В чем заключается резонансная способность древесины
Звуковые свойства древесины
Способность древесины резонировать, т. е. усиливать звук без искажения топа, имеет очень важное значение в музыкальной промышленности при изготовлении дек музыкальных инструментов. Энергия, передаваемая деке струной, отчасти расходуется на трение внутри деки и по краям ее закрепления, отчасти излучается в виде звуковой энергии в окружающее пространство; эта последняя является полезной частью энергии. Для наибольшей отдачи энергии воздуху потери на внутреннее трение должны быть наименьшими, а излучение наибольшим. Комплекс акустических свойств древесины, определяющих возможность ее использования в качестве материала для изготовления дек музыкальных инструментов, характеризуется показателем:
где К — акустическая константа. Этот показатель характеризует главным образом способность материала к звуковому излучению, поэтому его называют константой излучен и я, или акустической константой. Для определения этой константы устанавливают величину динамического модуля упругости (или статического модуля, который меньше примерно на 4%) и плотность древесины. В табл. 31 приведены значения акустической константы для древесины некоторых пород.
Эти данные показывают, что для изготовления дек музыкальных инструментов наиболее пригодна древесина ели, кавказской пихты и сибирского кедра, как обладающая наивысшей константой излучения; эти породы и включены в ГОСТ на заготовку резонансной древесины. Оптимальная ширина годичных слоев в резонансной древесине ели лежит в пределах 1—4 мм, оптимальная величина содержания поздней древесины в пределах 5—20%; резонансная древесина должна быть равнослойной (колебания в числе годичных слоев на двух соседних сантиметрах не должны превышать 30%). Между заболонью и спелой древесиной ели в акустическом отношении разницы нет. Крень снижает константу излучения вследствие повышения плотности и снижения модуля упругости, наклон волокон также отрицательно влияет на константу излучения (снижение на 6% при наклоне волокон 7 %; причина — уменьшение модуля упругости).
Таблица 31. Акустические константы древесины некоторых пород.
Резонансная древесина
Древесина, которая находит применение в производстве дек для музыкальных инструментов, получила название резонансной, что на французском языке звучит как resonance, а на латинском – resono и переводится «звучу в ответ». Это связано с ее акустической отзывчивостью в пределах широкого диапазона частот, что придает музыкальному звучанию особый тембр, который характерен именно для этого материала.
Проблемы в выборе такой древесины, как резонансная
Для производства музыкальных инструментов подходит не любое дерево. Даже в пределах одной породы могут встречаться как деревья обычные, так и обладающие резонансной древесиной.
Кроме этого, до настоящего времени не существует технических средств и способов, позволяющих проводить объективную экспресс-диагностику древесины прямо на корню в качестве потенциального резонансного сырья. Также наблюдается недостаток в квалифицированных специалистах и вложений в отрасль, которая занимается производством музыкальных инструментов.
Факторы, влияющие на такие свойства древесины, как акустические
Обладает ли дерево резонансными свойствами или нет определяется генетической предрасположенностью. На акустические свойства оказывают влияние такие показатели, как:
порода дерева;
условия произрастания;
внутреннее строение;
физические характеристики.
Качество подобной древесины также зависит от таких технологических факторов, как место и время заготовки, режим сушки и хранения, условия транспортировки.
Выбор породы дерева
Наилучшим материалом, который находит применение в изготовлении дек, считается древесина березы и ели, а также клена, сосны, кедра сибирского и пихты кавказской. Наилучшие акустические особенности свойственны для ели, которая и имеет наиболее широкое применение. Это порода дерева, если сравнить ее с кедром, после усыхания улучшает свое звучание.
Учет условий произрастания
Резонансные деревья обычно произрастают в высоковозрастных насаждениях, возраст которых составляет более, чем 150 лет. Они предпочитают северные склоны гор и каменистые бедные почвы. Однако, в настоящее время установлено, что подобный материал можно найти в лесах, произрастающих на равнине и на почвах с избыточным увлажнением.
Диагностика резонансной древесины: косвенные способы
При косвенном способе диагностики используются следующие показатели:
внешний вид и состояние дерева;
цвет и структура коры;
макроструктура;
микроструктура.
Цвет и структура коры
Существуют разные мнения по поводу цвета коры. Одни мастера выбирают древесину более светлых тонов или практически белую, а другие используют древесину желтого цвета.
По поводу структуры коры резонансной ели также нет единого мнения. Согласно данным ученых В.О. Александрова и С.Н. Багаева, которые занимались отбором резонансной ели по фенотипу, то лучше выбирать формы с гладкой корой. Другой отечественный исследователь Н.А. Санкин считает, что предпочтительными являются чешуекорые ели, так как они имеют наибольшую генетическую пластичность. Румынские мастера отмечают, что кора должна состоять из округлых и вогнутых чешуек. Во Франции считается, что чешуйки должны быть небольшими и гладкими.
Макроструктура
Основным критерием при отборе резонансной древесины, который входит в стандарты разных государств, являются годичные кольца, характерными особенностями которых являются:
ширина;
равнослойность;
наличие в их составе поздней древесины.
Древесина, имеющая широкие слои, придает звучанию музыкального инструмента приглушенность, а узкие – жесткость. Что касается ширины годичных колец, то оптимальным параметром будет считаться предел от 1 до 4 мм. Древесина поздняя в составе годичных колец должна составлять 30%.
Выделяют определенные сорта резонансной древесины ели в зависимости от макроструктуры на радиальном срезе.
Струистая, для которой характерны прямые годичные слои с небольшим волнообразным сдвигом древесных волокон. Подобная древесина является эластичной и дает чистые тона. Она представляет наибольшую ценность при изготовлении дек.
Пламенистая, которая имеет красивый узор и ее структура похожа на язычки пламени.
Краснослойная, для которой характерен красный цвет поздней зоны годичного кольца. Она имеет наибольшую плотность, но ее ценность меньше, чем у двух первых сортов.
Микроструктура
При рассмотрении анатомического строения подобной древесины учитывается значение взаимопроницаемости систем клеток, которые находятся поперек и вдоль оси ствола, это соответственно сердцевинные лучи и трахеиды. Важным показателем считается наличие большого количества проницаемых пор по форме напоминающих двоеточие. Особенно это касается ранних трахеид. Именно по ним звуковые волны распространяются по всей толщине доски, проходя в поперечном и продольном направлениях.
Другие показатели
Качественную резонансную древесину можно определить по блеску. Ель, произрастающая на севере России, которая имеет шелковистый и нежный блеск, а также с хорошо проявляющимися тонкими слоями, придает звучанию серебристость и нежность. Немецкие мастера отдают предпочтение древесине с крупными и резкими блестками.
В некоторых ситуациях в качестве диагностического показателя применяется запах древесины, по которому определяется ее смолистость. Установлено, что смолистые вещества оказывают негативное воздействие на такие свойства древесины, как акустические.
Диагностика резонансной древесины: прямые способы
Для этих целей измеряются следующие показатели древесины:
плотность;
модуль упругости;
скорость звука;
амплитуда колебаний;
величина потери энергии, происходящей на внутреннее трение.
Полученные результаты измерений используются для расчета акустических свойств древесины. На следующем этапе проводится определение пригодности сырья для производства музыкальных инструментов.
Для чего используется резонансная древесина
Применение резонансной древесины
На сегодняшний день резонансные породы древесины являются уникальным натуральным сырьем, которое очень дорого стоит.
Российские производители музыкальных инструментов начали поиски резонансной древесины в русских лесах еще в начале 20 века. В результате исследований было выяснено, что отечественное сырье по своим акустическим характеристикам и качеству ничем не уступает заграничным деревьям. Самые лучшие физико-механические свойства показала ель из северных районов, обладающая малыми годовыми слоями, которые и обеспечивают ей высокий модуль резонансной упругости.
Признаки хорошей резонансной древесины
Самая качественная резонансная древесина формируется в суровых (например, горных) климатических условиях, а также в густых насаждениях. Согласно утверждениям мастеров, изготавливающих музыкальные инструменты, хорошая резонансная ель должна быть полностью вертикальной, обладать узкой, симметричной и островерхой кроной, 5-6-метровой зоной без сучков и стволом с цилиндрической поверхностью.
Некоторые французские мастера считают, что кора резонансной ели должна быть серой и состоять из гладких маленьких чешуек.
Кроме этого, в число внешних признаков резонансной ели входит отсутствие смоляных карманов, сучков и других пороков. Обычно резонансная древесина имеет белый цвет с легкой желтизной, которая с течением времени усиливается на открытом воздухе. Также она должна хорошо строгаться и циклеваться по слою, а ее срез получается глянцевым и чистым. Отшлифованная резонансная древесина обладает бархатистой поверхностью с легким матовым отблеском.
Существует всего три ее сорта: струистая, пламенистая и краснослойная резонансная древесина. Струистая выражается слегка волнообразным сдвигом древесных волокон, пламенистая имеет красивый узорчатый вид и похожа на язычки огня, а краснослойная отличается красным цветом.
Звуковые свойства древесины
ЗВУКОВЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
К основным показателям звуковых свойств древесины относятся скорость распространения звука, акустическое сопротивление, звукоизоляционная, звукопоглощающая и резонансная способности.
Как известно из физики, звук представляет собой волнообразно распространяющиеся в упругих средах механические колебания. Причем органы слуха человека улавливают эти колебания с частотой в пределах от 17 до 2000 Гц (1 Гп — одно колебание в секунду). При частоте меньше нижнего из указанных пределов колебания называют инфразвуковыми, а при частоте выше верхнего предела — ультразвуковыми.
Свойство материала пропускать через себя звук называют звукопроводностью. Способность древесины проводить через себя звук оценивается скоростью распространения звука.
Таким образом, скорость распространения звука у каждой древесной породы будет зависеть от соотношения показателей ее упругих свойств и плотности. В частности, звукопроводность комнатно-сухой древесины в продольном направлении составляет (м/с): для сосны — 5360, лиственницы — 4930, ели — 5630, дуба — 4720, березы — 5530; в среднем для древесины можно принять 5000 м/с. Для сравнения скорость распространения звука у других материалов и веществ составляет (м/с): в железе — 5100, свинце — 1200, воде — 1450, каучуке — 30, воздухе — 340.
Скорость распространения звука в древесине поперек волокон в связи с меньшим модулем упругости в указанном направлении в 3—4 раза меньше, чем вдоль волокон, причем в радиальном направлении она несколько выше, чем в тангенциальном. С увеличением влажности древесины звукопроводность ее снижается, что связано с уменьшением жесткости древесины и повышением ее плотности.
Другим важным акустическим показателем, характеризующим звукопроводность древесины и ее способность отражать звук, является акустическое сопротивление.
При встрече звуковой волны с преградой (например, перегородкой из древесины) возникает звуковое давление на эту перегородку, интенсивность которого будет снижаться после ее прохождения. Таким образом, звукоизоляционная способность древесины может быть определена по разности звуковых давлений перед перегородкой и после нее. Величина звукового давления измеряется в относительных логарифмических единицах — децибелах (дБ). Звукоизолирующая способность древесины сравнительно невысока. Так, например, звукоизоляция сосновой перегородки толщиной 3 см составляет 12 дБ, в то время как согласно строительным нормам и правилам (СНиП) звукоизоляция стен должна быть не менее 40 дБ, т. е. в данном случае стена из древесины сосны должна иметь толщину не менее 10 см.
При прохождении звука через перегородку древесины часть его энергии теряется внутри древесины вследствие внутреннего трения. Это свойство материалов называется звукопоглощением. Для характеристики данного свойства используют коэффициент звукопоглощения, представляющий отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии, подводимой к материалу. Указанный коэффициент для перегородки из древесины сосны толщиной 19 мм, например, находится в пределах 0,081-0,110.
Резонансная способность древесины — это ее способность отражать и усиливать звук без искажения тона. Данное уникальное свойство древесины определило ее использование в качестве материала для изготовления музыкальных инструментов и, в частности, для важной их части — деки (излучателя звука и резонатора). Способность древесины к звуковому излучению оценивается акустической константой, которая рассчитывается по формуле
Наиболее высокая акустическая константа у древесины ели, пихты кавказской и кедра — примерно 12 м 4 /(кг-с).
Кроме высокой акустической константы, к резонансной древесине предъявляются также определенные требования по ее макроструктуре. Резонансная древесина должна быть равнослойной, не содержать пороков, ширина годичного слоя должна варьировать от 1 до 5 мм в зависимости от вида музыкального инструмента (например, для скрипок и альтов — 1—2 мм, виолончелей — 2—3 мм, контрабасов — 4—5 мм). Содержание поздней древесины в годичном слое должно быть не более 30 %, а для концертных роялей — не более 20 %.
Установлено, что наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной многолетней выдержки, у которой в результате старения уменьшается содержание наиболее гидрофильной части — гемицеллюлоз, что делает такую древесину более устойчивой к температурно-влажностным условиям внешней среды. Изготовленные из такой древесины музыкальные инструменты обладают большей стабильностью звуковых характеристик.
В чем заключается резонансная способность древесины
Основной проблемой в области производства пиломатериалов (ПМ), и резонансных в том числе, в настоящее время является создание методик оперативной оценки качества на всех стадиях жизненного цикла продукции, начиная с экспресс-диагностики резонансных свойств растущего подроста или зрелого дерева, далее контроля ПМ при выполнении технологических операций и в конечном итоге – оценки качества готовых изделий.
Обеспечение высокого качества изделий из резонансной древесины возможно только при отборе деревьев с наибольшими значениями модуля упругости, последующей оптимизацией раскроя, в зависимости от особенностей ствола дерева и уменьшением погрешностей размеров, формы и величины шероховатости поверхности.
Общеизвестно, что качество любой конечной продукции деревообработки во многом предопределяется природными свойствами исходного сырья – древесины, которая по своей природе намного сложнее, чем пластмасса, металлы и другие материалы, и, что особенно важно, непредсказуема вследствие высокой вариации ее физико-механических свойств.
В настоящее время более половины лесопильного оборудования на крупных предприятиях, созданных в 78–80 годы прошлого века, имеют физический износ и срочно нуждаются в капитальном ремонте. В трудной экономической ситуации на ближайшие годы остается единственный выход – это обеспечить техническую и технологическую культуру эксплуатации имеющегося оборудования для выпуска конкурентоспособной продукции. Многие виды станков и комплексов не исчерпали свои возможности, поэтому осуществление оперативного контроля за качеством ПМ позволит диагностировать состояние оборудования и выполнить оперативную переналадку его, что обеспечит спецификационные требования.
При изготовлении музыкальных инструментов наиболее значимыми являются «музыкальные» свойства древесины, поэтому для получения ПМ с заданными параметрами, обеспечивающими качество звука – необходимо наличие не только нормативных и технических документов, содержащих технические характеристики, но и методики оперативной проверки продукции и оборудования с материально-техническими средствами для обеспечения их полноты.
Исследования нормативных и технических источников на различные хвойные сортименты: круглые лесоматериалы – ГОСТ 9463, ПМ – ГОСТ 8486 и заготовки – ТУ 205 РСФСР 08.866-89 показали, что практически отсутствуют четко нормированные значения резонансных свойств, а следовательно, и методики их определения (табл. 1). Документы содержат в основном размерно-качественные показатели и не предусматривают оценку по дендроакустическим свойствам.
Объекты стандартизации резонансной древесины
Наличие методов контроля
ГОСТ 9463-88 «Лесоматериалы пиленые хвойных пород. Технические условия»
ель, пихта европейская и кавказская, кедр (допускается по соглашению сторон)
толщина – 28,0 см и более, длина – 3,0–6,5 м градацией 0,5 м
ширина годичных слоев не должна превышать 4 мм, ширина поздней древесины в них должна быть не более 30 %
ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия»
(в последней редакции 1986 г. резонансные требования не включены)
ТУ 205 РСФСР 08.866-89 «Заготовки деревянные резонансные для музыкальных инструментов»
Анализируя размерно-качественные показатели ПМ, в частности отклонения от прямолинейности (называемые – кривизна, покоробленность, крыловатость и т.д.), характеризуемые величиной стрелы прогиба (СП), было выявлено, что имеющаяся нормативная документация, в частности ГОСТ 10294 и ГОСТ 2140, имеет ряд существенных недостатков [2]. В частности, в ГОСТ 10294 установлено ограничение по длине исследуемых ПМ и поверочной линейки, имеется большая трудоемкость измерений при помощи щупов, ограничено число точек контроля, а ГОСТ 2140, выделяя виды покоробленностей, не содержит методики их измерения. Поэтому данные стандарты требуют пересмотра и введения новых методов оперативной оценки качества ПМ с таким условием, чтобы по полученным результатам было возможно осуществить диагностирование состояния оборудования [1].
Для решения ряда проблемных вопросов в области установления требований к параметрам, методикам контроля и оценки качества резонансных ПМ на основе выполненного анализа нормативной и технической документации следует:
1) предложить способ оперативной оценки резонансных свойств подроста для предварительного диагностирования акустических характеристик;
2) разработать новые оперативные способы оценки отклонения от прямолинейности не только для определения сортности ПМ, но и последующего диагностирования состояния оборудования.
Для оценки резонансных свойств древесины во всем мире принят коэффициент акустической константы излучения звука, предложенный академиком Н.Н. Андреевым [7]. Установлено, что пороговым значением для резонансного лесоматериала является коэффициент К ≥ 12,0 М4 кг∙с, полученный на основе акустических измерений в продольном направлении, а в поперечном – он почти в 3 раза меньше. К сожалению, данный показатель в настоящее время не нашел отражения в действующих нормативных документах, содержащих требования на резонансную древесину.
Для оценки технических свойств структурного ПМ в мире широкое применение нашли неразрушающие акустические методы. «Классическим», хотя и не стандартизированным, можно считать ультразвуковой метод, сущность которого заключается в измерении времени прохождения звуковой волны t вдоль образца длиной l на приборе типа УК-14П. Его недостатком является отсутствие возможности определить дендроакустические свойства древесины в стадии подроста. Практическое применение нашел также резонансный метод, по которому проводили исследования ученые Никишов В.Д., Пищик И.И., Макарьева Т.А. и др.[7].
Особый интерес вызывает метод определения дендроакустических показателей резонансным методом на поперечно–радиальных кернах, предложенный Федюковым В.И. и применяемый для диагностики взрослых, точнее технически зрелых деревьев [7]. Отсутствие же методики оценки свойств молодняка на основе использования методов «кернов» послужило основой для разработки нового способа диагностики резонансных свойств древесины на корню в стадии подроста.
Суть предлагаемого способа заключается в выявлении резонансных свойств древесины в стадии подроста путем проведения дендроакустические исследований по определению динамического модуля упругости образцов по частоте собственных изгибных колебаний образцов, отобранных с боковых ветвей ели на высоте 1,3 метра [8]. Главным отличием данного способа является то, что проведение дендроакустических исследований возможно на образцах с малым неодинаковым диаметром слабоодревесневших образцов.
Для практической реализации предлагаемого способа на базе Лаборатории квалиметрии древесного сырья ПГТУ была разработана установка «Резонанс-4» [3], предназначенная для определения собственных частот колебаний образцов в виде черенков, отобранных и откалиброванных с целью дальнейшего расчёта акустических и упруго-вязких характеристик материалов: динамического модуля упругости Юнга и величины акустической константы материала.
Определение резонансных свойств древесины по новому способу с учетом параметров изгибных колебаний консольного образца выполнено по формулам (1) и (2):
Акустическая константа определяется по формуле:
[м4/кг·с]. (2)
Результаты проведенных экспериментальных исследований на образцах, отобранных от елей резонансной и обычной, по предложенному способу представлены в табл. 2.
Установлено, что среднее арифметическое значение модуля упругости резонансной и обычной елей имеют незначительную разницу. Полученное среднее значение плотности обычных образцов намного выше плотности древесины резонансной ели, за счет этого средняя акустическая константа последней в стадии подроста в 2 раза выше. Причиной высоких показателей вариации является то, что образцы для испытаний были взяты с разных деревьев, следовательно, необходимо проведение повторных исследований и доработка методики отбора и подготовки образцов.
Для установления и сравнения числовых значений резонансных свойств древесины в стадии подроста следует провести исследования по определению корреляционной зависимости технических показателей стволовой части древесины дерева с боковыми побегами. Чистоту эксперимента обеспечит проведение исследований на созданной архивно-маточной плантации ПГТУ с использованием образцов резонансной ели, имеющей ранее установленные свойства по «методу керна».
Лесоматериалы с установленными резонансными свойствами целесообразно раскраивать по индивидуальным картам раскроя, для получения оптимального выхода. При последующей обработке ПМ следует обратить особое внимание на дефекты обработки (покоробленность и крыловатость), которые зачастую усугубляются наличием внутренних напряжений в древесине и состоянием производственного оборудования. На основе анализа нормативных документов по измерению отклонения от прямолинейности выполнен ряд исследований и в целях совершенствования стандартных методик измерения разработаны патентоспособные методики оценки, позволяющие оперативно оценить СП, характеризующую сортность ПМ [4, 5, 6], при этом следует учесть, что резонансные ПМ, как и круглые ЛМ, должны быть только 1 сорта (табл. 3).
Статистические данные по определению резонансных свойств древесины ели