Влияние некоторых факторов на акустические свойства древесины Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ НА АКУСТИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Н. БЪРДАРОВ, доц. каф. механической технологии древесины Лесотехнического университета , г. София, Болгария

niki_bardarov@abv. bg

Акустические свойства древесных материалов проявляются при воздействии механических волновых колебаний. Древесина уникальна тем, что характеризуется одновременно как высокими упругими свойствами, так и высоким затуханием. Упругие свойства древесины зависят от наличия в ней клеточных стенок, в то время как затухание зависит от полостей клеток. Вот почему эти свойства находятся в сильной зависимости от ее строения. Древесину, имеющую хорошие акустические свойства и применяемую в производстве музыкальных инструментов, принято называть резонансной. Важное знчение

Рис. 1. Схема устройства для определения акустических свойств древесины резонансным методом: 1- генератор звуковой частоты , 2 - преобразователь, 3 - зажимное устройство, 4 - образец, 5 - приемник, 6 - милливольтметр, 7 - измеритель частоты, 8 - ферромагнитные пластинки

Рис. 2. Определение резонансной и поддерживающих частот колебаний

имеет соотношение между поверхностными и объемными волнами. Это соотношение изменяется очень сильно при лакировании древесины.

Резонансный метод исследования акустических свойств древесины позволяет испытывать образцы с длинами, приближающими их к деталям музыкальных инструментов. Кроме того он позволяет испытывать образцы до и после лакирования. При определении акустических свойств образцы очень сильно резонируют, т.е. амплитуда колебаний становится максимальной в диапазоне частот 4300-4500 Гц.

Исследуемая древесина ели была раскроена на образцы с размерами (r, t, l) -15х15х600 мм. Все они сохранялись в закрытом и отапливаемом помещении в течении 10 лет. Масса пробных тел была определена с точностью до 0,01 кг, а размеры поперечного сечения - с точностью до 0,1 мм [1]. Были изготовлены образцы для трех размерных групп с поперечным сечением: 15x15, 10x10 и 5x5 мм. Образцы, кроме контрольных, были покрыты однокомпонентным полиуретановым лаком.

Образцы были распределены на 3 группы в зависимости от их плотности: первая группа - с плотностью от 350 до 400 кг/ м3, вторая - от 401 до450 кг/м3 и третья от 451 до 500 кг/м3. Распределение по группам имело цель - сравнение показателй акустичсеких свойств, поскольку ранее было показано, что эти показатели выше у дреевсины с большей плотностью [2].

Акустические свойства определены с помощью аппаратуры резонансным методом (рис. 1). Испытания проводились путем возбуждения в образце продольных колебаний электромагнитным способом. Поскольку древесина относится к диамагнетикам, на торцы образца наклеивали ферромагнитные

112

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

пластинки. Образец захватывается посредине длины, поскольку там амплитуда колебаний равна нулю. Генератор (1) возбуждает электромагнитные колебания в диапазоне от 1 до 10 кГц. Эти колебания передаются образцу

(4) через преобразователь (2) и ферромагнитную пластинку (8) . Механические колебания образца с ферромагнитной пластинкой (8) преобразуются приемником (5), в электрические сигналы, напряжения и частота которых измеряются милливольтметром (6) и частотометром (7).

Так измеряли амплитуды А и частоты f , необходимые для построения резонансной кривой (рис. 2).

Были определены плотность образцов (р, кг/м3), размеры поперечного сечения и количество лака. Были исследованы показатели резонансной частоты (f, Гц) и амплитуды колебаний (А0, мВ). Кроме того, наблюдались и поддерживающие частоты (f, Гц, /’, Гц) и их амплитуды (А’=А”=А0/2, мВ). Исследованные частоты колебания f0 были измерены с точностью до 50 Гц. Амплитуда колебания А0, и А0/2 была измерена с точностью до 1 деления.

На основании полученных данных были вычислены скорость звука (v, м/с), динамический модуль упругости (E, ГПа) и акустическая константа (К, м4/(кг-с)). Вычисленная скорость звука определялась с точностью до 1 м/с. Динамический модуль упругости Е определялся с точностью 0, 1 Н/мм2, акустическая константа К определялась с точностью 0, 1 мУ(кгс) [5].

Влияние лакирования на резонансную частоту f образцов показано на рис. 3. Кроме того, здесь отражено и влияние поперечных размеров образцов. Первые три столбца диаграммы относятся к натуральной древесине, т.е. нелакированным образцам. Можно видеть, что чем меньше размеры поперечного сечения образцов, тем меньше резонансная частота.

Резонансная частота снижается примерно на 850 Гц. Дело в том, что при уменьшении размеров сечения увеличивается плотность образцов, т.к. в процессе изготовления образцов меньших размеров, вероятно, отде-

ляется в основном более рыхлая, ранняя древесина.

В наших исследованиях было показано, что нанесение каждого слоя лака также повышает плотность образцов. Следовательно, можно было ожидать снижения резонансной частоты при увеличении количества слоев лака [1, 2].

Однако у образцов первой размерной группы (поперечное сечение 15x15 мм) она немного превышает 4500 Гц и при лакировании изменяется незначительно. Уменьшение не достигало 100 Гц для образцов с трехслойным покрытием лаком. У образцов второй группы (с размерами 10x10 мм) уменьшение резонансной частоты более заметно. Наибольшее снижение наблюдается у образцов третьей группы (сечение 5x5 мм). Совместное влияние уменьшения сечения образцов и увеличения количества нанесенного лака приводит к тому, что разница между резонансными частотами образцов первой и третьей размерной группы у образцов с трехслойным лаковым покрытием почти вдвое больше, чем у нелакированных образцов. Это можно объяснить процентным соотношением массы лака к общей массе образцов. Так, например, у первой группы нанесение лака в три слоя повысило общую массу на 6,3 %, а уменьшение резонансной частоты составило 83 Гц. У второй группы нанесение одного слоя лака изменило массу пробных тел на 9,2 %, а уменьшение составило 120 Гц. Аналогичные результаты были получены в исследовании деки [3]. Точное определение этого влияния можно проверить экспериментально в диапазоне поперечного сечения от 15x15 мм до 10Ч10 мм.

На динамический модуль упругости Е натуральной древесины переход от образцов

1-й группы к образцам 2-ой группы не оказывает существенного влияния. Однако при переходе к образцам 3-ей группы величина Е резко уменьшается (примерно с 12,5 до 9 ГПа). Наблюдается слабая тенденция к повы-шеннию Е при увеличении количества слоев лака у образцов 2-ой группы. У образцов 3-ей группы этот показатель при лакировании практически не изменяется.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

113

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

я 5000

1-4

£ 4500

8

Ы 4000 -I 3500-

о И

СЗ

и о

£ 2500

3000

Я

■

■ |>

1 и

Нелакир 1 слой лак 2 слоя лак 2 слоя лак Тип образца

■ 15х15 мм ■ 10х10 мм □ 5х5 мм

Рис. 3. Зависимости резонансной частоты от размеров образцов и количества слоев лака

15

Нелакир 1 слой лак 2 слоя лак 2 слоя лак Тип образца

■ 15х15 мм ■ 10х10 мм □ 5х5 мм

Рис. 4. Зависимости акустической константы от размеров образцов и количества слоев лака

15,0-1 Е 14,0- cd и 13,02 е 12,°-I и,о-10,0

1 1 i i

Нелакир 1 слой лак 2 слоя лак 2 слоя лак Тип образца

■ 1 гр. плотности ■ 2 гр. плотности □ 3 гр. плотности

14

о

(D

Н

О

5?

<с

913-

#12-

11

10-J

н

к

§

М

8-\

7-Р

Нелакир 1 слой лак 2 слоя лак 2 слоя лак Тип образца

■ 1 гр. плотности ■ 2 гр. плотности □ 3 гр. плотности

Рис. 5. Зависимости динамического модуля упругости от плотности образцов с размерами сечения 15^15 мм

Рис. 6. Зависимости акустической константы образцов с размером сечения 10х10 мм от плотности и количества слоев лака

Влияние лакирования и размеров образцов на акустическую константу отражено на рис. 4. Первые три столбца диаграммы относятся к натуральной древесине, т.е. нелакированным образцам. Можно видеть, что уменьшение размеров образцов приводит к снижению величины акустической константы.

Это согласуется с рис. 3, где также у натуральной древесины показано снижение резонансной частоты, вызывающее падение скорости звука и, следовательно, акустической константы К.

Лакирование образцов снижает акустическую константу. Можно заметить, что нанесение одного слоя лака на образцы первой группы оказывает влияние меньше, чем однослойное лакирование образцов третьей группы.

Увеличение количества слоев лака у образцов всех трех групп приводит к сущес-

твенному умеьшению акустической константы. При этом разница в значениях К образцов первой и третьей размерных групп, наблюдаемая у натуральной древесины, сравнительно мало изменяется. Таким образом, в представленных зависимостях акустических констант от количества слоев нанесенного лака основную роль играет так называемый масштабный фактор.

Влияние плотности древесины

Влияние плотности на резонансную частоту f зависит от размеров образцов. Как уже было показано, уменьшение поперечного сечения образцов приводит к увеличению их плотности. Следовательно, при анализе влияния плотности на резонансную частоту и другие показатели акустических свойств приходится учитывать масштабный фактор.

При общей явно выраженной тенденции к снижению f с увеличением плотности

114

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

р у каждой размерной группы образцов были обнаружены свои особенности.

Исследование резонансной частоты образцов с размерами 15x15 мм, первая группа (с плотностью от 350 до 400 кг/м3) показывает, что их средняя частота является самой низкой, в то время как у второй группы (от 401 до 450 кг/м3) она самая высокая (рис. 5). У образцов с размерами 10x10 мм распределение более упорядочено, при этом самая низкая величина наблюдается у первой группы, а самая высокая - у третьей (от 451 до 500 кг/м3).

Влияние плотности на динамический модуль упругости (модуль Юнга Е) показано на рис. 5. Здесь представлены результаты, относящиеся к образцам с размерами 15x15 мм. Можно видеть значительное и примерно одинаковое увеличение динамического модуля упругости Е у образцов натуральной древесины и лакированных образцов с повышением плотности. Подобные зависимости наблюдаются и у остальных образцов.

Влияние плотности на на акустическую константу К отражено на рис.6.

Полученные данные о динамическом модуле упругости испытанных образцов позволяют провести анализ влияния плотности на К. У нелакированной, натуральной древесины, как и следовало ожидать, увеличение плотности образцов вызвало падение К. На рис. 6 показаны акустические константы для образцов 2-ой размерной группы. Можно видеть, что лакирование образцов приводит к равномерному снижению К с увеличением количества нанесенных слоев. Наблюдавшийся у натуральной древесины перепад акустической константы К при изменении средней плотности в диапазоне 375-475 кг/м3 составил примерно 17 % от исходной величины К= 13,2 м4/(кг-с).

Перепад К практически не изменился у образцов с одно-, двух- и трехслойным лаковым покрытием. Однако совместное влияние двух факторов: увеличение количества слоев и повышение плотности образцов - вызвало синергетический эффект. Перепад К у наиболее плотных образцов с трехслойным

лаковым покрытием оказался примерно вдвое больше, чем у натуральной древесины.

Проведенный нами анализ влияния лакового покрытия и размеров поперечного сечения образцов на акустические свойства древесины ели позволяет сделать следующие выводы.

- Снижение резонансной частоты при уменьшении размеров поперечного сечения образцов, вероятно, связано с уменьшением доли ранней древесины.

- Увеличение отношения массы лака к общей массе образцов снижает скорость звука.

- Разность между показателями акустических свойств нелакированных и покрытых одним слоем лака меньше, чем между показателями образцов с однослойным и двухслойным лаковым покрытием.

- Образцы с размерами поперечного сечения 5х5 мм реагируют менее адекватно на изменение исследуемых факторов.

- Для более точного определения влияния лакового покрытия на акустические свойства древесины лучше использовать образцы с размерами поперечного сечения в диапазоне от 8x8 до 16x16 мм.

Библиографический список

1. Блъскова, Г. Изследване на акустичните свойства при надлъжни и напречни вълни в смърчова дър-весина / Г. Блъскова, Н. Тричков, Н. Бърдаров и др. // Сб. науч. трудов международной конференции «50 лет университету леса». - София: ЛТУ 2000.

- С. 104-108.

2. Бърдаров, Н. Изучение влияния лака на акустические свойства древесины / Н. Бърдаров, Н. Тричков, А. Сиракова // Сб науч. трудов «Инновации в лесной промышленности и инженерного проектирования». - София: ЛТУ, 2010. - С. 104-108.

3. Бърдаров, Н., Наков Ал. Изследване на влиянието на ребрата върху акустичните свойства на декове за китари / Н. Бърдаров, Ал. Наков // Сб. науч. трудов «Инновации в лесной промышленности и инженерного проектирования» - София: ЛТУ, 2011.

- С. 93-97.

4. Федюков, В.И. Ель резонансная: отбор на корню, выращивание, сертификация: научное издание / В.И. Федюков. - Йошкар-ола: МарГТУ, 1998. -204 с.

5. Bucur V Acoustics of wood ISBN TA420.B9 by CRC Press Inc, 1995.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2013

115