《木材的声学性质》

任建一 。二胡文化 。乐器学

木材横切面

木材各切面和部位名称

木材的弦切与径切示意图

　　木材做为制造乐器的主要材料，有着悠久的应用历史。

　　从殷墟发掘和文字记载，我国自夏商朝代就利用木材的声学性质，制造各种乐器，到了周朝时，乐器分类有了按制造乐器的材料不同的八音分类法（金、石、土、革、丝、匏、木、竹），其中有木材这一类。古代乐器中的木鱼、梆、云板、三弦、月琴、琵琶、古琴、古筝以及胡琴类乐器等，几乎都是木材制作的。

　　在选料时。除了观察年轮宽窄，纹理顺直程度，结构粗细等因素外，还要听声音如何？通过敲击分析测试材料是否容易振动？能否出得来，并且要听音质的好坏，响亮、厚实如何？它们振动时的固有频率和频率响应如何？等等 。

　　木材的声学性质具有以下四个指标：

一、木材的传声性

木材的声音传播特点是：同一树种的声速在顺直纹理方向最快。由于木材中有许多管状细胞空隙，成为空气的跑道，空气是传播声音的介质，当声音从一个细胞传到另一个细胞，从而使木材成为传播声音的好“跑道”。

另因木材是具有一定弹性的固体材料。在振动中由于木材本身的弹性（大小）也加快了振动中的声速。

在固体材料中，根据木材的生长结构变化特点，木材应属于各向异性材料。在木材中传播声音时，具有同一树种在不同方向下的不同的传声速度能力。外观特征与声速的关系为：年轮均匀，材质致密，纹理顺直的径切材最佳，因为径切材质均匀，管状细胞排列整齐通直，有利于声音的传播。

1、  顺纹大于横纹；

2、  横纹下：径向大于弦向。

例如：松木顺纹声速大约为：5000米/秒；

横纹径向声速为：1450米/秒；

横纹弦向声速为：850米/秒。

为了使乐器共鸣板在振动中顺纹与横纹传播速度的差异减小，主要是通过共鸣板的几何形状上来解决。将顺纹方向作为共鸣板的长度，横纹方向为宽度，来减小由于声速的差异，使乐器共鸣板振动时，在同一时间内分布相对均匀。

木材的传声性能主要与木材的弹性（模量）能力、密度（容积重）和木材含水率有关。

木材的声音传播速度与材料的弹性模量成正比。在声学和力学中，材料的弹性模量是非常重要的指标，弹性模量越大，材料的传声速度就越快，力学强度也越大。

然而木材的密度（容积重）与声速成反比，因此作为乐器的共鸣板主要采用具有较大弹性、较小密度的木材（例如：西洋乐器采用云杉和松木，中国民族乐器使用泡桐和杉木）。

由于木材含水率将直接影响木材的弹性和强度，以及细胞结构的变化，根据实验分析木材含水率与声速成反比，对乐器用木材的质量要求中，含水率是一项很重要的理化指标。

二、音响辐射阻尼

辐射阻尼是指木材振动能量转变为声能损耗在空气中的系数，它可描述木材振动的机械能转换为声能的本领。音响辐射阻尼的大小，是指振动能量转换为声能的能力大小。乐器向空气中传播声音，必须要求乐器共振（鸣）板，具有最大的音响辐射阻尼及向空气中发出最大的声能。

为了木材在共振中具有良好的效果，除了要有较大的弹性以外，更重要的是要具有较小的密度。因为材料在受迫振动时密度与外力成正比。

要让共鸣板振动，首先必须在外力激发下，才能产生。一般说，质量轻的材料，仅要较小的外力，即能引起振动；质量重的材料，要使其振动，必然要损耗较大的外力，而且振动灵敏性相对较差。因此辐射阻尼大小，直接体现木材振动的声能大小。

三、木材振动内摩擦衰减因数

木材在辐射声波时，由于分子的摩擦过程不可避免的会引起振动的能量在木材的内部的损耗。作为乐器的共振板的振动能量的内部摩擦引起的损耗越低越好。

木材的内部损耗，是表征共振声学特性的重要指标之一，主要是衡量对振动能量衰减的作用。

对木材的振动能量损耗影响的原因：

1、含水率：由于木材细胞纤维的含水，形成细胞壁增厚，管孔减小，增强了木材振动能量的吸收性和吸热性。含水率低内部损耗小，衰减因数小；含水率高内部损耗大，衰减因数大。

2、木材的密度以及管状细胞排列均匀性和结构大小以及细胞腔内所含物质特征：因为木材的细胞的分布和结构大小以及细胞腔所含物质对声音的传导影响很大，因此木材细胞的特点将直接影响材料的振动性能。细胞腔所含物质主要为：化合水、树胶脂、油性物等成分。

因此木材含水率对声能的内部损耗及衰减因数影响较大。共振板材必须控制较小的含水率才有利于声能的辐射与传播。当木材含水率逐渐下降时，木材细胞内的其它成分也随之挥发，有利于细胞腔空隙加大，使木材成为传播声音的好“跑道”。

乐器用木材含水率必须控制在10%以下。使用自然干燥时间较长，一般可以采用窑干材（蒸馏）含水率为：4  - 12%为好。

四、音响阻抗（声阻）

木材对于声音的阻力及音响阻抗在木材传播声音中具有很大的意义。

音响阻抗是表示各种木材的特性阻抗。

当声波在两种材料界面上传播时，音响阻抗表示为材料对声波的反射能力和折射能力。

音响阻抗主要与木材的密度和传声速度成正比，木材的密度越大、声速越大，阻抗越大；反之就越小。

综上所述评价木材的声学性能主要以木材的传声性、音响辐射阻尼、木材振动内摩擦衰减因数、音响阻抗（声阻）为主。由于木材的品种众多，加之产地不同，生长环境不同，部位不同等，将会产生各种树种不同的声学性能。

为了比较简便的分析木材的声学性能，在材料选择中，可以重点把木材密度、弹性模量以及木材含水率作为评价木材声学性能的参考指标。

在乐器制作中可以根据以下性能指标区分木材在乐器振动发音以及声音传播的性能：

1、共振板材应具有最大的音响辐射阻尼；最小的内摩擦衰减因数和音响阻抗；才有利于声能的辐射传播。例如：云杉、冷杉、松木、杉木、泡桐等材种。

2、乐器共鸣体的腔体板壁用材应具有最小的辐射阻尼；最大的音响阻抗，才有利于声波在共鸣体腔内聚集声能，反射传递声波。例如：紫檀、红木、乌木、香红木、色木、槭木、枫木等材种。

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木材声学性能相关数理公式：