ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
:
расчеты получаются достаточно надежными только для лег- копропитываемой древесины, имеющей не слишком большую влажность
Хотя создание избыточного давления является эффективным средством введения в
древесину жидкостей, однако оно не дает возможности производить сплошную пропитку древесины любых породи во всех случаях
Хо
- рошо пропитывается под действием внешнего давления только древесина безъядровых лиственных породи заболонь ядровых пород влажностью, не превышающей 50–60%. Очень сырые сортименты и
сортименты трудно- пропитываемых пород требуют перед пропиткой проведения дополнительных операций по подготовке древесины.
Диффузияпропитывающихвеществвдревесину
Если сырая древесина погружена в
раствор соли или покрыта пастой, замешенной на растворе, молекулы или ионы соли диффундируют из раствора вводу, заполняющую полости клеток
Происходит так называемая диффузионная пропитка, которая, очевидно, неприменима для древесины, не содержащей (или содержащей мало) свободной воды
49 Плотность диффундирующего потока характеризуется уравнением
Фика
,
dx
d
D
i
ω
−
=
(5.12) где D – коэффициент диффузии, мс d
ω
/dx – градиент концентрации вещества вводе, находящейся в
полостях клеток, кг
/(
м
3
⋅
м
). Коэффициент диффузии тех или иных веществ в
древесину зависит от ее влажности и
температуры
, направления потока относительно волокон, вязкости растворителя, размера диффундирующих молекул или ионов
Диффузия молекул или ионов пропитывающего вещества в
капил
- лярной системе древесины протекает значительно медленнее, чем в
свободном растворе, т
к лишь часть ее поперечного сечения заполнена жидкостью и
движущиеся частицы вынуждены преодолевать дополнительные сопротивления при прохождении через мембраны пор
Расче
- тами установлено, что коэффициенты диффузии для свежесрубленной древесины хвойных пород могут определяться из отношений в
направлении поперек волокон 0
D
D
=
⊥
(5.14) в
направлении вдоль волокон 0
D
D
=
c
(5.13) где D
o
– коэффициент диффузии для свободных растворов (справочные данные. Соотношения 5.13 и 5.14 дают лишь ориентировочные значения коэффициентов диффузии вещества в
древесине
Более точно они определяются экспериментально
Например
: эмпирические формулы коэффициентов диффузии фтора и
мышьяка
(широко используемых при пропитке, мс в
заболонной древесине сосны поперек волокон для фтора 0044
,
0 005
,
0 04
,
0 955
,
1 11 ф (5.15) для мышьяка 0021
,
0 005
,
0 015
,
0 332
,
0 11 м (5.16) Из формул видно, что коэффициенты диффузии возрастают с
по
- вышением температуры и
влажности древесины
Например
: в
цилиндрический древесный сортимент радиусом R рис. 5.3) с
заболонью толщиной δ введен путем пропитки под давлением раствор вещества определенной концентрации на глубину η. После пропитки вещество из зоны глубиной η диффундирует только в
зону заболони глубиной = δ
–η, т
к вещество на поверхность сортимента не поступает, а
диффузия в
ядро
(зона глубиной R–δ) практически отсутствует, так как коэффициент диффузии в
ядровую древесину из- за ее низкой влажности и
пониженной проницаемости на 2–3 порядка меньше, чем в
заболонную
Рис
. 5.3. Схема к
анализу процесса диффузионной пропитки
Эмпирические расчеты позволили установить, что концентрация вещества на внутренней границе зоны глубиной η на всем протяжении процесса приблизительно постоянна и
равна
,
=
δ
η
ω
ω
η
(5.17) где ω – средняя начальная концентрация в
зоне начальной пропитки глубиной η. Рассматривая соотношение как граничное условие для зоны диффузии глубиной, получаем приближенное уравнение продолжительности процесса диффузии, необходимой для доведения концентрации вещества на внутренней границе заболони (те зоны толщины δ) доза- данной величины ω
δ
: ln
2
δ
η
η
ω
ω
ω
υ
τ
−
=
D
(5.18) С помощью этого уравнения можно также определять концентрацию, которая будет достигнута на внутренней границе заболони за заданное время Важным показателем процесса пропитки является поглощение П, кг
/м
3
, характеризующее массу сухого пропитывающего вещества, введенного в единицу объема древесины. Между концентрацией вещества вводе, содержащейся в древесине, ω и поглощением П существует зависимость н п
б н
п б
в
W
W
П
u
u
П
−
=
−
=
ρ
ρ
ρ
ω
(5.19)
51 где
ρ
б
– базисная плотность древесины, кг/м
3
;
W
– влажность древесины к моменту обработки, %; и – влагосодержание древесины, кг/кг; в – плотность воды (1000 кг/м
3
). При пропитке древесины водными растворами в нее вводится под давлением некоторое количество раствора. Плотность древесины при этом возрастает на величину V
p
1000, где р – объем раствора, введенного в единицу объема древесины. Концентрация же вещества в древесине соответственно уменьшается по сравнению с концентрацией вводимого в нее раствора и определяется по выражению
(
)
,
10 10 н п
б р
с р (5.20) где
ω
с
— концентрация вещества в растворе, вводимом в древесину Поскольку величина поглощения П = V
р
ω
с
, выражение 5.20 после преобразований может быть представлено в виден п
б с
W
W
П
П
−
+
=
ω
ρ
ω
ω
(5.21).
Контрольныевопросы:
1. Что такое пропитка древесины Какие физические явления включает в себя процесс пропитки 2. На какие группы по сравнительной проницаемости жидкостями древесины разделяют породы 3. Что такоекоэффициент поверхностного натяжения и угол смачивания 4. Каков механизм движения жидкости в древесине под действием капиллярных сил. 5. Раскройте механизм движения жидкости в древесине под действием избыточного давления. 6. Раскройте механизм диффузии пропитывающих веществ в древесину. 7. Что такое поглощение Отчего зависит его величина
52 Глава 6. Резонансныесвойствадревесины
6.1.
Основныетребованияксвойствамрезонанснойдревесины
6.1.1.
Общеепонятиеорезонанснойдревесине
Резонанснойпринято называть древесину, применямую для изготовления музыкальных инструментов, точнее основной их звукоизлу- чающей детали – деки. Хотя в природе немало других материалов, обладающих акустическими свойствами, даже превосходящими древесину по силе излучаемого звука, по нежности и тембровой окраске звучания, пока не найдено достойного ее заменителя и вряд ли это будет сделано в обозримом будущем. Однако далеко не каждое дерево и не во всех условиях формирует резонансную древесину даже в пределах одной породы деревья, как и люди, обладают разным уровнем музыкальных способностей. Термин резонансная древесина, если судить строго, неправилен как с физической, таки с технической точек зрения. Под резонансом, как известно, в физике подразумевается возбуждение колебаний в системе, когда в случае совпадения частот двух тел и непосредственной их близости колебание одного передается другому. Поскольку длина звуковых волн, распространяющихся по деке поперек волокон, весьма велика по сравнению с расстоянием между волокнами древесины, то следует рассматривать не как струнную систему, а как целостный материал. Лишь
3 – 5% общей энергии, подводимой от струны к деке, излучается в окружающую среду (воздух) в виде звука, а значительная часть ее теряется внутри материала деки, в местах закрепления на корпусе инструмента. Следовательно, называя древесину, используемую для изготовления дек музыкальных инструментов, резонансной, следует понимать это слово несколько вином значении, чем принято считать в физике. Очевидно, оно более близко по смыслу французскому resonance или латинскому, что означает «звучу в ответ. Иными словами, древесину, используемую для дек, называют резонансной за ее акустическую отзывчивость в широком диапазоне частот, придающую особую, свойственную только данному материалу тембровую окраску музыкальному звучанию инструмента. Поэтому используемую в этих целях древесину можно считать в строгом и узком техническом значении дечной, но широкое применение в практике и технической литературе нашло сегодня все же название резонансная древесина.
6.1.2.
Параметрырезонанснойдревесины
Дека должна обеспечить наилучшее излучение звуков всех частот, передаваемых от струн. Поэтому необходимо определить те физико- механические параметры, которые характеризуют максимальное излучение звуковой энергии древесиной приданной конфигурации деки включая закрепление и точки действия струн. Поскольку деки музыкальных инструментов имеют весьма разнообразные и сложные формы, в практике принято, что дека приравнивается к плоской пластинке эллиптической формы. Основная сложность, которая касается древесины, – это ее анизотропность, те. различие физико-технических свойств потрем осям симметрии вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях. Академик Н.Н. Андреев рассчитал мощность излучения деки, Вт
(
)
,
2 2
2 1
2 2
2
r
r
mf
f
q
r
F
N
+
+
−
=
(6.1) где F – амплитуда колебаний, м
r
1
– коэффициент внутреннего трения (сопротивления) материала
r
2
– коэффициент излучения
q – коэффициент упругости при прогибе деки т – масса деки, кг
f
– частота колебаний,
Гц
Учитывая
, что коэффициент значительно больше, чем r
2
, и
заме
- нив на k, эту формулу можно представить в
виде
2 2
1 2
2 2
r
k
r
F
N
+
=
(6.2) Следовательно, для наибольшей отдачи энергии воздуху N
max потери на внутреннее трение k и должны быть наименьшими, а
коэф
- фициент излучения r
2
–
наибольшим
Если представить k в другом выражении, а
именно через массу и
собственную частоту материала f
0
, то 2
0
f
f
f
m
k
−
=
(6.3) Из этого следует, что при постоянной собственной частоте колебаний деки музыкального инструмента масса его должна быть наименьшей Чтобы излучение было неискаженным (для сохранения чистоты звучания, необходимо условие, при котором собственная частота системы была бы как можно более высокой
Таким образом, последние существенные требования можно выразить как соотношение f
0
/m , причем значение его должно быть наибольшим Используя возможность выражения собственной частоты системы в
виде
m
q
f
=
2 0
, можно преобразовать его
54 1
3 0
m
q
m
q
m
m
f
=
=
(6.4) Требования оптимального излучения материала
1) потери на внутреннее трение должны быть наименьшими
2) коэффициент излучения r
2 должен быть максимальным
3) масса деки должна быть наименьшей (при постоянной собственной частоте колебаний
4) при сравнительно малой массе дека должна обладать лучшими упругими свойствами
Коэффициент упругости q представляет собой функцию модулей упругости Е
по различным осям симметрии, те для деки – потрем направлениям вдоль волокон Ев радиальном Ев тангенциальном Е
t
.
Поскольку масса тела т
пропорциональна ее плотности, а между модулями упругости в
этих направлениях существует определенная зависимость, тес увеличением Е
a
пропорционально увеличиваются Е
r
и
Е
t
, при этом Е
a
значительно превышает значения последних двух, то выражение (6.4) можно представить в
виде
3
ρ
a
E
Последнее выражение характеризует звукоизлучающую способность древесины исходя из соотношения ее модуля упругости и
плотно
- сти
Причем важно иметь ввиду, что дека в
музыкальном инструменте работает в
динамическом режиме, поэтому модуль упругости следует учитывать соответственно в
динамике
, те. E
a дин, что, в
отличие от статистических характеристик, свойственно вибрационным системам в
об
- ласти звуковых или ультразвуковых частот
Выраженная зависимость между упругостью и
плотностью материала называется акустическойконстантой акад
Н
Н
Андреева
, м
4
/(
кг
•
с
) дин (6.5) где дин – динамический модуль упругости вдоль волокон, Нм
ρ
– плотность древесины, кг
/
м
3
Для примера наибольшую величину акустической константы имеет древесина ели, пихты кавказской и
сосны сибирской (кедра) – 12–16 м
4
/(
кг
⋅
с
). Акустическая константа, хотя и
характеризует качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, ноне является единственным объективным параметром для отбора резонансного сырья
Этот показатель чаще применяется как первичный акустический критерий, характеризующий пригодность древесины для изготовления деки того или иного музыкального инструмента
Поскольку древесина в
зависимости от особенностей на уровне макро
-, микро
- и
субмикростроения представляет собой упруго- вязкий (а
55 при определенных температурно
- влажностных условиях и
пластичный
) материал, то качество деки определяется не только упругими свойствами, но и
вязкостью
В
данном случае вязкость характеризуется способностью материала поглощать энергию от струн
Реальные тела не являются совершенно упругими, при распространении в
них напряжений часть энергии превращается в
тепло
Различные процессы этих превращений объединяются общим названием – внутреннеетрение. Величина потери энергии при колебаниях на внутреннее трение
(
вредные потери) определяется через его коэффициент (6.6) где ∆W – потери энергии за период, Дж
W
– энергия колебательного движения,
Дж
С
учетом вязкости, или внутреннего трения, более достоверным показателем величины акустической константы является 3
ρ
η
E
K
=
(6.7) Иными словами, в результате потери энергии на внутреннее трение происходит затухание амплитуды колебаний деки после прекращения действия источника колебаний. Объективным показателем, характеризующим скорость затухания колебаний при этом является логарифмическийдекрементколебаний
(
затуханий
) δ,
Нп
(
Непер
– отношение двух физических величин, натуральный логарифм которых равен единице, который представляет собой натуральный логарифм двух амплитуд, отдаленных друг от друга интервалом в
один период
,
ln
2 1
A
A
=
δ
(6.8) где Аи А – амплитуды колебаний в
интервале двух соседних периодов Логарифмический декремент колебаний связан с коэффициентом внутреннего трения
πη
δ
=
(6.9) Значение зависит от многих факторов направления действия возникающих при колебаниях напряжений (вдоль или поперек волокон, породы древесины, ее влажностно-температурных параметров, макро- и микроструктуры и т.д. Например, при распространении колебаний поперек волокон скорость затухания их увеличивается примерно в четыре раза, по сравнению с распространением колебаний вдоль волокон. Минимальное значение
δ
у древесины большинства пород наблюдается при 6–8% влажности при снижении ее до абсолютно сухого состояния и при повышении влажности до предела насыщения клеточных стенок происходит возрастание декремента. Дальнейшее увлажнение древесины не оказывает существенного влияния на него.
56 Для практических целей в отборе резонансной древесины широко используются также и другие, сравнительно легко определяемые показатели, включая породу, макростроение и ряд размерно-качественных параметров лесоматериалов в круглом или пиленом виде. Лучшей породой в этом смысле считается во всем мире ель, хотя стандарты на резонансный лесоматериал допускают использование пихты кавказской и кедра.
6.2. Строение, свойстваикачестворезонанснойдревесины
6.2.1.
Макростроениедревесины
Показатели макростроения (ширина годичных колец, равнослой- ность
, содержание поздней древесины) остаются пока основным диагностическим признаком качества резонансного сырья, утвержденным соответствующими стандартами многих стран. Как правило, за небольшими исключениями, официально признается в этих целях древесина мелко- слойная с шириной годичных колец 1–4 мм. Для мастеров по изготовлению музыкальных инструментов такой показатель макроструктуры древесины давно не является общепризнанным. Например, старые немецкие скрипичные мастера применяли обычно очень узкослойную древесину, а братья Амати, как и Андреа
Гварнери
, отбирали довольно широкослойную. В научных исследованиях разных авторов стали появляться противоречивые выводы о взаимосвязи между макроструктурными и акустическими показателями резонансной древесины. Профессор В.И. Федюков провел исследования по определению макроструктуры древесины и акустических констант. Результаты исследования показали, что практически отсутствует достоверная связь между шириной годичного слоя и акустическими константами – как в поперечном, таки продольном направлениях. Содержание поздней древесины ≤ оказывает более значимое влияние на резонансные свойства, особенно на радиальную и тангенциальную акустические константы, хотя и эти связи выражены слабо. Тем не менее, в принципе, и для акустических свойств подтверждается известное положение о том, что связь между шириной годичного слоя и наиболее важными физико-механическими показателями древесины довольно слабая гораздо более надежным показателем ее является содержание поздней древесины. Подтверждается также закономерность проявления резонансных свойств в обратной зависимости от процентного содержания поздней древесины (все акустические константы имеют отрицательную корреляцию с этим показателем. Вывод. При диагностике резонансного материала недостаточно ограничиться только указанными параметрами его макроструктуры.
57 Весьма значимую информацию об акустических характеристиках древесины имеет характер перехода ранней древесины к поздней, поэтому целесообразно дифференцированное определение в годичных слоях ширины ранней, переходной и поздней зон.
6.2.2.
Микростроениедревесины
Данных
, касающихся микростроения резонансной древесины, сопряженности ее звукоизлучаюших свойств с физико-механическими показателями, мало. Ранее считалось, что резонансные свойства древесины хвойных пород создаются за счет довольно простого и упорядоченного анатомического строения. Основная часть объема такой древесины представлена трахеидами — сильно вытянутыми волокнами с одревесневшими стенками, которым ошибочно приписывалась роль вытянутых струн, резонирующих звуки от действия музыкального инструмента Некоторые исследователи приписывали большую акустическую роль в древесине сердцевинным лучам, которых уели бывает более 4 тыс. шт./см
2
. Большое количество данного анатомического элемента и считалось благоприятным признаком резонансной древесины.
И
.И.Кузнецов предполагал, что уели из различных районов произрастания длина волокна, толщина стенок трахеид, количество и развитие сердцевинных лучей окажутся варьирующими, соответственно обнаружится различие в акустических свойствах. Он же отмечает, что непригодность для изготовления деки древесины других пород, хотя и имеющих высокую упругость (например, березы, бука и т.д.), связана с отсутствием у них ясно выраженных годичных колец, как есть уели. Одной из основательных работ, выполненных отечественными учеными, являются исследования микроскопического строения резонансной древесины ели европейской из лесов Чувашии. Н.В. Атуриной были установлены следующие отличительные признаки резонансной древесины ели высокого качества
1) модуль упругости и плотность древесины не зависят от процентного содержания площадей сечения полостей и стенок трахеид
2) минимальный модуль упругости (приданной средней плотности древесины) связан с низким содержанием лигнина и клеточных стенок и, следовательно, с меньшим их одревеснением
3) минимальное содержание лигнина наблюдается в образцах с большим количеством окаймленных пор на радиальных стенках трахеид) толщина клеточных стенок поздних трахеид примерно в два раза превышает толщину соответствующих стенок ранних трахеид.
58 Важен сделанный автором вывод о том, что распознавать резонансную древесинуможнотолькопутемсочетаниямикроскопических и
макроскопическихметодовдиагностики.
Н
.И.Лайранд и А.А.Яценко-Хмелевский изучали роль поздней зоны в формировании резонансных свойству ели обыкновенной, произрастающей в лесах Карелии. Авторами установлено, что акустические качества древесины ели выше в том случае, когда удельный объем плотной массы поздней зоны превышает объем полостей поздних трахеид. В числе важных современных работ в области анатомии резонансного материала – исследования, выполненные Л.А. Арганашвили на примере ели восточной и пихты кавказской. Основные выводы работы
1) динамика колебания ширины годичного слоя (уели восточной
0,5–4,5 мм пихты кавказской 0,5–5,0 мм) вызывает изменения только плотности и модуля упругости само соотношение этих параметров не оказывает заметного влияния на величину акустической константы
2) содержание поздней древесины оказывает большое влияние, в первую очередь, на плотность и модуль упругости данного материала, но когда ее доля превышает 35% в структуре годичного кольца, то значение акустической константы резко снижается. Современные представления зарубежных ученыхо резонансной древесине в зависимости от ее анатомического строения в первую очередь сводятся к решающей роли взаимопроницаемости системкле-
ток
, расположенных вдоль и поперек оси ствола, те. трахеид и сердцевинных лучей. С этих позиций рассматриваются трахеиды – их величина, плотность и толщина мембран, пор, положение мицелл в стенках клеток, соотношение долей ранних и поздних трахеид, способность образования лигнина, степень очищенности от смоли других органических веществ
Основой новой теории качества резонансной древесины является известная закономерность, что звукопроводность хотя и остается важным свойством, однако решающим для данного материала являяются внутреннее трение, которое должно быть малым (чтобы не препятствовать распространению звука, а также скорость затуханияколеба-
ний
, которая, наоборот, должна быть большой (чтобы тон быстро затухали его мог сменить новый тон, возникающий на струне. Благодаря такому сочетанию поддерживаются чистота, и тембр звука. Внутреннее трение и затухание колебаний у древесины обусловлены множеством мелких, микроскопических и субмикроскопических полостей и отверстий, заполненных воздухом. Они не повышают трения, но поддерживают затухание колебаний. Следовательно, кроме обще- технических требований к резонансной древесине (соотношение высокого модуля упругости и малой плотности) необходимо наличие определенного объема пустых отверстий в древесине для обеспечения малого внутреннего трения и высокого затухания колебаний.
59 Профессор В.И. Федюков, исследовав микроструктуру образцов ели, сделал заключение, что высококачественная резонансная древесина ели отличается следующими показателями
1) переход ранней древесины в позднюю – резкий при наличии переходной зоны ее ширина не более 8–10% ширины ранней зоны годичного кольца (подразумевается, что переходная зона – часть ранней
2) тонкостенные угольные в поперечном сечении ранние трахеиды с толщиной оболочек в 2,0–3,2 мкм, расположенные ровными правильными рядами, те. радиальными популяциями
3) равномерно уменьшающийся радиальный размер трахеид в радиальной популяции
4) длинные ровные ранние трахеиды (в среднем 3,2–3,5 мм) с равномерно расположенными на их радиальных стенках окаймленными порами в 1–2 ряда
5) длинные ровные поздние трахеиды (в среднем 3,5–4,5 мм) стенки которых лишены пор. Установлено также, что между качеством резонансной древесины и линейным размером радиальных лучей (однорядных и веретеновид- ных
) имеется прямая положительная связь. А вот количество лучей на единицу площади и их общий объем заметного влияния на акустические показатели не оказывают. Абсолютное значение ширины годичных колец оказывает лишь незначительное влияние на акустические параметры древесины ели. Более существенная роль здесь принадлежит удельному распределению поздних трахеид. Высокие резонансные свойства лесоматериала достигаются, как правило, если содержание поздних трахеид в годичных слоях древесины не будет превышать 20%.
6.3.
Изменчивостьрезонансныхсвойствдревесины внутристволадерева
Деки для музыкальных инструментов вырабатываются из пиломатериалов строго радиальной распиловки и, как правило, в этих целях древесина отбирается на определенном участке по радиусу ствола. В связи с
этим возникает необходимость, особенно для изготовления высококачественных (заказных) инструментов, найти наилучшую зону ствола дерева относительно сторон света. Вторая технологическая особенность изготовления деки – ее ко- роткомерность
; длина заготовок для этой детали у большинства музыкальных инструментов колеблется в небольших пределах. Поскольку физико
-механические свойства древесины сильно отличаются по высоте ствола, приходится искать лучшую часть дерева ив этом направлении Поэтому, для производства музыкальных инструментов представляют немаловажный практический интерес исследования изменчивости резонансных свойств древесины внутри ствола как относительно сторон света, таки по высоте дерева
Влияниесторонсветанадендрометрическиепараметры ствола. В лесоматериалах не только общего, но и специального назначения, включая заготовки и детали для массового изготовлениямузы-
кальных инструментов, обычно не придается практического значения свойствам древесины в зависимости от ее нахождения относительно сторон света. Принято считать, например, что на содержание поздней древесины стороны света не оказывают влияния, а эксцентричность ствола вызывается преимущественно действием других факторов неравномерным развитием кроны, действием ветра и т.д. Между тем еще в давние времена мастера по изготовлению скрипок и других инструментов в единичных (заказных) экземплярах придавали отбору материала в стволе особое значение. Причем многие предпочитали древесину с северной стороны, а в южной видели лучшую дровяную, хотя некоторые мастера были за древесину, взятую с южной стороны ствола. Специальных научных исследований, касающихся дендро
- акустических различий древесины в зависимости от сторон света, практически нет. Однако имеются данные об особенностях анатомического строения и макроструктуры по секторам ствола, чем косвенно подтверждается необходимость целенаправленного изучения в этом аспекте древесины ели, кедра и пихты кавказской. На данном уровне исследования можно сделать заключение, что нет общего правила или критерия об использовании древесины в зависимости от ее расположения в стволе но некоторые деревья в определенных условиях произрастания могут иметь на северной стороне лучшую резонансную древесину, по сравнению с другими сторонами. Существуют мнения ученых и практиков о том, что верхняя часть ствола по сравнению с нижней имеет большую гибкость – и древесина здесь отличается лучшими резонансными свойствами. Раньше, когда были возможности отбирать достаточно толстые деревья ели, мастера- индивидуалы брали древесину, как правило, на расстоянии не менее 4–
6 мот комля.
6.4.
Диагностикарезонанснойдревесины
6.4.1.
Косвенныеспособыдиагностики
Косвенные способыоснованы на прогнозировании запасов резонансного материала по визуальной оценке дерева на корню, почвенно- климатическим или географическим условиям его местопроизрастания.
61
Общийвидисостояниедерева
. Среди мастеров существует точка зрения, что отбираемое для изготовления музыкальных инструментов дерево ели должно отвечать следующим основным требованиям) абсолютно вертикальный ствол
2) симметричная, узкая и островершинная крона
3) ствол с цилиндрической поверхностью и бессучковой зоной не менее 5–6 метров
4) в бессучковой зоне не должно быть видны пороки и повреждения Котируются более толстые стволы при диаметре менее 35 см на уровне груди, те. при возрасте дерева менее 100–120 лет, считается нецелесообразным использование дерева как источника резонансного материла. Такие требования к резонансному дереву продиктованы прежде всего технолого-экономическими соображениями, включая максимальный выход делового сортимента, допустимые параметры деки для того или иного музыкального инструмента. Что же касается возможности связей между акустическими характеристиками древесины и указанными параметрами дерева, то специальных исследований в этом направлении пока нет. Румынский ученый В. Грапини приводит более подробные данные для резонансной ели крона в виде колонны, почти симметричная и постепенно убывает от основы к вершине под углом 30°–40°, образована из тонких ветвей, ориентированных в большинстве вниз ветви из третьей части середины и низа кpoны приросли в ствол под углом 30°–40°; крупные сучья располагаются мутовками, кроме того есть еще и ветви вне мутовок ветви второго порядка сравнительно редкие, тонкие, длинные, свисающие, пепельно-зеленого цвета ветви третьего порядка также редкие, тонкие, но светло-зеленого цвета хвоинки расходятся, равномерно распределяясь на ветви, ноне нагромождены на вершине. Многие мастера – индивидуалы также считают, что нисходящие ветви являются признаком резонансной ели.
Структураицветкоры
. Эти морфологические признаки деревьев ели чаще всего используются мастерами при отборе материала для изготовления музыкальных инструментов, причем в одинаковой степени как на корню, таки в круглых сортиментах. Однако и здесь нет единого мнения о каком-либо характерном признаке, принятом в качестве диагностического, по мнению ряда французских мастеров, кора у резонансной ели должна быть серого цвета и состоять из достаточно малых и гладких чешуй. Румынские специалисты считают, что еловые деревья с округлыми, вогнутыми чешуями – с большой вероятностью резонансные. НА.
62
Санкин считает, что следует отдавать предпочтение ели чешуекорой формы, как обладающей большей генетической пластичностью.
Внешнийвиддревесины.
Это понятие включает следующие основные показатели макроструктуру цвет, характеризующийся, в свою очередь, такими параметрами, как цветовой тон, светлота и чистота, блеск, текстура. Макроструктура как диагностический признак древесины широко учитывается при визуальной оценке многих физико-механических и эксплуатационных характеристик, включая и резонансные. Такие показатели макроструктуры, как ширина и равнослойность годичных колец, содержание в них поздней древесины, включены в стандарты разных стран в качестве основного критерия при отборе резонансного сырья. Считается, что более узкослойная древесина придает инструменту жесткий, металлический звука широкослойная – приглушенный. Особые требования предъявляются к равнослойности годичных колец. Однако встречаются смычковые инструменты, в том числе скрипки и даже у знаменитых представителей староитальянских школ, где верхние деки сделаны из более широкослойной древесины, чем того требуют нынешние стандарты. Следовательно, за счет варьирования конструкции инструмента в соответствии с «xapaктером» материала эти мастера могли добиться выдающихся результатов независимо от этого параметра макроструктуры (или в качестве критерия музыкальности древесины выбирали другие признаки и держали их в секрете. Например, особое место в выдающихся произведениях мастеров кремонской школы занимает разновидность ели Haselfichte, со свилеватой древесиной ель эта никогда не растет большими группами, а обнаруживается в виде одиночных деревьев в чешских и баварских лесах, в
Альпах
Как отмечает Н.С.Нестеров, российские мастера по особенностям макроструктуры на радиальном разрезе различали три сорта резонансной древесины ели струистую, пламенистую, краснослойную. Струистая древесина в пределах прямых годичных слоев имеет слегка волнообразный сдвиг древесных волокон. Она отличается эластичностью, дает чистые тона и является наиболее ценной для изготовления деки, особенно смычковых инструментов. Пламенистая по текстуре напоминает язычки пламени и отличается красивым узорчатым видом, схожим с древесиной клена. Такая древесина хотя и уступает струистой, но тем не менее находит применение в инструментальном деле. Такой материал особо ценится в столярном производстве.
В
краснослойной древесине зона поздней части годичного кольца резко отличается своим красным цветом от бледно-желтой ранней части. Плотность такой древесины на 15–20% выше обычной. Ценится она сравнительно ниже, чем вышеназванные сорта.
63 Цвет древесины характеризуется словесными описаниями, а в древесиноведческой науке при более строгом подходе – колориметрическими показателями, определяемыми с помощью фотоэлектрических приборов или атласов цветов цветовым тоном
λ
, чистотой Р и светлотой При целевом отборе материала для изготовления музыкальных инструментов характеристики цвета используются в первую очередь в эстетических целях, а также для визуальной оценки качества и состояния древесины как правило, бракуется древесина с такими пороками, как синева, водослой, крень, что нетрудно определить по соответствующему зрительному образу. Что же касается древесины для изготовления основной зву- коизлучающей детали – деки, то многие мастера пригодность оценивают и по зрительному ощущению отражаемого данным материалом цветового потока, те. субъективным определением цвета. Однако нет единого мнения о цвете древесины как о визуальном диагностическом признаке акустических свойств одни мастера предпочитают для деки древесину ели более светлых, белых, а другие – желтых тонов. Даже официальные стандарты предъявляют разные требования к цвету резонансного материала. Например, ТУ 205 РФ (взамен ГОСТ 6900-83) допускают желтый приемлемый цвет древесины ели, а стандарт Польши Р 095071 для этой же породы и для пихты – белый. Возможно, это связано с принадлежностью деревьев к той или иной генетической форме. Может быть, такие противоречивые взгляды вызваны и тем обстоятельством, что нет пока объективных научных подтверждений в пользу того или иного цвета резонансной древесины. Блеск древесины как ее способность направленно отражать световой поток издавна используется мастерами инструментального дела для распознавания качественного материала. Например, считается, что древесина ели нашего русского северного типа, имеющая нежный и шелковистый блеск ив тоже время ярко выраженные тонкие слои, придает тембру звука нежность, серебристость и приятную завуалирован- ность
, а древесина с более грубым блеском, особенно в указанном Ha- selfichte, – силу, интенсивность, но вместе с этим (при недостаточно тщательной обработке деки) – грубость. Оба эти типа древесины встречаются в инструментах итальянских мастеров. Немецкие мастера предпочитают ель с резкими и крупными блестками, называемую ими Spiegel, те. зеркало. Кроме акустического эффекта, блеск, наряду с цветом и текстурой, играет в инструментах и чисто эстетическую роль, поэтому мастер при отборе материала, безусловно, обращает внимание и на эту сторону. Текстура, илирисунок на поверхности древесины, наравне с макроструктурой является диагностическим признаком для визуального
64 отбора резонансного лесоматериала. Кроме того, по текстуре сравнительно легко можно определить наличие и соответствующие характеристики такого порока древесины, как наклон волокон, что является одним из основных параметров в оценке пригодности материала для изготовления деки практически всех видов музыкальны инструментов. Тем не менее, основная роль текстуры заключается в том, что она предопределяет декоративную ценность древесного материала. Это свойство древесины приобретает особую значимость в целевом выращивании и отборе клена с оригинальной текстурой для изготовления нижней деки щипковых, смычковых и других музыкальных инструментов. Запах Некоторые мастера при наборе дек для инструмента в качестве диагностического признака используют запах древесины. По всей видимости, таким путем они определяют прежде всего смолистость материала, т. к. смолистые вещества, как известно, отрицательно влияют на акустические показатели древесины. Следовательно, более душистая древесина мастерами бракуется. Упругость Косвенным можно считать способ, которым раньше довольно часто пользовались мастера при определении упругости древесины. Принцип этого способа прости заключается в том, что из отобранного материала изготавливается небольшой брусочек, который одним концом приклеивается к доске а другой конец (торцовый) натирается шерстяной тряпкой, покрытой канифолью. Чем выше тон, производимый испытуемым образцом, тем выше считается упругость древесины. При всем удобстве и простоте данный способ не лишен недостатков. Здесь не исключается субъективный подход, ибо на результатах такой диагностики древесины, несомненно, сказываются опыт и уровень развития слуха мастера.
расчеты получаются достаточно надежными только для лег- копропитываемой древесины, имеющей не слишком большую влажность
Хотя создание избыточного давления является эффективным средством введения в
древесину жидкостей, однако оно не дает возможности производить сплошную пропитку древесины любых породи во всех случаях
Хо
- рошо пропитывается под действием внешнего давления только древесина безъядровых лиственных породи заболонь ядровых пород влажностью, не превышающей 50–60%. Очень сырые сортименты и
сортименты трудно- пропитываемых пород требуют перед пропиткой проведения дополнительных операций по подготовке древесины.
Диффузияпропитывающихвеществвдревесину
Если сырая древесина погружена в
раствор соли или покрыта пастой, замешенной на растворе, молекулы или ионы соли диффундируют из раствора вводу, заполняющую полости клеток
Происходит так называемая диффузионная пропитка, которая, очевидно, неприменима для древесины, не содержащей (или содержащей мало) свободной воды
49 Плотность диффундирующего потока характеризуется уравнением
Фика
,
dx
d
D
i
ω
−
=
(5.12) где D – коэффициент диффузии, мс d
ω
/dx – градиент концентрации вещества вводе, находящейся в
полостях клеток, кг
/(
м
3
⋅
м
). Коэффициент диффузии тех или иных веществ в
древесину зависит от ее влажности и
температуры
, направления потока относительно волокон, вязкости растворителя, размера диффундирующих молекул или ионов
Диффузия молекул или ионов пропитывающего вещества в
капил
- лярной системе древесины протекает значительно медленнее, чем в
свободном растворе, т
к лишь часть ее поперечного сечения заполнена жидкостью и
движущиеся частицы вынуждены преодолевать дополнительные сопротивления при прохождении через мембраны пор
Расче
- тами установлено, что коэффициенты диффузии для свежесрубленной древесины хвойных пород могут определяться из отношений в
направлении поперек волокон 0
D
D
=
⊥
(5.14) в
направлении вдоль волокон 0
D
D
=
c
(5.13) где D
o
– коэффициент диффузии для свободных растворов (справочные данные. Соотношения 5.13 и 5.14 дают лишь ориентировочные значения коэффициентов диффузии вещества в
древесине
Более точно они определяются экспериментально
Например
: эмпирические формулы коэффициентов диффузии фтора и
мышьяка
(широко используемых при пропитке, мс в
заболонной древесине сосны поперек волокон для фтора 0044
,
0 005
,
0 04
,
0 955
,
1 11 ф (5.15) для мышьяка 0021
,
0 005
,
0 015
,
0 332
,
0 11 м (5.16) Из формул видно, что коэффициенты диффузии возрастают с
по
- вышением температуры и
влажности древесины
Например
: в
цилиндрический древесный сортимент радиусом R рис. 5.3) с
заболонью толщиной δ введен путем пропитки под давлением раствор вещества определенной концентрации на глубину η. После пропитки вещество из зоны глубиной η диффундирует только в
зону заболони глубиной = δ
–η, т
к вещество на поверхность сортимента не поступает, а
диффузия в
ядро
(зона глубиной R–δ) практически отсутствует, так как коэффициент диффузии в
ядровую древесину из- за ее низкой влажности и
пониженной проницаемости на 2–3 порядка меньше, чем в
заболонную
Рис
. 5.3. Схема к
анализу процесса диффузионной пропитки
Эмпирические расчеты позволили установить, что концентрация вещества на внутренней границе зоны глубиной η на всем протяжении процесса приблизительно постоянна и
равна
,
=
δ
η
ω
ω
η
(5.17) где ω – средняя начальная концентрация в
зоне начальной пропитки глубиной η. Рассматривая соотношение как граничное условие для зоны диффузии глубиной, получаем приближенное уравнение продолжительности процесса диффузии, необходимой для доведения концентрации вещества на внутренней границе заболони (те зоны толщины δ) доза- данной величины ω
δ
: ln
2
δ
η
η
ω
ω
ω
υ
τ
−
=
D
(5.18) С помощью этого уравнения можно также определять концентрацию, которая будет достигнута на внутренней границе заболони за заданное время Важным показателем процесса пропитки является поглощение П, кг
/м
3
, характеризующее массу сухого пропитывающего вещества, введенного в единицу объема древесины. Между концентрацией вещества вводе, содержащейся в древесине, ω и поглощением П существует зависимость н п
б н
п б
в
W
W
П
u
u
П
−
=
−
=
ρ
ρ
ρ
ω
(5.19)
51 где
ρ
б
– базисная плотность древесины, кг/м
3
;
W
– влажность древесины к моменту обработки, %; и – влагосодержание древесины, кг/кг; в – плотность воды (1000 кг/м
3
). При пропитке древесины водными растворами в нее вводится под давлением некоторое количество раствора. Плотность древесины при этом возрастает на величину V
p
1000, где р – объем раствора, введенного в единицу объема древесины. Концентрация же вещества в древесине соответственно уменьшается по сравнению с концентрацией вводимого в нее раствора и определяется по выражению
(
)
,
10 10 н п
б р
с р (5.20) где
ω
с
— концентрация вещества в растворе, вводимом в древесину Поскольку величина поглощения П = V
р
ω
с
, выражение 5.20 после преобразований может быть представлено в виден п
б с
W
W
П
П
−
+
=
ω
ρ
ω
ω
(5.21).
Контрольныевопросы:
1. Что такое пропитка древесины Какие физические явления включает в себя процесс пропитки 2. На какие группы по сравнительной проницаемости жидкостями древесины разделяют породы 3. Что такоекоэффициент поверхностного натяжения и угол смачивания 4. Каков механизм движения жидкости в древесине под действием капиллярных сил. 5. Раскройте механизм движения жидкости в древесине под действием избыточного давления. 6. Раскройте механизм диффузии пропитывающих веществ в древесину. 7. Что такое поглощение Отчего зависит его величина
52 Глава 6. Резонансныесвойствадревесины
6.1.
Основныетребованияксвойствамрезонанснойдревесины
6.1.1.
Общеепонятиеорезонанснойдревесине
Резонанснойпринято называть древесину, применямую для изготовления музыкальных инструментов, точнее основной их звукоизлу- чающей детали – деки. Хотя в природе немало других материалов, обладающих акустическими свойствами, даже превосходящими древесину по силе излучаемого звука, по нежности и тембровой окраске звучания, пока не найдено достойного ее заменителя и вряд ли это будет сделано в обозримом будущем. Однако далеко не каждое дерево и не во всех условиях формирует резонансную древесину даже в пределах одной породы деревья, как и люди, обладают разным уровнем музыкальных способностей. Термин резонансная древесина, если судить строго, неправилен как с физической, таки с технической точек зрения. Под резонансом, как известно, в физике подразумевается возбуждение колебаний в системе, когда в случае совпадения частот двух тел и непосредственной их близости колебание одного передается другому. Поскольку длина звуковых волн, распространяющихся по деке поперек волокон, весьма велика по сравнению с расстоянием между волокнами древесины, то следует рассматривать не как струнную систему, а как целостный материал. Лишь
3 – 5% общей энергии, подводимой от струны к деке, излучается в окружающую среду (воздух) в виде звука, а значительная часть ее теряется внутри материала деки, в местах закрепления на корпусе инструмента. Следовательно, называя древесину, используемую для изготовления дек музыкальных инструментов, резонансной, следует понимать это слово несколько вином значении, чем принято считать в физике. Очевидно, оно более близко по смыслу французскому resonance или латинскому, что означает «звучу в ответ. Иными словами, древесину, используемую для дек, называют резонансной за ее акустическую отзывчивость в широком диапазоне частот, придающую особую, свойственную только данному материалу тембровую окраску музыкальному звучанию инструмента. Поэтому используемую в этих целях древесину можно считать в строгом и узком техническом значении дечной, но широкое применение в практике и технической литературе нашло сегодня все же название резонансная древесина.
6.1.2.
Параметрырезонанснойдревесины
Дека должна обеспечить наилучшее излучение звуков всех частот, передаваемых от струн. Поэтому необходимо определить те физико- механические параметры, которые характеризуют максимальное излучение звуковой энергии древесиной приданной конфигурации деки включая закрепление и точки действия струн. Поскольку деки музыкальных инструментов имеют весьма разнообразные и сложные формы, в практике принято, что дека приравнивается к плоской пластинке эллиптической формы. Основная сложность, которая касается древесины, – это ее анизотропность, те. различие физико-технических свойств потрем осям симметрии вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях. Академик Н.Н. Андреев рассчитал мощность излучения деки, Вт
(
)
,
2 2
2 1
2 2
2
r
r
mf
f
q
r
F
N
+
+
−
=
(6.1) где F – амплитуда колебаний, м
r
1
– коэффициент внутреннего трения (сопротивления) материала
r
2
– коэффициент излучения
q – коэффициент упругости при прогибе деки т – масса деки, кг
f
– частота колебаний,
Гц
Учитывая
, что коэффициент значительно больше, чем r
2
, и
заме
- нив на k, эту формулу можно представить в
виде
2 2
1 2
2 2
r
k
r
F
N
+
=
(6.2) Следовательно, для наибольшей отдачи энергии воздуху N
max потери на внутреннее трение k и должны быть наименьшими, а
коэф
- фициент излучения r
2
–
наибольшим
Если представить k в другом выражении, а
именно через массу и
собственную частоту материала f
0
, то 2
0
f
f
f
m
k
−
=
(6.3) Из этого следует, что при постоянной собственной частоте колебаний деки музыкального инструмента масса его должна быть наименьшей Чтобы излучение было неискаженным (для сохранения чистоты звучания, необходимо условие, при котором собственная частота системы была бы как можно более высокой
Таким образом, последние существенные требования можно выразить как соотношение f
0
/m , причем значение его должно быть наибольшим Используя возможность выражения собственной частоты системы в
виде
m
q
f
=
2 0
, можно преобразовать его
54 1
3 0
m
q
m
q
m
m
f
=
=
(6.4) Требования оптимального излучения материала
1) потери на внутреннее трение должны быть наименьшими
2) коэффициент излучения r
2 должен быть максимальным
3) масса деки должна быть наименьшей (при постоянной собственной частоте колебаний
4) при сравнительно малой массе дека должна обладать лучшими упругими свойствами
Коэффициент упругости q представляет собой функцию модулей упругости Е
по различным осям симметрии, те для деки – потрем направлениям вдоль волокон Ев радиальном Ев тангенциальном Е
t
.
Поскольку масса тела т
пропорциональна ее плотности, а между модулями упругости в
этих направлениях существует определенная зависимость, тес увеличением Е
a
пропорционально увеличиваются Е
r
и
Е
t
, при этом Е
a
значительно превышает значения последних двух, то выражение (6.4) можно представить в
виде
3
ρ
a
E
Последнее выражение характеризует звукоизлучающую способность древесины исходя из соотношения ее модуля упругости и
плотно
- сти
Причем важно иметь ввиду, что дека в
музыкальном инструменте работает в
динамическом режиме, поэтому модуль упругости следует учитывать соответственно в
динамике
, те. E
a дин, что, в
отличие от статистических характеристик, свойственно вибрационным системам в
об
- ласти звуковых или ультразвуковых частот
Выраженная зависимость между упругостью и
плотностью материала называется акустическойконстантой акад
Н
Н
Андреева
, м
4
/(
кг
•
с
) дин (6.5) где дин – динамический модуль упругости вдоль волокон, Нм
ρ
– плотность древесины, кг
/
м
3
Для примера наибольшую величину акустической константы имеет древесина ели, пихты кавказской и
сосны сибирской (кедра) – 12–16 м
4
/(
кг
⋅
с
). Акустическая константа, хотя и
характеризует качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, ноне является единственным объективным параметром для отбора резонансного сырья
Этот показатель чаще применяется как первичный акустический критерий, характеризующий пригодность древесины для изготовления деки того или иного музыкального инструмента
Поскольку древесина в
зависимости от особенностей на уровне макро
-, микро
- и
субмикростроения представляет собой упруго- вязкий (а
55 при определенных температурно
- влажностных условиях и
пластичный
) материал, то качество деки определяется не только упругими свойствами, но и
вязкостью
В
данном случае вязкость характеризуется способностью материала поглощать энергию от струн
Реальные тела не являются совершенно упругими, при распространении в
них напряжений часть энергии превращается в
тепло
Различные процессы этих превращений объединяются общим названием – внутреннеетрение. Величина потери энергии при колебаниях на внутреннее трение
(
вредные потери) определяется через его коэффициент (6.6) где ∆W – потери энергии за период, Дж
W
– энергия колебательного движения,
Дж
С
учетом вязкости, или внутреннего трения, более достоверным показателем величины акустической константы является 3
ρ
η
E
K
=
(6.7) Иными словами, в результате потери энергии на внутреннее трение происходит затухание амплитуды колебаний деки после прекращения действия источника колебаний. Объективным показателем, характеризующим скорость затухания колебаний при этом является логарифмическийдекрементколебаний
(
затуханий
) δ,
Нп
(
Непер
– отношение двух физических величин, натуральный логарифм которых равен единице, который представляет собой натуральный логарифм двух амплитуд, отдаленных друг от друга интервалом в
один период
,
ln
2 1
A
A
=
δ
(6.8) где Аи А – амплитуды колебаний в
интервале двух соседних периодов Логарифмический декремент колебаний связан с коэффициентом внутреннего трения
πη
δ
=
(6.9) Значение зависит от многих факторов направления действия возникающих при колебаниях напряжений (вдоль или поперек волокон, породы древесины, ее влажностно-температурных параметров, макро- и микроструктуры и т.д. Например, при распространении колебаний поперек волокон скорость затухания их увеличивается примерно в четыре раза, по сравнению с распространением колебаний вдоль волокон. Минимальное значение
δ
у древесины большинства пород наблюдается при 6–8% влажности при снижении ее до абсолютно сухого состояния и при повышении влажности до предела насыщения клеточных стенок происходит возрастание декремента. Дальнейшее увлажнение древесины не оказывает существенного влияния на него.
56 Для практических целей в отборе резонансной древесины широко используются также и другие, сравнительно легко определяемые показатели, включая породу, макростроение и ряд размерно-качественных параметров лесоматериалов в круглом или пиленом виде. Лучшей породой в этом смысле считается во всем мире ель, хотя стандарты на резонансный лесоматериал допускают использование пихты кавказской и кедра.
6.2. Строение, свойстваикачестворезонанснойдревесины
6.2.1.
Макростроениедревесины
Показатели макростроения (ширина годичных колец, равнослой- ность
, содержание поздней древесины) остаются пока основным диагностическим признаком качества резонансного сырья, утвержденным соответствующими стандартами многих стран. Как правило, за небольшими исключениями, официально признается в этих целях древесина мелко- слойная с шириной годичных колец 1–4 мм. Для мастеров по изготовлению музыкальных инструментов такой показатель макроструктуры древесины давно не является общепризнанным. Например, старые немецкие скрипичные мастера применяли обычно очень узкослойную древесину, а братья Амати, как и Андреа
Гварнери
, отбирали довольно широкослойную. В научных исследованиях разных авторов стали появляться противоречивые выводы о взаимосвязи между макроструктурными и акустическими показателями резонансной древесины. Профессор В.И. Федюков провел исследования по определению макроструктуры древесины и акустических констант. Результаты исследования показали, что практически отсутствует достоверная связь между шириной годичного слоя и акустическими константами – как в поперечном, таки продольном направлениях. Содержание поздней древесины ≤ оказывает более значимое влияние на резонансные свойства, особенно на радиальную и тангенциальную акустические константы, хотя и эти связи выражены слабо. Тем не менее, в принципе, и для акустических свойств подтверждается известное положение о том, что связь между шириной годичного слоя и наиболее важными физико-механическими показателями древесины довольно слабая гораздо более надежным показателем ее является содержание поздней древесины. Подтверждается также закономерность проявления резонансных свойств в обратной зависимости от процентного содержания поздней древесины (все акустические константы имеют отрицательную корреляцию с этим показателем. Вывод. При диагностике резонансного материала недостаточно ограничиться только указанными параметрами его макроструктуры.
57 Весьма значимую информацию об акустических характеристиках древесины имеет характер перехода ранней древесины к поздней, поэтому целесообразно дифференцированное определение в годичных слоях ширины ранней, переходной и поздней зон.
6.2.2.
Микростроениедревесины
Данных
, касающихся микростроения резонансной древесины, сопряженности ее звукоизлучаюших свойств с физико-механическими показателями, мало. Ранее считалось, что резонансные свойства древесины хвойных пород создаются за счет довольно простого и упорядоченного анатомического строения. Основная часть объема такой древесины представлена трахеидами — сильно вытянутыми волокнами с одревесневшими стенками, которым ошибочно приписывалась роль вытянутых струн, резонирующих звуки от действия музыкального инструмента Некоторые исследователи приписывали большую акустическую роль в древесине сердцевинным лучам, которых уели бывает более 4 тыс. шт./см
2
. Большое количество данного анатомического элемента и считалось благоприятным признаком резонансной древесины.
И
.И.Кузнецов предполагал, что уели из различных районов произрастания длина волокна, толщина стенок трахеид, количество и развитие сердцевинных лучей окажутся варьирующими, соответственно обнаружится различие в акустических свойствах. Он же отмечает, что непригодность для изготовления деки древесины других пород, хотя и имеющих высокую упругость (например, березы, бука и т.д.), связана с отсутствием у них ясно выраженных годичных колец, как есть уели. Одной из основательных работ, выполненных отечественными учеными, являются исследования микроскопического строения резонансной древесины ели европейской из лесов Чувашии. Н.В. Атуриной были установлены следующие отличительные признаки резонансной древесины ели высокого качества
1) модуль упругости и плотность древесины не зависят от процентного содержания площадей сечения полостей и стенок трахеид
2) минимальный модуль упругости (приданной средней плотности древесины) связан с низким содержанием лигнина и клеточных стенок и, следовательно, с меньшим их одревеснением
3) минимальное содержание лигнина наблюдается в образцах с большим количеством окаймленных пор на радиальных стенках трахеид) толщина клеточных стенок поздних трахеид примерно в два раза превышает толщину соответствующих стенок ранних трахеид.
58 Важен сделанный автором вывод о том, что распознавать резонансную древесинуможнотолькопутемсочетаниямикроскопических и
макроскопическихметодовдиагностики.
Н
.И.Лайранд и А.А.Яценко-Хмелевский изучали роль поздней зоны в формировании резонансных свойству ели обыкновенной, произрастающей в лесах Карелии. Авторами установлено, что акустические качества древесины ели выше в том случае, когда удельный объем плотной массы поздней зоны превышает объем полостей поздних трахеид. В числе важных современных работ в области анатомии резонансного материала – исследования, выполненные Л.А. Арганашвили на примере ели восточной и пихты кавказской. Основные выводы работы
1) динамика колебания ширины годичного слоя (уели восточной
0,5–4,5 мм пихты кавказской 0,5–5,0 мм) вызывает изменения только плотности и модуля упругости само соотношение этих параметров не оказывает заметного влияния на величину акустической константы
2) содержание поздней древесины оказывает большое влияние, в первую очередь, на плотность и модуль упругости данного материала, но когда ее доля превышает 35% в структуре годичного кольца, то значение акустической константы резко снижается. Современные представления зарубежных ученыхо резонансной древесине в зависимости от ее анатомического строения в первую очередь сводятся к решающей роли взаимопроницаемости системкле-
ток
, расположенных вдоль и поперек оси ствола, те. трахеид и сердцевинных лучей. С этих позиций рассматриваются трахеиды – их величина, плотность и толщина мембран, пор, положение мицелл в стенках клеток, соотношение долей ранних и поздних трахеид, способность образования лигнина, степень очищенности от смоли других органических веществ
Основой новой теории качества резонансной древесины является известная закономерность, что звукопроводность хотя и остается важным свойством, однако решающим для данного материала являяются внутреннее трение, которое должно быть малым (чтобы не препятствовать распространению звука, а также скорость затуханияколеба-
ний
, которая, наоборот, должна быть большой (чтобы тон быстро затухали его мог сменить новый тон, возникающий на струне. Благодаря такому сочетанию поддерживаются чистота, и тембр звука. Внутреннее трение и затухание колебаний у древесины обусловлены множеством мелких, микроскопических и субмикроскопических полостей и отверстий, заполненных воздухом. Они не повышают трения, но поддерживают затухание колебаний. Следовательно, кроме обще- технических требований к резонансной древесине (соотношение высокого модуля упругости и малой плотности) необходимо наличие определенного объема пустых отверстий в древесине для обеспечения малого внутреннего трения и высокого затухания колебаний.
59 Профессор В.И. Федюков, исследовав микроструктуру образцов ели, сделал заключение, что высококачественная резонансная древесина ели отличается следующими показателями
1) переход ранней древесины в позднюю – резкий при наличии переходной зоны ее ширина не более 8–10% ширины ранней зоны годичного кольца (подразумевается, что переходная зона – часть ранней
2) тонкостенные угольные в поперечном сечении ранние трахеиды с толщиной оболочек в 2,0–3,2 мкм, расположенные ровными правильными рядами, те. радиальными популяциями
3) равномерно уменьшающийся радиальный размер трахеид в радиальной популяции
4) длинные ровные ранние трахеиды (в среднем 3,2–3,5 мм) с равномерно расположенными на их радиальных стенках окаймленными порами в 1–2 ряда
5) длинные ровные поздние трахеиды (в среднем 3,5–4,5 мм) стенки которых лишены пор. Установлено также, что между качеством резонансной древесины и линейным размером радиальных лучей (однорядных и веретеновид- ных
) имеется прямая положительная связь. А вот количество лучей на единицу площади и их общий объем заметного влияния на акустические показатели не оказывают. Абсолютное значение ширины годичных колец оказывает лишь незначительное влияние на акустические параметры древесины ели. Более существенная роль здесь принадлежит удельному распределению поздних трахеид. Высокие резонансные свойства лесоматериала достигаются, как правило, если содержание поздних трахеид в годичных слоях древесины не будет превышать 20%.
6.3.
Изменчивостьрезонансныхсвойствдревесины внутристволадерева
Деки для музыкальных инструментов вырабатываются из пиломатериалов строго радиальной распиловки и, как правило, в этих целях древесина отбирается на определенном участке по радиусу ствола. В связи с
этим возникает необходимость, особенно для изготовления высококачественных (заказных) инструментов, найти наилучшую зону ствола дерева относительно сторон света. Вторая технологическая особенность изготовления деки – ее ко- роткомерность
; длина заготовок для этой детали у большинства музыкальных инструментов колеблется в небольших пределах. Поскольку физико
-механические свойства древесины сильно отличаются по высоте ствола, приходится искать лучшую часть дерева ив этом направлении Поэтому, для производства музыкальных инструментов представляют немаловажный практический интерес исследования изменчивости резонансных свойств древесины внутри ствола как относительно сторон света, таки по высоте дерева
Влияниесторонсветанадендрометрическиепараметры ствола. В лесоматериалах не только общего, но и специального назначения, включая заготовки и детали для массового изготовлениямузы-
кальных инструментов, обычно не придается практического значения свойствам древесины в зависимости от ее нахождения относительно сторон света. Принято считать, например, что на содержание поздней древесины стороны света не оказывают влияния, а эксцентричность ствола вызывается преимущественно действием других факторов неравномерным развитием кроны, действием ветра и т.д. Между тем еще в давние времена мастера по изготовлению скрипок и других инструментов в единичных (заказных) экземплярах придавали отбору материала в стволе особое значение. Причем многие предпочитали древесину с северной стороны, а в южной видели лучшую дровяную, хотя некоторые мастера были за древесину, взятую с южной стороны ствола. Специальных научных исследований, касающихся дендро
- акустических различий древесины в зависимости от сторон света, практически нет. Однако имеются данные об особенностях анатомического строения и макроструктуры по секторам ствола, чем косвенно подтверждается необходимость целенаправленного изучения в этом аспекте древесины ели, кедра и пихты кавказской. На данном уровне исследования можно сделать заключение, что нет общего правила или критерия об использовании древесины в зависимости от ее расположения в стволе но некоторые деревья в определенных условиях произрастания могут иметь на северной стороне лучшую резонансную древесину, по сравнению с другими сторонами. Существуют мнения ученых и практиков о том, что верхняя часть ствола по сравнению с нижней имеет большую гибкость – и древесина здесь отличается лучшими резонансными свойствами. Раньше, когда были возможности отбирать достаточно толстые деревья ели, мастера- индивидуалы брали древесину, как правило, на расстоянии не менее 4–
6 мот комля.
6.4.
Диагностикарезонанснойдревесины
6.4.1.
Косвенныеспособыдиагностики
Косвенные способыоснованы на прогнозировании запасов резонансного материала по визуальной оценке дерева на корню, почвенно- климатическим или географическим условиям его местопроизрастания.
61
Общийвидисостояниедерева
. Среди мастеров существует точка зрения, что отбираемое для изготовления музыкальных инструментов дерево ели должно отвечать следующим основным требованиям) абсолютно вертикальный ствол
2) симметричная, узкая и островершинная крона
3) ствол с цилиндрической поверхностью и бессучковой зоной не менее 5–6 метров
4) в бессучковой зоне не должно быть видны пороки и повреждения Котируются более толстые стволы при диаметре менее 35 см на уровне груди, те. при возрасте дерева менее 100–120 лет, считается нецелесообразным использование дерева как источника резонансного материла. Такие требования к резонансному дереву продиктованы прежде всего технолого-экономическими соображениями, включая максимальный выход делового сортимента, допустимые параметры деки для того или иного музыкального инструмента. Что же касается возможности связей между акустическими характеристиками древесины и указанными параметрами дерева, то специальных исследований в этом направлении пока нет. Румынский ученый В. Грапини приводит более подробные данные для резонансной ели крона в виде колонны, почти симметричная и постепенно убывает от основы к вершине под углом 30°–40°, образована из тонких ветвей, ориентированных в большинстве вниз ветви из третьей части середины и низа кpoны приросли в ствол под углом 30°–40°; крупные сучья располагаются мутовками, кроме того есть еще и ветви вне мутовок ветви второго порядка сравнительно редкие, тонкие, длинные, свисающие, пепельно-зеленого цвета ветви третьего порядка также редкие, тонкие, но светло-зеленого цвета хвоинки расходятся, равномерно распределяясь на ветви, ноне нагромождены на вершине. Многие мастера – индивидуалы также считают, что нисходящие ветви являются признаком резонансной ели.
Структураицветкоры
. Эти морфологические признаки деревьев ели чаще всего используются мастерами при отборе материала для изготовления музыкальных инструментов, причем в одинаковой степени как на корню, таки в круглых сортиментах. Однако и здесь нет единого мнения о каком-либо характерном признаке, принятом в качестве диагностического, по мнению ряда французских мастеров, кора у резонансной ели должна быть серого цвета и состоять из достаточно малых и гладких чешуй. Румынские специалисты считают, что еловые деревья с округлыми, вогнутыми чешуями – с большой вероятностью резонансные. НА.
62
Санкин считает, что следует отдавать предпочтение ели чешуекорой формы, как обладающей большей генетической пластичностью.
Внешнийвиддревесины.
Это понятие включает следующие основные показатели макроструктуру цвет, характеризующийся, в свою очередь, такими параметрами, как цветовой тон, светлота и чистота, блеск, текстура. Макроструктура как диагностический признак древесины широко учитывается при визуальной оценке многих физико-механических и эксплуатационных характеристик, включая и резонансные. Такие показатели макроструктуры, как ширина и равнослойность годичных колец, содержание в них поздней древесины, включены в стандарты разных стран в качестве основного критерия при отборе резонансного сырья. Считается, что более узкослойная древесина придает инструменту жесткий, металлический звука широкослойная – приглушенный. Особые требования предъявляются к равнослойности годичных колец. Однако встречаются смычковые инструменты, в том числе скрипки и даже у знаменитых представителей староитальянских школ, где верхние деки сделаны из более широкослойной древесины, чем того требуют нынешние стандарты. Следовательно, за счет варьирования конструкции инструмента в соответствии с «xapaктером» материала эти мастера могли добиться выдающихся результатов независимо от этого параметра макроструктуры (или в качестве критерия музыкальности древесины выбирали другие признаки и держали их в секрете. Например, особое место в выдающихся произведениях мастеров кремонской школы занимает разновидность ели Haselfichte, со свилеватой древесиной ель эта никогда не растет большими группами, а обнаруживается в виде одиночных деревьев в чешских и баварских лесах, в
Альпах
Как отмечает Н.С.Нестеров, российские мастера по особенностям макроструктуры на радиальном разрезе различали три сорта резонансной древесины ели струистую, пламенистую, краснослойную. Струистая древесина в пределах прямых годичных слоев имеет слегка волнообразный сдвиг древесных волокон. Она отличается эластичностью, дает чистые тона и является наиболее ценной для изготовления деки, особенно смычковых инструментов. Пламенистая по текстуре напоминает язычки пламени и отличается красивым узорчатым видом, схожим с древесиной клена. Такая древесина хотя и уступает струистой, но тем не менее находит применение в инструментальном деле. Такой материал особо ценится в столярном производстве.
В
краснослойной древесине зона поздней части годичного кольца резко отличается своим красным цветом от бледно-желтой ранней части. Плотность такой древесины на 15–20% выше обычной. Ценится она сравнительно ниже, чем вышеназванные сорта.
63 Цвет древесины характеризуется словесными описаниями, а в древесиноведческой науке при более строгом подходе – колориметрическими показателями, определяемыми с помощью фотоэлектрических приборов или атласов цветов цветовым тоном
λ
, чистотой Р и светлотой При целевом отборе материала для изготовления музыкальных инструментов характеристики цвета используются в первую очередь в эстетических целях, а также для визуальной оценки качества и состояния древесины как правило, бракуется древесина с такими пороками, как синева, водослой, крень, что нетрудно определить по соответствующему зрительному образу. Что же касается древесины для изготовления основной зву- коизлучающей детали – деки, то многие мастера пригодность оценивают и по зрительному ощущению отражаемого данным материалом цветового потока, те. субъективным определением цвета. Однако нет единого мнения о цвете древесины как о визуальном диагностическом признаке акустических свойств одни мастера предпочитают для деки древесину ели более светлых, белых, а другие – желтых тонов. Даже официальные стандарты предъявляют разные требования к цвету резонансного материала. Например, ТУ 205 РФ (взамен ГОСТ 6900-83) допускают желтый приемлемый цвет древесины ели, а стандарт Польши Р 095071 для этой же породы и для пихты – белый. Возможно, это связано с принадлежностью деревьев к той или иной генетической форме. Может быть, такие противоречивые взгляды вызваны и тем обстоятельством, что нет пока объективных научных подтверждений в пользу того или иного цвета резонансной древесины. Блеск древесины как ее способность направленно отражать световой поток издавна используется мастерами инструментального дела для распознавания качественного материала. Например, считается, что древесина ели нашего русского северного типа, имеющая нежный и шелковистый блеск ив тоже время ярко выраженные тонкие слои, придает тембру звука нежность, серебристость и приятную завуалирован- ность
, а древесина с более грубым блеском, особенно в указанном Ha- selfichte, – силу, интенсивность, но вместе с этим (при недостаточно тщательной обработке деки) – грубость. Оба эти типа древесины встречаются в инструментах итальянских мастеров. Немецкие мастера предпочитают ель с резкими и крупными блестками, называемую ими Spiegel, те. зеркало. Кроме акустического эффекта, блеск, наряду с цветом и текстурой, играет в инструментах и чисто эстетическую роль, поэтому мастер при отборе материала, безусловно, обращает внимание и на эту сторону. Текстура, илирисунок на поверхности древесины, наравне с макроструктурой является диагностическим признаком для визуального
64 отбора резонансного лесоматериала. Кроме того, по текстуре сравнительно легко можно определить наличие и соответствующие характеристики такого порока древесины, как наклон волокон, что является одним из основных параметров в оценке пригодности материала для изготовления деки практически всех видов музыкальны инструментов. Тем не менее, основная роль текстуры заключается в том, что она предопределяет декоративную ценность древесного материала. Это свойство древесины приобретает особую значимость в целевом выращивании и отборе клена с оригинальной текстурой для изготовления нижней деки щипковых, смычковых и других музыкальных инструментов. Запах Некоторые мастера при наборе дек для инструмента в качестве диагностического признака используют запах древесины. По всей видимости, таким путем они определяют прежде всего смолистость материала, т. к. смолистые вещества, как известно, отрицательно влияют на акустические показатели древесины. Следовательно, более душистая древесина мастерами бракуется. Упругость Косвенным можно считать способ, которым раньше довольно часто пользовались мастера при определении упругости древесины. Принцип этого способа прости заключается в том, что из отобранного материала изготавливается небольшой брусочек, который одним концом приклеивается к доске а другой конец (торцовый) натирается шерстяной тряпкой, покрытой канифолью. Чем выше тон, производимый испытуемым образцом, тем выше считается упругость древесины. При всем удобстве и простоте данный способ не лишен недостатков. Здесь не исключается субъективный подход, ибо на результатах такой диагностики древесины, несомненно, сказываются опыт и уровень развития слуха мастера.
1 2 3 4 5 6 7 8
6.4.2.
Прямыеспособыдиагностики
Прямые способыдиагностики и отбора резонансного материала для изготовления деки музыкальных инструментов основаны на измерениях его плотности, жесткости (модуля упругости, скорости звука, затухания и амплитуды колебаний, величины потери энергии на внутреннее трение. Располагая результатами этих измерений, можно расчетным путем определить основные акустические и упруго–вязкие характеристики древесины и выявить ее пригодность как резонансного материала по соответствующим сопоставлениям с установленными стандартными критериями
Для определения вышеназванных параметров разработаны различные методики и оборудование. Методов измерения модуля упругости, скорости звука в древесине, затухания и амплитуды колебания, величины потери энергии на внутреннее трение, то есть параметров в комплексе характеризующих акустические и упруго-вязкие свойства резонансного материала, – много, и существуют они в различных вариантах. Тем не менее, такое многообразие существующих методов можно объединить в наиболее крупные, характерные направления. Например, для определения скорости звука в древесине наибольшее распространение получили два принципиально разных подхода с соответствующими приборами и установками. В первом случае скорость распространения звука в древесине устанавливается путем определения резонансной частоты вынужденных продольных колебаний образца согласно уравнению
,
2 С (6.10) где
С
– скорость распространения звукам с f
0
– резонансная частота, Гц
l
– длина образцам. Наиболее простыми доступным способом определения этого показателя является импульсный ультразвуковой С (6.11) где – время распространения упругой продольной волны, с. Зная скорость звука в данном материале и его плотность, определяют динамический модуль Юнга Е, Нм
,
ρ
дин
Е
С
=
2
ρ
С
Е
дин
=
(6.12) Небольшие преобразования и совместные решения уравнений позволяют определить величину акустической константы К через Си
,
3
=
=
ρ
ρ
Е
С
Е
K
ρ
С
K
=
(6.13) Ультразвуковые приборы нашли широкое применение при отборе резонансной древесины в заготовках, те. непосредственно при изготовлении музыкальных инструментов. Известно, что некоторые мастера отбирали необходимый материал по акустическому отклику путем ударов по стволу. Способ этот называется вьтон-проба и применяется также и для выявления внутренних пороков, стволовых вредителей и вообще санитарного состояния деревьев на корню.
Контрольныевопросы:
1. Что такое резонансная древесина Правильно ли применяется этот термин для древесины, идущей на изготовление музыкальных инструментов
2. Какими физико- механическими параметрами должна обладать резонансная древесина. Каким макростроением должна обладать резонансная древесина. Каким микростроением должна обладать резонансная древесина. Как изменяются резонансные свойства древесины внутри ствола. Какие косвенные способы диагностики резонансной древесины существуют 7. Какие прямые способы диагностики резонансной древесины существуют
Прямыеспособыдиагностики
Прямые способыдиагностики и отбора резонансного материала для изготовления деки музыкальных инструментов основаны на измерениях его плотности, жесткости (модуля упругости, скорости звука, затухания и амплитуды колебаний, величины потери энергии на внутреннее трение. Располагая результатами этих измерений, можно расчетным путем определить основные акустические и упруго–вязкие характеристики древесины и выявить ее пригодность как резонансного материала по соответствующим сопоставлениям с установленными стандартными критериями
Для определения вышеназванных параметров разработаны различные методики и оборудование. Методов измерения модуля упругости, скорости звука в древесине, затухания и амплитуды колебания, величины потери энергии на внутреннее трение, то есть параметров в комплексе характеризующих акустические и упруго-вязкие свойства резонансного материала, – много, и существуют они в различных вариантах. Тем не менее, такое многообразие существующих методов можно объединить в наиболее крупные, характерные направления. Например, для определения скорости звука в древесине наибольшее распространение получили два принципиально разных подхода с соответствующими приборами и установками. В первом случае скорость распространения звука в древесине устанавливается путем определения резонансной частоты вынужденных продольных колебаний образца согласно уравнению
,
2 С (6.10) где
С
– скорость распространения звукам с f
0
– резонансная частота, Гц
l
– длина образцам. Наиболее простыми доступным способом определения этого показателя является импульсный ультразвуковой С (6.11) где – время распространения упругой продольной волны, с. Зная скорость звука в данном материале и его плотность, определяют динамический модуль Юнга Е, Нм
,
ρ
дин
Е
С
=
2
ρ
С
Е
дин
=
(6.12) Небольшие преобразования и совместные решения уравнений позволяют определить величину акустической константы К через Си
,
3
=
=
ρ
ρ
Е
С
Е
K
ρ
С
K
=
(6.13) Ультразвуковые приборы нашли широкое применение при отборе резонансной древесины в заготовках, те. непосредственно при изготовлении музыкальных инструментов. Известно, что некоторые мастера отбирали необходимый материал по акустическому отклику путем ударов по стволу. Способ этот называется вьтон-проба и применяется также и для выявления внутренних пороков, стволовых вредителей и вообще санитарного состояния деревьев на корню.
Контрольныевопросы:
1. Что такое резонансная древесина Правильно ли применяется этот термин для древесины, идущей на изготовление музыкальных инструментов
2. Какими физико- механическими параметрами должна обладать резонансная древесина. Каким макростроением должна обладать резонансная древесина. Каким микростроением должна обладать резонансная древесина. Как изменяются резонансные свойства древесины внутри ствола. Какие косвенные способы диагностики резонансной древесины существуют 7. Какие прямые способы диагностики резонансной древесины существуют