有不同程度的上升,在约 7%时达衰减最小值。 8. 通过对 9-10 个重要因子的多样本主成分分析,分析结果讨论发现,统计约化出的


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