192 исследование строения хвойной древесины и его влияния
advertisement
УДК 630.238+630.245.13 Владимир Иванович Онегин, доктор технических наук, профессор, Елена Геннадиевна Кузнецова, старший преподаватель, ftacademy@home.ru Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ ХВОЙНОЙ ДРЕВЕСИНЫ И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСНОГО ВЕЩЕСТВА Музыкальные инструменты, резонансная древесина, древесина, древесное волокно, микростроение древесины. Musical instruments, resonance wood, timber, wood fiber, microstructure of wood density. Древесина используется для изготовления различных изделий и полуфабрикатов. А их изготовление накладывает определенные требования к свойствам древесного вещества. Основным существенным дефектом древесины является образование трещин в материале, которое может изменить физико-механические характеристики изделия. В природе существует много различных пород древесины, но наиболее используемыми породами древесины являются хвойные породы, такие как ель, сосна, пихта, кедр и др. Одним из важнейших показателей древесины являются акустические свойства и внешний вид, который может повлиять на качество всего изделия. Основное требование к древесине – обеспечение наилучшего излучения звуков определенных частот, передаваемых от струн к резонансной деке и корпусу изделия. На практике древесина ели, выпиленная из различных частей ствола, очень часто имеет существенные различия как в акустических свойствах, так и в анатомических признаках. Поэтому исследование материалов для различных видов использования является очень важной и актуальной задачей, которую невозможно решить старыми методами и на устаревшем аппаратном уровне. Поэтому залогом успеха в таких исследованиях будет правильная постановка задачи, выбор оборудования и методов изучения. 192 Методика проведения исследований. Исследования проводились несколькими способами. Первый способ – это отбор материала на складе сырья и анализ основных физико-механических характеристик древесины. Второй способ – это анализ материала оптическими методами исследования, который проводился с целью выявить основные закономерности еловой древесины с точки зрения ее основных свойств. Третий способ – это микроструктурный анализ древесины, который проводился методами электронной микроскопии. Все три способа исследований позволили установить основные закономерности строения древесины ели как обычного типа, так и древесины, попадающей в разряд отборной резонансной древесины, отличающейся своими свойствами. Резонансная древесина – это такая древесина, которой в принципе в природе не существует с таким названием. Это термин описательный, характеризующий определенные свойства древесины применительно к определенным видам изделий, где требуется способность материала резонировать, то есть усиливать звук и облагораживать звуки. Очень важно также отметить, что в некоторых странах используются вместо хвойных пород другие виды древесины для изготовления различных усилителей как струнных музыкальных инструментов, так и при изготовлении акустических колонок или декоративных панелей. Например, в Японии широко используют кедровое дерево – для скрипок, кипарис-хиноки (Chamaecyparys oblusa) – для барабанов. Наравне с хвойными породами используют также и лиственные: например, густолиственную павловнию (Paulownia imperialis), которая используется для изготовления больших струнных музыкальных инструментов, именуемых «кото», а также кеаки (Planera japonic) – для дорогих тамбуров. Общим для всех этих пород является только одно – способность хорошо усиливать звук с минимальными потерями на внутреннее трение. Резонансная ель – обычная еловая древесина, которой удалось случайным образом вырасти в определенных условиях. На акустические характеристики еловой древесины очень сильное влияние оказывает региональный признак или район произрастания или заготовки. Для изготовления усилителей звука высокого и высшего качества 193 необходимо использовать породы, которые бы обеспечивали бы высокие физико-акустические характеристики. Эти характеристики даны в табл. 1 – табл. 3. Ель северных районов нашей страны обладает лучшими физикомеханическими характеристиками. Одним из главных ее особенностей – мелкие годичные слои, которые обеспечивают высокий модуль упругости и пригодность древесины быть резонансной, то есть усиливать звучание при игре на музыкальном инструменте. Отсутствие сучков, смоляных карманов, свилеватости и других пороков также является обязательными характеристиками резонансной древесины. Таблица 1 Плотность и механические свойства еловой древесины Показатели Плотность, кг/м3 Предел прочности вдоль волокон, кгс/см2: при сжатии при статическом изгибе при растяжении При скалывании: радиальном тангенциальном Ударная вязкость, кдж/м2 (кгс·м/см2) Твёрдость, Мн/м2 (кгс/см2): торцовая..........….... боковая......……...... Ель 420 44,5 (445) 79,5 (795) 103,0(1030) 6,9 (69) 6,8 (68) 39 (0,40) 26,0 (260) 18,0 (180) Основные свойства еловой древесины в зависимости от места произрастания приведены в табл. 2. 194 Таблица 2 Средние показатели основных свойств древесины в зависимости от региона произрастания Порода Ель Район произрастания Румыния Закавказье (Ахицинский лесхоз) Аджарский лесхоз Архангельская область Сев. Урал Чувашская р-ка Удмуртская р-ка Импортная Плотность, кг/м3 450 440 390…430 380…450 400…470 380…450 420 460 Модуль упругости, кг/см2 130000150000 Акустическая константа, см 4 г ⋅ с 1361 1392 1424 1531 1362 1424 1458 1331 В процессе эксплуатации различных видов изделий, где требуются усилители звучания, на материал резонансного узла воздействуют различные факторы, влияющие на свойства материала. При таком воздействии на древесину физических факторов, не приводящих к изменению её структуры и целостности, проявляются многообразие свойства древесины. Акустические деки и усилители, а также некоторые другие детали, участвующие в звукоизвлечении, делают только из еловой древесины. В России различные виды ели произрастают во многих областях нашей страны. В качестве резонансной используют ель специально отобранную. Для наших исследований была использована древесина ели, отобранная в Архангельской и Вологодских областях. Ель северных районов нашей страны обладает лучшими физико-механическими характеристиками. Одно из главных ее особенностей – мелкие годовые слои, которые обеспечивают высокий модуль упругости и пригодность древесины в качестве резонансной. Результаты исследований. За рубежом основным источником резонансной древесины являются горные леса в Карпатах, Бемервальде, Вогезах, Тирольских, Баварских и Швейцарских Альпах. Лесные массивы расположены на высоте около 1000-1400 м над уровнем моря. Считается, что такая древесина может использоваться для изготовления акустических излучателей музыкальных инструментов. В суровом горном климате, нередко с длительным зимним периодом, произрастает ель, способная резонировать и усиливать звук. В таких местах вегетационная деятельность растений начинается поздно, приблизительно в июне месяце и продолжается на протяжении короткого лета. Благодаря этим условиям в растущем дереве образуется узкое годичное кольцо с развитою осенней частью. По этой же причине резонансная ель встречается главным образом на север195 ных склонах гор и почти никогда не попадается на южных. Для отечественных изготовителей такими свойствами обладает древесина ели, произрастающая в горных районах Северного Кавказа. Минерально-бедная почва также оказывается важным фактором, благоприятно сказывающимся на формировании резонансной древесины, замедляя жизнедеятельность всего дерева. Поэтому резонансный материал очень часто находят на сырых и даже сильно заболоченных котловинных местах. Особенно важной деталью произрастания резонансной древесины является рост такой древесины в густых лесных массивах. Для правильного формирования структуры резонансной ели, она должна в течение первого периода своей жизни, расти как можно в более густом лесе. Это условие необходимо для того, чтобы все нижние сучки до необходимой высоты из-за недостатка света рано отмерли и отвалились и затем при дальнейшем росте откладывались бы годичные слои, цилиндр за цилиндром, образуя при этом однородную древесную массу. Также необходимо отметить замедление развития древесины в таких местах произрастания при смене времени года. В густом, а в особенности, старом насаждении, почва, покрытая мхом и гумусом и малодоступная для солнечных лучей, оттаивает медленно и деятельность камбия в стволе развивается гораздо позднее. Также для резонанса очень важен возраст дерева. Поэтому многие производители инструментов считают, что лучшая древесина ели для резонанса является древесина 250…400 летнего возраста. Чем более старая древесина, тем лучше. При этом условии, дерево должно иметь стройный прямой без искривлений ствол. Однако, какими бы ни были благоприятные условия произрастания, резонансная ель не бывает распространена в лесу в большом количестве и попадается единичными экземплярами. Поэтому при отборе нужной древесины приходится делать тщательный отбор и из сотен деревьев выбирать те немногие экземпляры, удовлетворяющие всем требованиям музыкальной промышленности. При отборе древесины основными признаками служит толщина дерева и наружный его вид. Еловая древесина должна иметь диаметр около одного метра на уровне груди. Предполагаемый возраст такого дерева как раз и соответствует возрасту около 250 лет. Также древесина должна иметь стройный ствол чистый от сучьев и свободный от различных наростов и наплывов на своей поверхности. К сожалению, для производителей музыкальных инструментов древесина такого возраста стала большой редкостью. Специалисты различают три сорта резонансной ели по своим особенностям структуры древесины. Это струистая, пламенистая и 196 краснослойная. Струистая древесина ели с точки зрения акустики очень эластична и податлива. Легко отзывается и воспроизводит почти весь частотный диапазон звука. Такая древесина имеет большой удельный вес и очень мелкие годичные слои. Такая древесина дает очень чистые и высокие тона и представляет из себя очень ценный материал для изготовления любых видов усилителей звука. Пламенистая резонансная древесина, несмотря на красивую текстуру почти не годится для выделки излучателей звука. Краснослойная древесина ели отличается своим буровато-красным оттенком. Удельный вес краснослойной древесины оказывается на 15-20% выше, чем у всех остальных видов ели. Для изготовления усилителей звука такая древесина также не годится. Кроме этого еловая древесина делится по месту произрастания на два основных вида. Один вид – ель северного типа, нежная, с шелковистым блеском, с тонкими слоями, средней плотности; второй вид – южная – вид ели с более грубым блеском, в слоях часто встречаются извилины, вроде сучков. На анатомическое строение еловой древесины очень сильно влияет внешняя среда произрастания. Растение по-разному реагирует на такие изменения. Например, изменение климатических условий приводит к тому, что древесина изменяет свои свойства. Для музыкальной промышленности очень важным является изучение анатомических свойств, которые проявляются в структуре древесины и их влиянии на акустические свойства, делающие эту древесину резонансной. Для определенного географического региона на обширной территории России характерны такие показатели как температура, влажность, освещенность, продолжительность дня и многие другие. Однако на одной и той же территории всегда можно найти древесину, имеющую свойства, отличающиеся от свойств других таких же деревьев. Формирование морфологической и анатомической структуры древесинных растений протекает очень сложно. Это зависит не только от окружающей среды, в которой произрастают эти растения, но и от того, что сами эти растения сильно влияют на окружающую среду. В реальной жизни это проявляется в том, что в лесных насаждениях крона одного и того же дерева развиваются в различных условиях. На их развитие влияет световое воздействие и существующий водный и влажностный режим на определенной территории. Молодой прирост, развиваясь в тени больших деревьев (материнского древостоя), проходит первые годы жизни в определенных условиях среды развития. Эти условия сопровождают жизнь молодого дерева на всем протяжении его жизни. В связи с этими условиями формируется органическое вещество – само древесное вещество. 197 Развитие структурных особенностей зависит от ярусности древостоя. Существует связь между анатомическим строением и проведением различных мероприятий, таких как рубки ухода, а также природных явлений. Нельзя однозначно заявить, что тот или иной внешний фактор определенным образом влияет на изменение анатомических свойств в древесине. Ведь даже у двух рядом стоящих деревьев физико-механические свойства будут отличаться. Резонансную древесину очень часто можно встретить в различных местах. Например, в густом лесу на заболоченных участках почвы или на горных склонах. Места произрастания очень разные, но одинаково одно для этих двух примеров одно: условия произрастания способствуют равномерному приросту очень тонких годичных колец. В первом случае древесина испытывает трудности с освещением. Повышенная влажность также не способствует быстрому росту древесины. Кроме этого, в переходный период времени, в межсезонье, на заболоченных участках большее время лежит снег. Плохое таяние снега приводит к увеличению продолжительности холодного периода времени. В горных районах такие же похожие аспекты формируют древесину максимально подходящую для акустической древесины. Сильные ветра, холодный воздух, наличие бедных почв, отсутствие необходимого количества влаги в почве – все это важные показатели, влияющие на прирост древесной массы в дереве. Экспериментальный контроль анатомического строения древесины возможен как по мере роста дерева в виде взятия образцов на определенной высоте ствола. Также контроль строения еловой древесины возможен и является более простым и показательным в процессе заготовки древесины для изготовления музыкальных инструментов. И не всегда древесина, имеющая правильное анатомическое строение, обладает необходимыми акустическими свойствами. И, наоборот, в древесине, не имеющей правильного анатомического строения можно найти участки древесины, обладающие повышенными резонансными характеристиками. Общеклиматические изменения приводят к пульсациям в росте дерева. Так, в частности, секрет божественного звучания скрипок великого мастера Страдивари может иметь именно климатическое объяснение. Ранние трахеиды характеризуются большими диаметрами от 42,8 до 47,8 мкм. Толщина стенок 2,66…3,06 мкм. Диаметр поздних трахеид ели находится в пределах от 16,8 до 27,4 мкм. Толщина стенок поздних трахеид составляет 4,31…4,77 мкм. Таким образом, толщина стенок в 1,5 раза превышает размер стенок ранних трахеид. Влияние условий высокогорья на строение еловой древесины тоже заметно невооруженным глазом. Так, у древесины ели высокогорных рай198 онов при ухудшении условий роста на стенках трахеид появляются спиральные утолщения. Окаймленные поры сосредотачиваются на концах трахеид. В засушливых районах отмечается усиление проводящей функции и уменьшение кроны деревьев. У хвойных пород проводящую функцию выполняют крупнополостные ранние трахеиды, механическую — толстостенные поздние трахеиды, запасающую — паренхимные клетки, которые образуют сердцевинные лучи или сопровождают смоляные ходы, а иногда располагаются изолированно. Вертикальные смоляные ходы связаны с горизонтальными смоляными ходами, проходящими в сердцевинных лучах. В условиях плотных насаждений ель достигает семенной зрелости только в возрасте 40…70 лет. В условиях свободного роста 35-45 лет. Ель также встречается на верховых болотах. Здесь древесина ели имеет очень бедную крону, низкорослая. От большого количества влаги появляется очень много сеянцев ели, которые, однако, быстро гибнут от недостатка кислорода и минеральных веществ. Ухудшение условий произрастания уменьшает прирост древесины ствола еловой древесины. Естественной реакцией еловой древесины на условия произрастания является уменьшение объема ранней древесины в годичных слоях. Наиболее целесообразным, с точки зрения выявления акустических качеств дерева, является радиальный распил. Плюсами древесины, полученной этим способом для этой области производства, является уменьшение шума и вредных вибраций. С акустической точки зрения колотому материалу отдается предпочтение перед пиленым, так как считается, что колотые доски более гибкие, более упругие, прочнее и менее подвержены короблению. Самым главным требованием при выборе древесины для музыкального инструмента является его выдержанность или естественное старение. Из практики установлено, что музыкальный инструмент в течение всего срока эксплуатации меняет свои размеры из-за того, что материал музыкального инструмента испытывает переменные внутренние напряжения, воздействие температуры и влаги. Древесина постепенно усыхает или разбухает. От этих процессов звук инструмента также меняется. При таком воздействии почти неизбежно древесина музыкального инструмента начинает трескаться. Изначально хорошие акустические свойства древесины являются основой качественного звука и хорошего тембра как инструмента, так и его производных. При оценке акустических свойств древесины учитываются плотность, модуль упругости, волновое сопротивление, логарифми199 ческий декремент колебаний, коэффициенты звукопоглощения, отражения и звукопроницаемости. Древесина ели, как резонансный материал, отличается особой звонкостью и яркостью. Кроме этого в отзвуке такого материала всегда содержатся некоторые оттенки, которые в дальнейшем войдут в спектр тембра инструмента. Помимо акустической константы большое значение имеют особенности звукопоглощения материала. Звукопоглощающие свойства материала древесины также влияют на тембр. Благодаря звукопоглощающему свойству происходит поглощение звуковой энергии с различной интенсивностью для разных частот. Это процесс поглощения зависит от внутреннего трения в материале при колебаниях. Внутреннее трение является главной составляющей при демпфировании деки звучащего инструмента. При этих условиях можно было бы подумать, что материал с наименьшим внутренним трением будет наилучшим с акустической точки зрения. Однако, при слишком малом внутреннем трении в акустической пластине появляются острые резонансы на определенных частотах в узких резонансных полосах. Это может приводить к появлению неровностей звучания по громкости и тембру. Поэтому, выбирая древесину усилителей звука необходимо ее брать с максимально низкой плотностью, а также средним показателем внутреннего трения. Важным моментом при отборе качественной резонансной древесины является и тот факт, что у еловой древесины логарифмический декремент колебаний с повышением частоты колебаний увеличивается. Это означает, что еловая древесина имеет более низкое внутреннее трение на низких частотах и более высокое внутренне трение на высоких частотах. Поэтому резонансный узел изделия, изготовленный из древесины ели, получает возможность увеличивать или уменьшать амплитуды колебаний на разных частотах. Это свойство является тоже очень важным при разработке и внедрении новых искусственных материалов по типу натуральной древесины. При изготовлении усилителей резонансная пластина, как правило, склеивается из нескольких дощечек. Очень часто при склеивании двух и более половинок еловых дощечек, например, при изготовлении деки скрипки, гитары или пианино, заболонная часть древесины ставиться внутрь склеиваемого щита, образуя центральную часть деки. При такой конструкции деки это означает, что после изготовления такой пластины на всем участке генерации колебаний будет располагаться как бы акустический фильтр для уменьшения высоких частот. При этом высокие частоты будут выделяться в спектре низких частот. 200 В настоящем резонансная ель широко используется для изготовления клавишных и щипковых инструментов и особенно для арф. Ели специально отбираются на складах леспромхозов и из тысяч сваленных кряжей едва набирается десяток перспективных стволов. Особенно это важно при изготовлении смычковых, щипковых и клавишных музыкальных инструментов. Основной материал это резонансная древесина, которая является важным и ответственным материалом для получения качественного звука инструмента. Внутреннее трение в древесине, а также затухание звуковых колебаний обусловлено наличием в древесине большого количества внутренних полостей, как отрытых, так и закрытых, наличием в этих полостях воздушной прослойки, воздух в которых начинает звучать в тон основной частоте звучания. С точки зрения акустики – древесина представляет из себя сосуд с большим количеством взаимодействующих между собой полостей различного сечения и объема. Материал древесины очень неоднороден и очень существенно сказывается на акустических и вибрационных характеристиках. Свои коррективы вносят и вещества, входящие в состав древесного материала. Особенно важную роль для материала, идущего на изготовление музыкального инструмента имеет структура древесины. Структура древесины, которую можно рассмотреть невооруженным глазом или с помощью простейших оптических приспособлений, называют макроструктурой. Выводы. Для еловой древесины главным является фактор слоистости. Из практического опыта лучшими акустическими качествами обладает ель с шириной годичных слоев около 2…3 мм. Большая смолистость ели обуславливает высокую плотность древесины и снижает ее акустическую константу. В некоторых случаях для древесины ели можно использовать обессмоливание. В результате этого процесса происходит не только экстрагирование смолистых веществ, но и распределение их между волокнами древесины. Значительное удаление смолы из древесины увеличивает гигроскопичность и уменьшает упругость материала. На акустическую пластину, подготовленную таким способом в дальнейшем, при ее эксплуатации в готовом изделии будут сильно влиять погодные условия. Показатели макростроения являются основными диагностическими признаками качества резонансного сырья. Как правило, во многих стандартах разных стран резонансной считается древесина с шириной годичных слоев от 1 до 3 мм. Но не вся древесина, имеющая характерные признаки, может являться качественным усилителем звука. Проведенные исследования по выявлению характерных черт у резонансной еловой древе201 сины, отвечающих за высокие акустические свойства позволяют сделать следующие выводы: 1. Анализ еловой древесины из Архангельской и Вологодской областей показал, что в отобранных заготовках имеются признаки, характерные для резонансной древесины и соответственно получения стабильно высоких акустических характеристик. Акустические характеристики образцов также соответствуют этому признаку. 2. До сих пор нет четкого представления о том, за счет чего получаются у одних заготовок высокие акустические показатели, а у других заготовок эти же показатели не дотягивают и до средних значений. Как правило, хорошие резонансные показатели образуются за счет правильного и упорядоченного анатомического строения. В результате проведенных исследований были установлены следующие признаки резонансной древесины: а) модуль упругости и плотность древесины не зависят от процентного содержания площади сечения полостей и стенок трахеид, составляют соответственно от 1000 до 1500 Мпа и 380….430 кг/м3; б) минимальный модуль упругости связан с низким содержанием лигнина; в) минимальное содержание лигнина наблюдается в образцах с большим количеством окаймленных пор на радиальных стенках трахеид; г) толщина клеточных стенок поздних трахеид в 1,5...2 раза превышает толщину соответствующих стенок ранних трахеид. 3. Акустические свойства еловой древесины выше тогда, когда удельный объем плотной массы поздней зоны превышает объем полостей поздних трахеид. 4. Акустическая константа отобранной древесины ели находится в пределах от 11 до 14 м4/кг с. Это очень хороший показатель для резонансной ели. __________ Статья посвящена некоторым вопросам использования и изучения древесины, ее использования и применения для изделий, где требуются повышенные требования к физико-механическим свойствам. Очень часто такие требования необходимы при конструировании и отделке помещений, а также в концертной деятельности, требующих создания особой акустической атмосферы. В статье рассматриваются результаты исследований древесины хвойных пород и их последующий анализ. Известно, что термин резонансная древесина – это собирательный образ некоторых свойств, которые случайным образом проявились у одного некоторого отобранного экземпляра древесины. Исследования анализа структуры древесины проводились с использованием аналитических, оптических и микроскопических методов исследования. Это наряду с традиционными методами ис- 202 следований позволило получить достоверную картину, отражающую некоторые закономерности формирования строения резонансной древесины. *** The article is devoted to some questions and study of wood, its uses and applications for products that require high demands on physical and mechanical properties. Very often, these requirements are needed for construction and decoration, as well as live performances, requiring the creation of a special acoustic atmosphere. The article discusses the results of studies of coniferous and subsequent analysis. It is known that the term resonant wood - is a collective image of some properties that randomly appeared in one instance of a selected timber. Studies analyzing the structure of wood were carried out using analytical, optical and microscopic methods. This is in addition to traditional research methods allowed us to obtain a reliable picture, showing some of the formation of the resonance structure of wood. УДК 630.238+630.245.13 Владимир Геннадьевич Лукин, кандидат технических наук, доцент, luw_spb_ru@mail.ru Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет ОСНОВНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ВИДЫ НАГРУЗОК В МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТАХ Музыкальные инструменты, резонансная древесина, древесина, древесное волокно, скрипка, пианино, гитара. Musical instruments, resonance wood, timber, wood fiber, violin, piano, guitar. Если рассматривать музыкальный инструмент, его конструкция покажется с первого взгляда одновременно и простой, и сложной. Простой из-за того, что используются обыкновенные материалы для его изготовления, например, такие же, как при изготовлении мебели из массивной древесины. Сложный из-за того, что все процессы, которые происходят в деталях и узлах музыкального инструмента связаны между собой, и эти процессы не всегда понятны даже специалистам-технологам и акустикам. Ведь до сих пор никто не смог создать аналог скрипки Страдивари, хотя 203
