[材料科学]木材的声学性质.ppt

木材的声学性质 一、引言 二、木材的振动特性及应用 三、木材的传声特性 四、木材声学性能品质评价简述 五、木材的声传播、声共振与材质无损检测 六、木材的空间声学性质及应用 一、引言 木材声学主要是研究木材在外在的声波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。 木材的声学特性研究主要体现在三个方面： （1）乐器共鸣板用木材的声学特性研究：主要研究乐器共鸣板用木材的声振动特性、选取与改性等内容。 （2）基于声学特性的木质材料无损检测研究：主要是研究应用声学的方法实现对木质材料的力学性能、内部缺陷等的检测。 （3）建筑中的木质材料声学特性研究：主要研究作为建筑用木材的空间声学特性及用木质材料装饰后的室内声学效果。 二、木材的振动特性及应用 木材和其它具有弹性的材料一样, 在冲击力或周期性外力的作用下能产生和传播振动, 这种对外力振动的反应是木材产生声音效果的源泉。振动的木材表面将激发周围的空气, 以空气为媒介, 将振动以波的形式传入人耳。 声学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, 并将弦振动的振幅扩大并美化其音色向空间辐射声能。振动的木材及其制品所辐射的声能, 按其基本频率的高低, 产生不同的音调; 按其振幅的大小, 产生不同的响度; 按其共振频谱特性, 即谐音(泛音) 的多寡及各谐音的相对强度, 产生不同的音色。 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。物体的固有频率与它的几何形状、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。 2.1 木材的振动特性 2.1.1木材的三种基本振动方式与共振频率 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。 （1）纵向振动 纵向振动是振动质点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(如图a)。 长度方向的声速 ： 基本共振频率fr： 木棒长度为L，密度为ρ,弹性模量为E。 木材的纵向振动，除了在基本共振频率fr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。 (2)横向振动 横向振动：振动质点位移方向和引起的应力方向互相垂直的运动(如图b1，b2)（木结构和乐器上使用）。 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的多。横向共振频率的影响因素：木材试样的几何形状、尺寸和声速，木材的固定（振动运动受到抑制）的方式有关。 矩形试件的共振频率 L为试件长度（m）；h为试件厚度（m）；v为试件传声速度（长度方向）（m/s）； 为与试件边界条件有关的常数。 （3）扭转振动 扭转振动：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（如图c） 。 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。试件基本共振频率fr取决于该外加质量的惯性矩I、试件的尺寸和刚性模量G。 式中：r为圆截面试件的半径；L为试件的长度。 2.1 木材的振动特性 2.1.2木材的声辐射性能和内摩擦衰减 木材声辐射品质常数、木材的(内摩擦)对数衰减率(或损耗角正切)和声阻抗等声学性质参数。 木材振动所消耗的能量是用于声能辐射的能量分量和消耗内摩擦的能量分量的组合。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率越高。 （1）声辐射阻尼系数R（又称声辐射品质常数）：木材及其制品的声幅射能力，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。 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。 （2）对数衰减率 木材因为摩擦损耗所引起的能量损耗用对数衰减率 表示。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，其中两个连续振动周期振幅值之比的自然对数，为 。 Tan 随树种间的气干密度的增加有增加的倾向, 在三轴方向其大小的顺序是纤维方向 半径方向 切线方向。 针叶树材的对数