乐器共鸣板用木材的声学功能性改良及新型声学材料制备机理研究

Wood is one of the important materials for soundboard of musical instrument, but the shortage of wood resources will preclude the sustainable development of the musical instrument industry. Based on the former research of the influence of wood chemical properties on acoustical performance, traditional wood for soundboard, such as picea, paulownia, and inferiority fast-growing wood, such as fir, cotton wood, are selected in this research. The modification mechanism of acoustical properties of wood will be researched according to modification of wood main component, the contents of major extractives. The influence mechanism of artificial accelerated aging, high energy ray irradiation, laser physical methods on physical and chemical properties for wood, the acoustic vibration performance will be researched. On the basis of previous research, the modification of acoustical quality of low-quality fast-growing wood will be studied. And the multilayer composite soundboard material will be preparation using the veneer. Based on acoustic performance study of carbon fiber materials, the carbon fiber and wood composite materials will be preparation, and the influence mechanism of complex method on acoustical vibration properties will be researched. It is expected that the research result will be beneficial to improve the acoustical performance of wood and the utilization efficiency of wood resources, and expand the resources for soundboard. Meanwhile, it will improve the acoustical quality and value-added of musical instruments.

木材是制作乐器共鸣板的重要材料，但木材资源的匮乏严重影响了乐器行业的可持续发展。项目在前期木材化学属性对其声学振动性能影响的研究基础上，以云杉、泡桐等传统乐器共鸣板用材树种及冷杉、杉木、杨木等低质速生材为研究对象，通过主要组分结构变化、主要抽提物含量变化及与木材的结合方式揭示基于木材化学属性的声学振动性能改良机理；采用人工加速老化、高能射线辐照、激光照射等物理方法，研究并揭示其对木材物理与化学性质、声学振动性能的影响机制。在前期研究基础上，开展低质速生材的声学振动性能改良，并以单板材为原料，制备新型多层复合音板材料，促进低质材的高效、高附加利用；在研究碳纤维材料声学性能基础上，制备新型碳纤维-木材复合材料，解明复合方式对声学振动性能的影响机制。预期研究成果可改善乐器共鸣板用木材的声学振动性能，提高现有资源利用率，拓展共鸣板传统用材资源，同时对提高乐器产品的声学品质与附加值具有重要的意义。

木材是制作乐器共鸣板的重要材料，其声学振动性能对乐器产品的声学品质有着决定性的影响，但木材资源的匮乏已经严重影响了我国乐器制造行业的可持续发展。本项目着眼于这一行业瓶颈问题，通过陈化、抽提、浸渍及高能射线辐照等手段对木材声学振动性能进行功能性改良，并对木质-碳纤维、玻璃纤维声学复合材料声学性能开展研究，通过声学振动性能的分析，借助SEM、XRD、FTIR等手段探讨与揭示了各种功能性改良方法的机理及效果，得出了有效的改良工艺。研究结果不仅可促进木材的高附加值利用、拓宽乐器共鸣板用材的资源范围，而且也丰富与完善了木材声学研究的理论体系，对我国乐器制造行业的可持续发展、提高乐器产品声学品质具有重要的意义。重要结果概述如下：1）首次研究了自然陈化过程对木材声学振动性能的影响规律，结果表明并不是陈化时间越长越好，恰当的陈化时长可获得较好的声学振动性能。在此基础上，采用温和、剧烈的人工加速陈化方法对木材进行处理，结果表明温和加速陈化时间为600h、剧烈加速陈化时间为100h时，可获得较好的改良效果。2）采用热处理方法对木材进行声学性能的改良，不同树种的最佳热处理工艺不同，总体上，处理温度为210℃、保温时间为2-4 h可获得较好的改良效果。3）首次采用冷水、热水、苯醇抽提、去离子水、无水乙醇、苯甲醇及二氯甲烷等对木材进行抽提处理，结果表明冷水、热水、二氯甲烷及苯甲醇抽提可获得较好的改良效果，尤其是振动效率得到明显提高。4）采用二羟甲基二羟乙基乙烯脲（DMDHEU）、糠醇、聚乙烯醇浸渍及溶胶凝胶法对木材进行处理，得出糠醇浓度为25%、固化时间为8h，聚乙烯醇浓度为25%、固化时间为12h可获得较好的改良效果，但二羟甲基二羟乙基乙烯脲（DMDHEU）浸渍及溶胶凝胶法效果不够理想。5）首次采用γ射线辐照的方式对木材声学性能进行改良，得出辐射剂量为50kGy时，可获得较好的改良效果。6）通过对木质-碳纤维、木质-玻璃纤维复合材料的声学振动性能研究，表明0°五层、0°七层、15°五层的木质-碳纤维复合材料，以及铺放2层玻璃纤维布的复合材料可获得较佳的声学振动性能。