Наверх

Звуковые свойства древесины

  
Звуковые свойства древесины

Акустические свойства древесины, резонансная древесина, акустическая древесина, древесина для гитар, древесина для музыкальных инструментов.

Показатели, характеризующие распространение звука в древесине.
Как известно, звук представляет собой колебания, волнообразно распространяющиеся в упругих средах. Особенности распространения звуковых колебаний зависят от физических свойств среды и характеризуются рядом показателей. Скорость распространения звука тем больше, чем меньше плотность среды р и выше ее жесткость (модуль упругости Е). При распространении волны в направлении колебательного движения частиц (продольные волны) твердых материалов между скоростью и физическими параметрами материала существует следующая зависимость:

Звуковые свойства древесины


С наибольшей скоростью звук распространяется вдоль волокон, значительно медленнее в радиальном и еще медленнее в тангенциальном направлениях. Скорость распространения звука по разным направлениям в древесине некоторых пород приведена в табл. На основании данных этой таблицы можно принять, что звукопроводность вдоль волокон относится к звукопроводности в радиальном и тангенциальном направлениях в среднем, как 4 : 1. Однако абсолютные значения скоростей распространения звука для некоторых пород существенно отличались от данных, приведенных в табл. Так, скорость распространения колебаний в березе (вдоль волокон) оказалась равной 5190 м/сек. С возрастанием влажности и температуры скорость распространения звука в древесине значительно падает. Скорость распространения звука в других материалах такова: в железе 5000, меди 3710, пробке 430—530 м/сек. Как видим, скорость распространения звука в древесине вдоль волокон примерно такая же, как в металлах.

Скорость распространения звука в древесине по разным направлениям.
Звуковые свойства древесины


Важной акустической характеристикой материала при оценке его способности отражать и проводить звук является удельное волновое сопротивление, определяемое произведением плотности на скорость звука. Данные об этом показателе приведены в табл.

Величины акустического сопротивления некоторых материалов.
Звуковые свойства древесины


По мере распространения звуковых волн в материале вследствие потерь энергии на внутреннее трение происходит затухание колебаний. При этом величина амплитуды уменьшается по экспоненциальному закону. Для характеристики скорости затухания колебаний и одновременно величины внутреннего трения материала используют безразмерный показатель — логарифмический декремент затухания, численно равный натуральному логарифму отношения двух амплитут, отделенных друг от друга интервалом в один период. Логарифмический декремент у хвойных пород в 1,3—1,7 раза меньше, чем у лиственных (у сосны и ели соответственно 207 • 10-4 и 222-10-4; у ясеня и бука 318 • 10-4 и 360 -10-4).

Резонансная способность древесины.
Способность древесины резонировать, т. е. усиливать звук без искажения, 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:

Звуковые свойства древесины


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. 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).

Акустические константы древесины некоторых пород.
Звуковые свойства древесины



Звукоизолирующая и звукопоглощающая способность древесины.
Звукоизолирующая способность древесины характеризуется ослаблением давления прошедшего через нее звука. Звуковое давление возникает в газовой или жидкой среде при прохождении звуковых волн. Величина его может изменяться в очень широких пределах, поэтому для оценки уровня звукового давления применяют логарифмическую шкалу, в которой за начало отсчета принято давление на пороге слышимости. Уровень звукового давления измеряется в относительных логарифмических единицах — децибеллах. Для примера укажем, что уровень звукового давления, соответствующего обычному разговору, равен 60 дб, уличному шуму — 70—80 дб. При давлении 120 дб в слуховом аппарате человека возникают болевые ощущения.

Величина звукоизоляционной способности древесины может быть оценена по разнице уровней звукового давления перед и за перегородкой из древесины. Оценка звукоизоляционной способности материала часто также производится по относительному уменьшению силы звука, называемому коэффициентом звукопроницаемости. Так, при толщине 3 см звукоизоляция сосновой древесины составила 12 дб, коэффициент звукопроницаемости - 0,065, для дубовой древесины при толщине 4,5 см — соответственно 27 дб и 0,002.

По действующим строительным нормам звукоизоляция стен и перегородок должна быть не ниже 40 дб, междуэтажных перекрытий — 48 дб. Отсюда видно, что звукоизолирующая способность массивной древесины сравнительно невысока. Способность древесины поглощать звук вызвана рассеянием звуковой энергии в структурных полостях и необратимыми тепловыми потерями вследствие внутреннего трения. Строгое определение звукопоглощающей способности материалов сопряжено со значительными трудностями. Для практических целей используют коэффициент звукопоглощения, представляющий собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии плоской падающей волны. Коэффициент звукопоглощения сосновой перегородки толщиной 19 мм в диапазоне частот 100—4000 гц находится в пределах 0,081—0,110.