Физические свойства древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Звукопроводность

Звукопроницаемость

Резонансная способность древесины

Затухающие колебания

Список используемой литературы

Введение

Звук, как известно, представляет собой механические волновые колебания, распространяющихся в упругих средах. Звуковые (акустические) волны с частотами от 16 Гц до 20 Гц (границы условны и для различных людей разные) распространяются в среде и воспринимаются органом слуха человека. В жидкости или в газах это продольные волны, т. к. данные среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям растяжения-сжатия, а в твёрдых телах возможны и деформации сдвига, поэтому волны могут быть как продольными, так и поперечными.

Одними из важных свойств древесины являются звуковые свойства. А именно - способность древесины резонировать, иными словами усиливать звук без малейших искажений. Данное свойство имеет огромное значение в музыкальной промышленности, при изготовлении дек различных музыкальных инструментов. В музыкальных инструментах, которые изготовлены из такого материала как дерево, струнные колебания передаются деке, она же в свою очередь излучает данные колебания в воздух. Деки изготавливаются из особых сортов древесины, которая называется резонансной древесиной. Это такие сорта древесины как пихта, ель и кедр.

Звукопроводность

Звукопроводностью называется свойство материала пропускать звук сквозь свою толщу. Для древесины она характеризуется скоростью распространения звука С и определяется как и для изотропных твёрдых тел, по формуле

, (1)

где, Е - динамический модуль упругости древесины;

с - плотность древесины.

Скорость распространения звука зависит от плотности материала, например в стали звук распространяется со скоростью 5050 м/с, в свинце - 1200 м/с, в воздухе - 330 м/с, в каучуке - 30 м/с.

Коэффициент температуропроводности рассчитывают по формуле:

, (2)

где л - коэффициент теплопроводности;

с - удельная теплоёмкость древесины.

Из формулы (2) видно, что скорость звука увеличивается с уменьшением плотности древесины и увеличением жёсткости, т. е. модуля упругости. Скорость распространения звука в древесине зависит и от направления волокон. Вдоль волокон этот показатель в среднем равен 5000 м/с, поперёк волокон в радиальном направлении - 1995 м/с (в 3-4 раза меньше, чем вдоль волокон), в тангенциальном - 1500 м/с. Средние значения скорости звука вдоль волокон для комнатно - сухой древесины дуба составляют 4720 м/с, для ясеня - 4730 м/с, для сосны - 5360 м/с, для лиственницы - 4930 м/с.

Звукопроводность древесины вдоль волокон в 16 раз, а поперёк волокон - в 3-4 раза больше, чем воздуха. При устройстве деревянных полов, потолков, перегородок для улучшения звукоизоляции приходится применять звукоизолирующие материалы. Повышение влажности древесины понижает её звукопроводность.

Звукопроницаемость

Важной характеристикой древесины при оценке её способности отражать и проводить звук является акустическое сопротивление, Па·с/м:

R = с ?С , (3)

Этот показатель древесины камерной сушки вдоль волокон в среднем равен 30·105Па·с/м. Для сравнения: воздух имеет акустическое сопротивление 429 Па·с/м, каучук - 3·103 Па·с/м, сталь - 393·103 Па·с/м.

Относительное уменьшение силы звука называется коэффициентом звукопроницаемости. Этот коэффициент для сосновой перегородки толщиной 3 см составляет 0,065, для дубовой перегородки толщиной 4,5 см - 0,002.

При прохождении звука через древесину часть звуковой энергии поглощается ею вследствие внутреннего трения. Характеризуется это явление коэффициентом звукопоглощения, который представляет собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к падающей на материал звуковой энергии. Коэффициент звукопоглощения сосновой перегородки толщиной 19 мм находится в пределах 0,081-0,110.

По существующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40 дБ, а междуэтажных - 48 дБ. Согласно данным исследований, звукопоглощающая способность древесины низка, например звукоизоляция сосновой древесины при толщине 3 см составляет 12 дБ, а дубовой при толщине 4,5 см - 27 дБ.

древесина звук акустический сопротивление

Резонансная способность древесины

Древесина широко применяется для изготовления дек музыкальных инструментов (ель, сосна, пихта кавказская, кедр сибирский, клён). Такая древесина усиливает звук без искажения тона, то есть резонирует.

Показателем, характеризующим резонансную способность древесины, служит акустическая постоянная, или акустическая константа К (/кг·с), предложенная академиком Н. Н. Андреевым:

, (4)

Для современной древесины акустическая константа имеет величины от 9,5 до 14 ед. Лучшая акустическая древесина имеет, максимальные значения К. Наибольшую величину акустической константы имеют древесины ели, пихты, кедра (около 12 /кг·с). Резонансная древесина должна иметь ширину годичных слоёв от 1 до 4 мм, а содержание поздней древесины - от 5 до 30%. Она должна быть равнослойной, не содержать сучков, пороков строения, особенно крени и наклона волокон. Хотя итальянские мастера скрипок использовали древесину с хорошими акустическими свойствами даже с дефектами, т. к. их отличало очень бережное отношение к качественной древесине. Они открыли, что конструкция инструмента подчиняется решающему фактору - качеству древесины.

В настоящее время резонансные породы древесины относятся к уникальному природному сырью, стоимость сертифицированных заготовок которого на мировом рынке составляет от 1000 до 1500 долларов за 1 .

Исследование, проведённое в начале 20 века на территории России по поиску резонансной древесины, показало, что лучшими резонансными свойствами обладают ели, произрастающие в северных районах России, например в европейской части - в Архангельской и Вологодской областях. Суровые климатические условия и густые насаждения, а также содержание в почве серебра благоприятно влияют на свойства такой древесины.

Отличительные признаки резонансной ели: абсолютно вертикальный ствол с цилиндрической поверхностью и бессучковой зоной не менее 5-6 метров; симметричная, узкая и остроконечная крона; отсутствие видимых пороков и повреждений; кора серого цвета, состоящая из малых и гладких чешуек (последнее - по мнению французских мастеров). Резонансная еловая древесина очень хорошо строгается и циклюется по слою, срез чистый и глянцевитый.

При отборе резонансной древесины для изготовления музыкальных инструментов в диагностике используют способы, которые основаны на измерении плотности и модуля упругости, скорости ультразвука, потерь энергии на внутреннее трение (диссипацию) и декремента затухания.

Для определения модуля упругости Е используется формула (2), из которой следует:

, (5)

где, - плотность древесины при влажности 12%;

С - скорость звука.

Импульсно-звуковой метод позволяет определить скорость звука и акустическую константу для образца длиною l, в котором сигнал распространяется за время t:

, (6)

Использовались различные конусные насадки, радиальное направление определения скорости менялось на продольное. Показано, что вдоль полена скорость ультразвука определяется с меньшим разбросом и что тангенциальное направление древесины как анизотропного материала оказывается наименее вариабельным. Предлагается данный способ определения скорости ультразвука использовать поставщикам резонансной древесины для сертифицирования поленьев, высушенных после расколки резонансных кряжей.

Другими исследованиями установлено, что наилучшие акустические свойства в части наибольшего излучения звука имеет древесина ели, кавказской пихты и сибирского кедра, которая используется для изготовления многих музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и др.

На данных, полученных при исследованиях акустических свойств древесины, построен ультразвуковой метод определения её прочности и внутренних скрытых дефектов.

Затухающие колебания

При изготовлении музыкального инструмента высокого качества рекомендуется использовать старую древесину, которая должна быть выдержана в течение десятков или даже сотен лет. Установлено, что «старая древесина способна создавать более стабильные звуковые спектры при изменении условий внешней среды». Утверждается, что плотность древесины, модуль упругости, акустическая константа меняются циклически по синусоидальному закону в зависимости от года рубки, т. е. от возраста срубленной древесины (рисунок 1). Данная синусоидальная зависимость, в свою очередь, обусловлена циклами солнечной активности. Линейная зависимость жёсткости (модуля упругости) от плотности древесины у старой и современной древесины различна, и при равной плотности жёсткость старой древесины выше.

Год рубки древесины

Рисунок 13 Связь плотности древесины ели с возрастом

Деки музыкальных инструментов при изготовлении из старой и современной древесины, настроенные на определённую частоту, будут иметь разную толщину и массу (меньшая у старой древесины). Уменьшение массы влечёт за собой уменьшение инертности и увеличение коэффициента затухания, а значит, звучание конкретной ноты становится более компактным. Скрипачка Галина Баринова приводит сравнение звучания скрипок «Страдивари» и современной: «При исполнении быстрых пассажей скачущим смычком (приём «рикошет») звуки из скрипки Страдивари сыплются как горошины, а у современных инструментов каждая такая горошина как бы имеет хвостик». Таким образом, по мнению музыканта, у современной скрипки последующий звук накладывается на ещё не отзвучавший предыдущий. С точки зрения физики, это легко объяснить именно разными значениями декремента затухания.

В середине 20 века А. В. Римский-Корсаков предложил оценивать древесину с конкретным значением акустической константы К по показателю потенциального излучения:

, (7)

где д - декремент затуханий.

У современной древесины с увеличением жёсткости декремент затухания экспоненциально убывает, а у старого материала, помимо того, что значения д выше на 15-42%, зависимость от жёсткости более сложная (с минимумами и максимумами). Большие значения декремента способствуют более равномерному и непрерывному спектру частот звукового диапазона излучения деки и снижают излучение высоких частот. В спектре излучения старого инструмента и в субъективных ощущениях слушателей зона 1,2 кГц становится преобладающей. Музыканты в таком случае говорят о наличии у инструмента «глубокого итальянского тембра» и повышенной «носкости» звука, т. е. способности покрывать всё пространство зала и выделяться на фоне большого оркестра.

Список используемой литературы

1. Курс физики: учебное пособие для студентов втузов/ А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.

2. Курс физики: учебное пособие для студентов вузов/ Р.И. Грабовский.

3. Краткий курс физики: Т.И.Трофимова.

4. Древесиноведение и лесное товароведение: Учебник для лесотехнических вузов/ Б.Н. Уголев.

5. Швамм, Е.Е. Древесиноведение: учебное пособие/ Е.Е. Швамм.

6. Введение в физику полимеров / Н.И. Перепечко.

Размещено на Allbest.ru