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激励力对木材振动阻尼系数的影响1)

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木材振动能量的耗散主要有两种方式。一种是向外部空气传递做功，此为木材的声辐射性能，用声辐射品质常数(R)来表示；另一种被内部摩擦损耗，这部分用阻尼系数(δ)表示，研究时经常用木材振动阻尼系数(tanδ)与弹性模量(E)的比值(tanδ)/E来表示木材每周期的振动能量损耗。在木材声学振动方面的研究中，阻尼系数是很重要的参数，影响木材的发音稳定性和能量转化效率。振动阻尼越大，木材内摩擦损耗的能量就会越多，向空气传播的能量就会越少，木材的声学振动性能表现就会很不理想，这样的材料不适合制作乐器。乐器材通常选用阻尼系数较小，每周期振动能量损耗较少，声辐射品质常数较大的木材[1-2]。由此可知，针对木材振动阻尼系数的研究对于木材声学振动性能的评价至关重要。

国内外学者为获得木材声学振动性能的影响因子，针对木材振动阻尼系数与其它变量之间的关系进行了广泛的研究。在研究物理构造特征对木材振动阻尼系数的影响中发现：①含水率的增加使木材振动阻尼系数增大，水分含量的增大对旧木材的影响较大，对新木材的影响较小[3-4]。②木材振动阻尼系数随着纹理角的增大而减小[5]。③当木板的板厚中心线与生长轮切线之间的夹角为90°时，木材的振动阻尼系数最小[6]。④密度与木材振动阻尼系数之间的关系不明显，但与密度相关的比动弹性模量E/ρ与阻尼系数之间显著相关，表现为随着云杉比动弹性模量E/ρ增大，阻尼系数减小，两者呈负相关。⑤密度与每周期振动能量损耗之间有较强的相关性，表现为随着木材密度的增大，每周期振动能量损耗为之减小。⑥研究试件纵向与径向之间声振特性的关系时发现，由于木材的各向异性，比动弹性模量E/ρ与阻尼系数之间的关系、密度与每周期振动能量损耗之间的关系，在纵向与径向表现相同，但木材径向的阻尼系数和每周期振动能量损耗比纵向的阻尼系数要高。⑦当云杉纤维素结晶度增加时，木材的振动阻尼系数随之减小，至结晶度等于59%时，阻尼系数得到最小值。⑧云杉的振动阻尼系数随着木材纤维长度的增大而逐渐减小，呈现很强的线性负相关，纤维宽度与木材振动阻尼系数和每周期能量损耗之间没有相关性。⑨木材阻尼系数和每周期振动能量损耗随着径、弦两向管胞壁腔比的增大而减小。⑩木材振动阻尼系数随着纤丝角的减小而减小，两者之间的关系在9°～17°的范围内最明显；纤丝角越小，每周期振动能量损耗越低，在9°～13°的范围内有最小值。阻尼系数与木材管胞径向排列角度的关系十分密切，管胞排列的越整齐，木材的振动阻尼系数就越小，能量损耗就越低，木材的声振性就会更良好[7]。

在用化学方法对木材改性时发现，木材的振动阻尼系数会发生改变。在用质量分数为4.5%的NaH2PO2为催化剂，质量分数分别为1%、3%、5%、7%、9%的1,2,3,4-丁烷基四甲酸为酯化剂，交联化处理木材时发现木材的振动阻尼系数降低了9%～24%[8]。比较不同改性方法对木材声振特性的影响时发现，热改性木材、乙酰化木材(乙酰化枫木除外，其阻尼系数会有一点点增大)后，可以得到较低的振动阻尼系数；糠醛化木材、苯酚甲醛处理木材后，会增大木材的振动阻尼系数[9-10]。在将木材用不同方法、材料进行加工或复合后，所得材料的振动阻尼系数会发生变化，如胶接处理中木材的胶接面及在木材中插入的节子都会增大木材的振动阻尼系数[11]；对木材表面进行上漆处理，清漆会在纵向和径向两个方向上增大木材的振动阻尼系数[12]。

从前人的研究中可以发现，木材振动阻尼系数是表征木材振动性能、能量传递的一个重要指标，且主要是采用敲击振动法的方式来测定[13-14]。而笔者所在团队在采用振动法对木材的振动性能进行测试时发现，不同的激振力大小虽然不影响木材共振频率的大小，却对阻尼系数产生较大的影响；而前人在分析木材振动阻尼系数时，并未关注激振力对其影响的规律。本研究旨在分析激振力对阻尼系数测试结果的影响规律，为木材振动性能的测试与研究提供参考。

1 材料与方法

试验以西加云杉(Piceasitchenrsis)为研究对象，产地分别为加拿大不列颠哥伦比亚省、美国阿拉斯加Ketchinkan岛、美国阿拉斯加Afognak岛。

选取径切板试材，对板材进行锯切、表面刨光、平整处理后，在温度为20 ℃、相对湿度为65%的恒温恒室中平衡处理6个月。其尺寸及密度见表1。

表1 板材试件的尺寸与密度代号产地长度范围/mm宽度范围/mm厚度范围/mm气干密度范围/g·cm-3BC加拿大不列颠哥伦比亚省253～.96～～～美国阿拉斯加Ketchinkan岛254～.95～～～美国阿拉斯加Afognak岛254～.45～～～0.385注：样本数量均为10个。

文章来源：《声学学报》网址: http://www.sxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0127/486.html