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云杉属木材构造特征与振动特性参数关系的研究

沈隽  
【摘要】: 本研究以云杉属八种木材的细胞结构,排列、生长特征与木材振动特性参数之间的 关系为总目标,全面、系统地研究了云杉属木材各种构造因子对振动性能产生的影响, 并找出了各项影响因子数据点的最佳分布范围,为乐器材的选择提供了理论依据。 实验对木材相关特征进行了测试分析,主要测定了木材的宏观构造特征、解剖分子 形态特征和木材物理、声学性能特征。木材的宏观构造特征包括生长轮宽度、生长轮宽 度变异系数、晚材率、晚材率变异系数;木材解剖分子形态特征包括管胞长度、管胞直 径、管胞壁厚、壁腔比、长宽比、胞壁率和纤丝角等,其中,纤丝角的测定采用x-射 线衍射促进行,管胞形态及排列特征测定采用计算机视觉分析系统进行;木材物理特征 包括木材密度、纤维素结晶度,纤维素结晶度的测定也采用了x-射线衍射仪;所测木 材声学特性参数包括动弹性模量、剪切模量、比动弹性模量、声辐射阻尼系数、损耗角 正切、声阻抗、E/G值等。 根据实验测得的数据,采用统计软件分析了木材构造特征对振动特性参数产生的影 响,分析了木材构造特征与振动特性参数之间的相互联系,从中不但可以发现两者有关 参数之间关系变化的规律,而且还可以比较出各树种木材有关参数对振动特性参数影响 的大小。在上述分析基础上进一步采用主成分分析法,通过降维方式进行数据简化,从 众多参数指标归纳出几个综合指标,使这些综合指标尽可能反映原来指标的信息,并具 有较明确的专业含义。此外,实验还采用综合坐标法和综合评分法,对参与实验的8个 云杉属木材依据其结构排列、生长特性、振动性能及考虑权重系数进行了综合坐标值评 定和打分排序。 实验以多样本的大量测试,从多角度分析认证了实验结果的一致性。最终认为,生 长轮结构越均匀,木材的振动性能就越优良。实验发现适宜的木材生长轮宽为1.0— 1.5mm,晚材率为15%—28%。纵、横向木材生长轮宽度变异系数、晚材率变异系数越小, 木材的振动性能越好;纤维素结晶度适量增大,有利于木材振动效率的提高及音色的表 现,适宜的纤维素结晶度应在59%左右;云杉属木材纤维长度越大,动弹性模量、比动 弹性模量值也越大,木材的振动效率也就越高,越有利于木材的振动。大部分木材纤维 长度达到4000μm时,木材的振动效率最高。适宜的木材纤维长宽比为100—110,管 胞壁厚度为0.030—0.050μm(无论径向、弦向),细胞胞壁率为0.55-0.60,管胞壁腔 比为0.30(无论径向、弦向),S_2层纤丝角为9°-17°。 本实验研究结果可为乐器材的选择和乐器实际生产提供了可靠的科学依据和技术参 数,具有一定的指导意义。


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