炭化处理对杨木声学振动特性的影响

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1、炭化处理对杨木声学振动特性的影响炭化处理对杨木声学振动特性的影响声学品质好的木材具有优良的声共振性和振动频谱特性，可以借助冲击作用通过本身的振动将声能辐射，从而发出的乐音具有优美的音色[1]。木材振动所辐射的声能，其音色受共振频率（谐音的多寡和各谐音的相对强度）影响，其音调受基本频率的高低影响，其响度受振幅大小影响，这种特性是木材能够广泛用于乐器音板的重要依据。木材的声学性能主要受其物理、构造特征、化学属性影响，前人对木材物理、宏微观构造特征对声学性能影响方面开展了大量的研究，但目前尚少见到炭化木在乐

2、器共鸣板方面的应用以及炭化木声学振动性能方面研究的报道。　　炭化处理不仅使木材产生物理方面的变化，而且化学属性改变也是密不可分[2]。在物理性质方面，接触角增大，疏水性增强，产生应力松弛；吸湿性降低，尺寸稳定性提高，不易变形，耐气候性显著提高[3-4]。在化学性质上，因为腐朽菌主要通过分解降解酶从而分解木材的纤维素、木质素、半纤维素，使木材结构被破坏。半纤维素发生降解反应，纤维素结晶度增加等热处理过程中，木材中的半纤维素先降解，随着温度升高大分子链断裂产生了自由基，这些新产生的基团和分子作为木材的保护

3、剂，使得木材的耐腐性能提高[5]。而且炭化木颜色美观、耐久，内外一致，且可以模拟名贵树种颜色[6]。炭化处理过程不添加任何化学物质为纯物理技术，在木材热处理过程中只涉及到温度和水蒸气，具有环保性，是环境友好型材料[7]。从而炭化处理在一定程度上改变木材的材性，颜色加深、尺度稳定性增加、力学强度提高28%以及声学性能发生变化等[8-10]。炭化处理后仅有少量的变形：外围管胞的直径变化比较明显，只有个别木材在木射线方向上的宽度有变化[11]。当前，利用炭化木的这些特点，炭化处理工艺应用于生产地热地板[12

4、]，也可以生产木醋酸[13]。但针对木材进行炭化处理后的声学振动性能的变化规律的研究尚少开展。　　本文以白杨木木材为研究对象，采用170、190、210℃的超高温热处理工艺（超高温热处理木材工艺是指木材热处理温度大于150℃的木材性能改良技术，也称作炭化处理）利用傅立叶变换频振动频谱分析仪分析木材炭化前后声学性能指标的变化，展开炭化工艺对木材声学性能影响的讨论与研究，以期可以拓展木材炭化技术的使用范围。　　1试验材料与方法　　1.1试样材料　　选择规格为长度（L）300mm宽度（R）100mm厚度（T

5、）=300mm100mm30mm的白杨木树种（PopulustomentosaCarr）试件45块，试件含水率为12%，试件无开裂无结疤并且无虫蛀。在室温下（温度20℃，湿度60%）精确测量试件长度、宽度、厚度，并称重算出密度。　　1.2试验方法　　（1）炭化工艺。首先将烘箱预热至80℃，将标准规格的杨木放入烘箱中。以1℃/min的升温速度加热烘箱使温度达到要求的炭化温度（170、190、210℃），以防止木材因升温速度过快产生应力而变形。达到预定的炭化温度后进行保温，保温时间分别为2、3、4h。保温

6、时间终了关闭加热源，待试件在烘箱中自然冷却至100℃再取出。当烘箱温度自120℃以上时，通入氮气（N2）作本文由.L.收集整理为试件的保护气体。实验分组见表1。（2）木材声学性质测定：基于梁的振动理论，采用两端自由的边界条件，用快速傅立叶变换频振动频谱分析仪（FFT）测定炭化处理前后的木材各项声学性能[14]。测试原理示意如图1所示。　　变化率=炭化后的数值-炭化前的数值炭化前的数值100%。（1）　　从图1可以看出在试样波节点处用弹力三角架将试件水平支起，用小锤片敲击试件的一端或中心部，试件另一端下

7、方放置的信号接收装置，接收装置将接收到的信号通过前置放大镜、滤波器后，由FFT分析处理得到共振频率；再经计算得到弹性模量、剪切模量、声阻抗、声辐射强度等声学振动性能参数。并通过公式（1）计算炭化前后各项振动参数的变化率。　　2结果与分析　　2.1炭化处理对密度的影响　　经炭化处理后，木材密度的变化规律及不同工艺条件对密度影响的比较如图2所示。　　从图2可以看出，经炭化处理后，杨木密度均有所降低，降低率在3.48%～8.39%范围；从变化率上看，随着炭化温度的提高，密度的降低率逐步提高，即杨木密度随着炭

8、化温度的增加而降低的程度越大。结合炭化温度及保温时间两个因素，当保温时间越长、炭化处理温度越高时，密度下降越多，炭化温度为210℃、保温时间为4h的条件下，试件密度降低率最大，其数值从0.465g/cm3降到0.426g/cm3，降低率为8.39%；炭化温度为170℃、保温时间为2h的条件下，试样密度下降最少，从0.431g/cm3变化到0.416g/cm3，下降了3.48%。　　比较不同保温时间对试件密度的影响可以看出，经170℃保温时间条件下进行炭化