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第6章 木材的物理性質,主要介紹木材密度、木材的含水狀態(tài)、木材中水分的吸濕與解吸、木材的干縮濕脹、木材的電學性質、熱學性質、聲學性質和光學性質。,目 錄,6.1 木材密度 6.2 木材和水分 6.3 木材的電學性質 6.4 木材的熱學性質 6.5 木材的聲學性質 6.6 木材的光學性質,6.1 木材密度 6.1.1 木材密度的種類 6.1.2 木材比重的測定 6.1.3 細胞壁密度、實質密度和空隙度 6.1.4 木材密度的影響因素,6.1.1 木材密度的種類,木材是由木材實質、水分及空氣組成的多孔性材料，對應著木材的不同水分狀態(tài)，木材密度可以分為生材密度、氣干密度、絕干密度和基本密度。它們的定義如下： 最常用:氣干密度和基本密度。在運輸和建筑上，一般采用生材密度。而在比較不同樹種的材性時，則使用基本密度。,,,,,6.1.2 木材比重的測定,測定比重必須知道一定含水率時木材的體積以及木材的絕干重量。 在大多數情況下，絕干重量的測定與用絕干稱重法測定含水率中所用的方法一致。 由于在干燥過程中抽提物可能和水蒸氣一起蒸發(fā)，所以有時采用蒸餾法來得到絕干重量。 木材的體積的測定可以采用以下方法： （1）對于形狀規(guī)則的試材，直接測量試材的三邊尺寸，計算出體積； （2）對于形狀不規(guī)則的試材，可以用排水法測量體積。 （3）快速測定法。,（三）排水法 此法尤為適合測定不規(guī)則試樣的體積。當測定氣干材或全干材體積時，需在試樣入水前涂上石蠟薄層，防止試樣吸水而影響精度。 （四）快速測定發(fā)法 首先，在燒杯中加入適量液體，將金屬針浸入液體中，記錄天平的讀數。 然后用金屬針尖固定試材，將試材浸入液體中，再記錄平衡時天平的讀數。 兩次天平的讀數之差除以已知液體的密度，就可以得到試材的體積。,6.1.3 細胞壁密度、實質密度和空隙度,木材的絕干細胞壁的密度可以通過比重計或體積置換法來測量。置換介質種類的不同，測得的細胞壁密度的值也有差異。,以水作為置換介質得到的細胞壁密度大于以甲苯和氦作為置換介質得到的值。 這是由兩個方面的原因引起的： （1）水屬于極性膨脹性介質，水分子可以進入細胞壁中更小的孔隙中； （2）與液態(tài)水相比，吸著水的表觀體積減小。,木材的實質密度即指木材細胞壁物質的密度。木材的空隙度可以用下式計算求得： 式中，P為木材空隙度（%），?0為木材的絕干密度（g/cm3）， ?0w為木材的實質密度（g/cm3）。 如果式中用木材的細胞壁密度代替，則得到的孔隙度中不包括非膨脹性溶劑所不能進入的細胞壁中的微小孔隙。,,,6.1.4 木材密度的影響因素,除了含水率以外，影響木材密度的因素還包括樹種、抽提物含量、立地條件和樹齡等。在同一棵樹上，不同部位的木材密度也有較大的差異。 6.1.4.1 樹種 6.1.4.2 抽提物含量 在不同的木材中，抽提物含量的范圍從絕干重的3%至30%不等，因此對木材的密度有很大的影響。通常，在測定密度之前可以先用水和有機溶劑（如苯和乙醇等）對木材進行抽提處理，經過抽提處理后木材的密度更為均一。,6.1.4.3 立地條件 樹木的立地條件，包括氣候、地理位置等對木材密度也有很大影響。,,6.1.4.4 樹齡 從幼齡期直至成熟期，木材的密度有隨著樹齡的增高呈增大趨勢，。,6.2 木材和水分 6.2.1 木材中水分的存在狀態(tài) 6.2.2 木材的含水率及測定 6.2.3 木材的水分吸著（adsorption） 和解吸（desorption） 6.2.4 木材中水分的移動 6.2.5 木材的干縮濕脹,,6.2.1 木材中水分的存在狀態(tài),木材中存在的水分，可以分為自由水和結合水（或吸著水）兩類。 自由水 存在于木材的細胞腔中，與液態(tài)水的性質接近。 結合水 存在于細胞壁中，與細胞壁無定形區(qū)（由纖維素非 結晶區(qū)、半纖維素和木素組成）中的羥基形成氫鍵 結合。,生材：細胞腔和細胞壁中都含有水分，其中自由水的水分量隨著季節(jié)變化，而結合水的量基本保持不變。 纖維飽和點 假設把生材放在相對濕度為100%的環(huán)境中，細胞腔中的自由水慢慢蒸發(fā)，當細胞腔中沒有自由水，而細胞壁中結合水的量處于飽和狀態(tài)，這時含水率稱為纖維飽和點。 氣干狀態(tài) 當把生材放在大氣環(huán)境中自然干燥，最終達到的水分平衡態(tài)稱為氣干狀態(tài)。氣干狀態(tài)的木材的細胞腔中不含自由水，細胞壁中含有的結合水的量與大氣環(huán)境處于平衡狀態(tài)。 絕干狀態(tài) 當木材的細胞腔和細胞壁中的水分被完全除去時木材的狀態(tài)稱為絕干狀態(tài)。,6.2.2 木材的含水率及測定,木材或木制品中的水分含量通常用含水率來表示。根據基準的不同分為絕對含水率和相對含水率兩種。 絕對含水率（簡稱含水率）即水分重量占木材絕干重量的百分率,一般木材工業(yè)中采用。 相對含水率 是水分重量占含水試材的重量的百分率，在造紙和紙漿工業(yè)中比較常用。,,,和 分別是試材的絕對含水率和相對含水率（%）；m是含水試材的質量(g); m0是試材的絕干質量(g)。,,,水分儀,以上介紹的都是直接測定法，其缺點是破壞試材、操作時間長。除此之外，還可以根據含水率與物理量之間的關系進行間接測量。 電阻式水分儀 交流介電式水分儀,電阻式水分儀,最常用的水分儀是電阻式水分儀。 它的工作原理是測定試材的電阻，再通過電阻與含水率之間的定量關系將電阻值轉換為含水率值。 電阻式水分儀的測試含水率范圍一般為6~30%。在纖維飽和點以上的含水率范圍內，電阻隨著含水率的變化很小，儀器的敏感性下降。,交流介電式水分儀,交流介電式水分儀： 其工作原理是測定一定頻率下木材的介電常數或介電損耗正切角，通過介電常數或介電損耗正切角與含水率之間的關系得到含水率值。,,6.2.3 木材的水分吸著和解吸,平衡含水率 由于木材具有吸放濕特性，當外界的溫濕度條件發(fā)生變化時，木材能相應地從外界吸收水分或向外界釋放水分，從而與外界達到一個新的水分平衡體系。木材在平衡狀態(tài)時的含水率稱為該溫濕度條件下的平衡含水率。 吸收 是一種表面現象，比如液態(tài)水進入木材的細胞腔，成為木材中的自由水的過程。 木材吸著水分的過程 是水分子以氣態(tài)進入細胞壁，與細胞壁主成分上的吸著點產生氫鍵結合的過程。,吸著滯后現象 在相同的溫濕度條件下，由吸著過程達到的木材的平衡含水率低于由解吸過程達到的平衡含水率，這個現象稱為吸著滯后現象。,滯后率 吸著達到的平衡含水率與解吸達到的平衡含水率之間的比值稱為滯后率，通常用A/D表示。滯后率受樹種、溫度等因素的影響。在常溫、相對濕度范圍10~90%的條件下滯后率在0.8左右。隨著溫度的升高，滯后率逐漸下降。,6.2.4 木材中水分的移動,針葉樹材中水分移動 針葉樹材中水分或其它流體的路徑：,管胞內腔和具緣紋孔對組成的毛細管體系， 沿著纖維方向上的垂直樹脂道， 射線方向上的射線管胞的內腔和水平樹脂道,闊葉樹材中水分 移動,闊葉樹材中水分或其它流體的移動路徑： 導管、管胞、導管狀管胞 闊葉樹材的導管上具有穿孔，所以在纖維方向上水分可以通過穿孔從一個導管進入縱向鄰接的另一個導管。,,6.2.5 木材的干縮濕脹,木材干縮濕脹的各向異性,木材干縮濕脹現象及成因,木材干縮性與濕脹性的測定,（1）木材干縮濕脹現象,干縮或濕脹 木材干縮濕脹是指木材在絕干狀態(tài)至纖維飽和點的含水率區(qū)域內，水分的解吸或吸著會使木材細胞壁產生干縮或濕脹的現象。,,木材的干縮率和濕脹率可以用尺寸（體積）變化與原尺寸（體積）的百分率表示：,,,（2）木材干縮濕脹的成因,木材具有干縮性和濕脹性的原因： 木材在失水或吸濕時，木材內所含水分向外蒸發(fā)，或干木材由空氣中吸收水分，使細胞壁內非結晶區(qū)的相鄰纖絲間、微纖絲間和微晶間水層變?。ɑ蛳В┒繑n或變厚而伸展，從而導致細胞壁乃至整個木材尺寸和體積發(fā)生變化。,6.2.5 木材的干縮濕脹,木材干縮濕脹的各向異性,木材干縮濕脹現象及成因,木材干縮性與濕脹性的測定,（1）木材干縮濕脹的各向異性,干縮率差異:軸向干縮率一般為0.1～0.3%; 徑向干縮率和弦向干縮率的范圍為3～6%和6～12%。 三個方向上的干縮率以軸向干縮率最小，這個特征保證了木材或木制品作為建筑材料的可能性。,（2）木材干縮濕脹的各向異性的原因,① 木材軸向、橫向干縮濕脹差異的原因 木材干縮濕脹的各向異性:由木材的構造特點造成的; 主要取決于次生壁中層(S2)微纖絲的排列方向。 次生壁中層(S2)微纖絲的排列方向幾乎是與細胞主軸相平行的，而微纖絲是由平行排列的大分子鏈所組成的基本纖絲構成的。,② 木材徑向、弦向干縮濕脹差異的原因,a．木射線對徑向收縮的抑制 b．早晚材差異的影響 c．徑向壁和弦向壁中的木質素含量差別的影響 d．徑壁、弦壁紋孔數量的影響,6.2.5 木材的干縮濕脹,木材干縮濕脹的各向異性,木材干縮濕脹現象及成因,木材干縮性與濕脹性的測定,木材干縮性與濕脹性的測定 （1）試樣 試樣的尺寸為20mm20mm20mm，具體測量時精確到0.01mm，其各向應為標準的縱、徑或弦向。試樣的重量稱量精確到0.001g。 （2）木材干縮率的測定 ① 原理 含水率低于纖維飽和點的濕木材，其尺寸和體積隨含水率的降低而縮小。從濕木材到氣干或全干時尺寸及體積的變化；與原濕材尺寸及體積之比，以表示木材氣干或全干時的線干縮性及體積干縮性。,② 木材線干縮率的計算 試樣從濕材至全干、氣干時，徑向和弦向的全干縮率、氣干干縮率，準確至0.1%。 Bmax、Bw—試樣徑向或弦向全干干縮率、氣干干縮率，％； Lmax—試樣含水率高于纖維飽和點(即濕材)時的徑向或弦向尺寸，mm； L0、Lw—試樣全干、氣干時徑向或弦向的尺寸，mm。,,,（3）木材濕脹率的測定,① 原理 干木材吸濕或吸水后，其尺寸和體積隨含水率的增高而膨脹。木材全干時的尺寸或體積與吸濕至大氣相對濕度平衡或吸水至飽和時的尺寸或體積之比，表示木材的濕脹性。 ② 木材濕脹率的計算 木材的濕脹率可分為線濕脹率與體積濕脹率。木材的濕脹是與干縮相反的過程。,6.3 木材的電學性質 6.3.1 木材的導電性 6.3.2 木材的介電性 6.3.3 木材的壓電效應和界面的動電性質,6.3.1 木材的導電性,6.3.1.1 電阻率與電導率,6.3.1.2 木材的電導原理,6.3.1.3 影響木材直流電導率的因素,電阻 在一個固體的兩端施加電壓的電場，固體中通過的電流為，那么該固體的電阻為 電阻率 是指單位截面積及單位長度上均勻導線的電阻值，是物體的固有屬性，電阻率越大則材料導電能力越弱。電阻率： A為導體的截面積（ ），l是電場間導體的長度（ ）。 電導率 是電阻率的倒數，電導率越大，則說明材料導電能力越強。,,,,,,按照電阻率或電導率的大小，所有材料可以劃分為導體、半導體 和 絕緣體（介電體）。 導體 導體是導電能力強的材料，電阻率范圍一般在10-8～10-5，如金屬等； 絕緣體 絕緣體的導電能力差，一般電阻率高于108的材料可以稱為絕緣體，如陶瓷、橡膠、塑料等； 半導體 導電能力介于導體和絕緣體之間的稱為半導體。,6.3.1 木材的導電性,6.3.1.1 電阻率與電導率,6.3.1.2 木材的電導原理,6.3.1.3 影響木材直流電導率的因素,6.3.1.2 木材的電導原理 木材導電性弱的主要原因:木材的化學結構組成中不含有導電性良好的自由電子。 木材具有微弱的導電性原因: 木材的極化現象:木材中存在的離子可分為兩類。,6.3.1 木材的導電性,6.3.1.1 電阻率與電導率,6.3.1.2 木材的電導原理,6.3.1.3 影響木材直流電導率的因素,6.3.1.3 影響木材直流電導率的因素 （1）含水率 對電導的活化能E是決定電導的主要因子，E是由離解能量U和遷移能S兩者來決定的。,（2）溫度 金屬：電阻率隨著溫度升高而增大； 木材：電阻率則隨溫度的升高而變??；,,（3）紋理方向 木材橫紋理方向（垂直于纖維方向）的電阻率較順紋理方向的電阻率大。 針葉樹材橫紋理方向的電阻率約是順紋理方向電阻率的2.3～4.5倍； 闊葉樹材通常達到2.5～8.0倍。,（4）密度、樹種和試材部位 密度--木材密度大，電阻率大；電導率小。 樹種--電阻率產生差異。其差異大于密度因素影響的差異。 試材部位--木材中不同部位的電阻率也存在差異。,,6.3.2 木材的介電性,交流電－－方向和強度按某一頻率周期性變化的電流稱為交流電。交流電按其頻率的高低，大致可分為低頻(含工頻)、射頻(又稱高頻)。 木材的交流電性質－－是泛指木材在各種頻率的交流電場作用下所呈現的各種特性，主要包括木材的介電性質參數（介電系數、損耗角正切、介質損耗因數等）和交流電阻率（或電導率）的變化規(guī)律及影響因素。,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性,6.3.2.3 木材的介電系數,6.3.2.4 木材的介電損耗,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應 在交流電的低頻區(qū)域，木材的電學性質與直流電呈現同樣特性。 例如，在絕干狀態(tài)下木材電阻極高，隨著含水率的增加電阻顯著減小，這種變化到纖維飽和點以上時又趨于平緩。,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性,6.3.2.3 木材的介電系數,6.3.2.4 木材的介電損耗,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性 射頻--是頻率很高的電磁波，又稱高頻，其頻率范圍大約從0.2MHz直至幾百甚至幾千兆赫。 介電性－是指物質受到電場作用時，構成物質的帶電粒子只能產生微觀上的位移而不能進行宏觀上的遷移的性質。 介電體－表現出介電性的物質。,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性,6.3.2.3 木材的介電系數,6.3.2.4 木材的介電損耗,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用,6.3.2.3 木材的介電系數 （1）介電系數 表征木材在交流電場作用下介質的極化強度和介電體存儲電荷能力的物理參數。 定義：木材介質電容器的電容量與同體積尺寸、同幾何形狀的真空電容器的電容量之比值。通常取為介質電容C與空氣電容C0之比。 介電系數值越小，電絕緣性越好。 水的介電系數為81，硬質陶瓷的介電系數為5.73，云母的介電系數為7.1~7.7。絕干木材的介電系數約為2，濕材的介電系數大于干材； 木材橫紋理方向的介電系數小于順紋理方向。如絕干櫟木的順紋介電系數為3.64，橫紋介電系數為2.46。,,（2）影響木材介電系數的因素,主要包括木材含水率、密度、頻率、樹種、紋理方向、電場方向等。 ① 含水率的影響 在溫度和頻率不變的條件下，木材的介電系數隨含水率u的增加而增大。 ② 密度的影響 木材的介電系數隨密度的增加而增大。 ③ 頻率的影響 在相同含水率、溫度條件下，木材介電系數隨頻率的增加而逐漸減小。 ④ 紋理方向 木材介電系數具有各向異性。 順紋方向的介電系數比橫紋方向的介電系數大30%～60%，隨著含水率的升高，這種差異對針葉樹材來說有越來越大的趨勢。,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性,6.3.2.3 木材的介電系數,6.3.2.4 木材的介電損耗,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用,6.3.2.4 木材的介電損耗 木材處于交流電場中，由于偶極子運動時的內摩擦阻力等相互間的作用，使介質偶極矩取向滯后于外施電場的變化，宏觀表現為通過介質的總電流I在相位上滯后于極化電流Ic，這樣每一周期中有一部分電能被介質吸收發(fā)熱，這種現象稱為介質損耗。 （1）損耗角正切和功率因數 損耗角正切tg?：介質在交流電場中每周期內熱消耗的能量與充放電所用能量之比，在數值上等于熱耗電流IR與充放電電流IC之比。,功率因數：每周期之內有功功率（熱消耗功率）與視在功率（等于外施電壓與總電流的乘積）之比，在數值上等于熱耗電流與總電流之比。,,（2）介質損耗因數（也稱介電損耗率） 等于介電系數與損耗角正切的乘積。,（3）影響木材介質損耗的主要因素 ① 含水率的影響 在相同頻率下，木材損耗角正切與含水率u的關系為：在纖維飽和點以下，隨u的增加而明顯增大，但是在纖維飽和點以上，這種變化趨于平緩。 ② 頻率的影響 木材的介質損耗與頻率的關系十分復雜。 ③ 密度的影響 介質損耗因數與密度ρ有著明顯的正相關關系，隨ρ的增加線性地增大。 ④ 紋理方向的影響 木材的損耗角正切和介質損耗因數：,6.3.2.1 低頻交流電作用下木材的電熱效應,6.3.2.2 射頻下木材的極化和介電性,6.3.2.3 木材的介電系數,6.3.2.4 木材的介電損耗,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用,6.3.2.5 木材的介電性在木材工業(yè)中的應用 (1)交流介電式水分儀 通過測定木材的介電參數并將其轉化成含水率的方法可以測定木材的含水率。 (2)木材及木制品的高頻熱固化膠合工藝 木材在低含水率狀態(tài)下屬于極性介電體，所以當把熱固性的濕膠黏劑施于木材表面時，由于兩者的介電性不同，可以達到選擇性加熱的目的。,(3) 高頻干燥技術 高頻干燥機理：是利用濕木材中的水分子在高頻電場中的極化來加快干燥進程。,微波干燥機理；利用分子運動的內部加熱，而且比高頻更接近水分子的介電吸收頻率，有利于木材內水分溫度的提高和排出。 應用方面： 刨花板、纖維板、木塑復合材（WPC）的加熱聚合、木材的彎曲成型加工技術、纖維板的定向鋪裝、木材解凍、防腐和殺蟲處理等方面得以應用。,,6.3.3 木材的壓電效應和界面的動電性質,6.3.3.1 壓電效應,6.3.3.2 界面的動電性質,6.3.3.1 壓電效應 具有晶體結構的電介質在壓力或機械振動等作用下的應變也能引起電荷定向集聚（極化）從而產生電場，這種由力學變形而引起的介質極化稱為壓電效應。,6.3.3.2 界面的動電性質 在纖維素和木材中，其高分子內具有活性的羥基，當木材的微細粉末分散于水中時，因為選擇性地吸著羥基離子，所以粒子相對于水帶有了負電荷，這種現象稱為界面動電性，此時界面上產生的電位就是ζ-電位。,6.4木材的熱學性質 用比熱、導熱系數、導溫系數等熱物理參數來綜合表征的。這些熱物理參數，在木材加工的熱處理（如原木的解凍、木段的蒸煮、木材干燥、人造板板坯的加熱預處理等）中，是重要的工藝參數；在建筑部門進行隔熱、保溫設計時，是不可缺少的數據指標。,6.4.1 木材的比熱和熱容量 6.4.2 木材的導熱系數 6.4.3 木材的導溫系數 6.4.4 木材的蓄熱系數 6.4.5 木材的熱膨脹與熱收縮 6.4.6 熱對木材性質的影響 6.4.7 木材熱物理參數的測量,6.4.1 木材的比熱和熱容量 熱容量: 熱容量系數: θ1 、θ0 為溫度 比熱:為單位量的某種物質溫度變化1℃所吸收或放出的熱量。,,,6.4.2 木材的導熱系數,導熱系數表征物體傳遞熱量的能力。 導熱系數（ λ ）：以在物體兩個平行的相對面之間的距離為單位，溫度差恒定為1℃時，單位時間內通過單位面積的熱量。 單位為W/(m﹒K)。 傳導的熱量Q： A為垂直于熱流方向的面積(m2)；t為時間(h)；θ1和θ2分別為低溫面和高溫面的溫度(℃)；d為兩面間的距離。,,,影響木材導熱系數的主要因子： (1)木材密度的影響 木材導熱系數隨著木材密度的增加大致成比例地增加。,在室溫、氣干含水率條件下木材密度對導熱系數的影響 （自劉一星，1994） ○——熱流方向為弦向；——熱流方向為徑向,(2)含水率的影響 隨著木材含水率的增加，木材的導熱系數增大。 (3)溫度的影響 導熱系數隨溫度的升高而增大。 (4)熱流方向的影響 同樹種木材順紋方向的導熱系數明顯大于橫紋方向的導熱系數。 徑向導熱系數大于弦向，平均約相差12.7%。,,6.4.3 木材的導溫系數,導溫系數又稱熱擴散率（ α ）。 是表征材料(如木材)在冷卻或加熱的非穩(wěn)定狀態(tài)過程中，各點溫度迅速趨于一致的能力(即各點達到同一溫度的速度)。 α ——導溫系數(m2/s)； λ——導熱系數〔W/(m﹒K)〕； C ——比熱〔kJ/(kg﹒K)〕； ρ——密度(kg/m3)； C﹒ρ ——體積熱容量〔kJ/(m3﹒K)〕。,,木材的導溫系數的影響因子：密度、含水率、溫度和熱流方向 （1）木材密度的影響 （2）含水率的影響,（3）溫度的影響 溫度對導溫系數的影響幅度較??；在正溫度(0～100℃)下，絕干木材的導溫系數隨溫度的上升而略有降低。 （4）熱流方向的影響 熱流方向對木材導溫系數的影響與它對導熱系數的影響方式相同。,,6.4.4 木材的蓄熱系數,蓄熱系數（ S ），是表征在周期性外施熱作用下，材料儲蓄熱量的能力的熱物理參數。 kJ/(m2﹒h﹒K),,,,,,6.4.5 木材的熱膨脹與熱收縮,熱膨脹：固體的尺寸隨溫度升高而增大的現象。 線熱膨脹系數α和體積熱膨脹系數β： 木材的熱膨脹系數很小，一般可忽略其熱膨脹效應。但是，當木材內部有溫度梯度時，會因熱膨脹產生內部應力可能造成木材的變形。,6.4.6 熱對木材性質的影響,木材在受熱條件下，吸濕性降低（由于吸濕性較強的多糖類的熱分解所致），彈性模量提高；如繼續(xù)延長熱處理時間，就會造成木材化學成分的熱分解，導致木材力學性質降低。 長期蒸煮處理可導致木材彈性模量減小、各種力學強度下降，尤其是對沖擊韌性的影響顯著，其主要原因是長期蒸煮過程中半纖維素的過度降解和脫出。 適當溫度、時間條件下的水煮或汽蒸處理，可以起到釋放內部應力、降低吸濕性、固定木材變形的作用。,6.5 木材的聲學性質,木材的聲學性質，包括木材的振動特性、傳聲特性、空間聲學性質(吸收、反射、透射)、樂器聲學性能品質等與聲波有關的固體材料特性。,6.5 木材的聲學性質 6.5.1 木材的振動特性 6.5.2 木材的傳聲特性 6.5.3 木材聲學性能品質評價簡述 6.5.4 木材的聲傳播、聲共振與 材質無損檢測,6.5.1 木材的振動特性 共振是指物質在強度相同而周期變化的外力作用下，能夠在特定的頻率下振幅急劇增大并得到最大振幅的現象。 共振現象對應的頻率稱為共振頻率或固有頻率。 阻尼自由振動：,6.5.1 木材的振動特性,6.5.1.1 木材的三種基本振動方式與共振頻率,6.5.1.2 木材的聲輻射性能和內摩擦衰減,6.5.1.3 木材的聲阻抗(特性阻抗),6.5.1.1 木材的三種基本振動方式與共振頻率,振動方式：縱向振動、橫向振 動(彎曲振動)和扭轉振動。 (1)縱向振動 縱向振動是振動單元(質點)的位移方向與由此位移產生的介質內應力方向相平行的振動。 長度方向的聲速v： 基本共振頻率fr： 木棒長度為L，密度為ρ，彈性橫量為E,(2)橫向振動 橫向振動：振動元素位移方向和引起的應力方向互相垂直的運動。（木結構和樂器上使用） 橫向振動包括彎曲運動。 木棒橫向振動的共振頻率的影響因素： 木材試樣的幾何形狀、尺寸和聲速，振動運動受到抑制的方式有關。,,(3)扭轉振動 扭轉振動：振動元素的位移方向圍繞試件長軸進行回轉，如此往復周期性扭轉的振動。 試件基本共振頻率fr取決于該外加質量的慣性矩I、試件的尺寸和剛性模量G 式中：r為圓截面試件的半徑；L為試件的長度。,,6.5.1 木材的振動特性,6.5.1.1 木材的三種基本振動方式與共振頻率,6.5.1.2 木材的聲輻射性能和內摩擦衰減,6.5.1.3 木材的聲阻抗(特性阻抗),6.5.1.2 木材的聲輻射性能和內摩擦衰減,木材聲輻射品質常數、木材的(內摩擦)對數衰減率(或損耗角正切)和聲阻抗等聲學性質參數。 聲輻射阻尼系數R：木材及其制品的聲幅射能力，即向周圍空氣輻射聲功率的大小，與傳聲速度成正比，與密度ρ成反比。,6.5.1 木材的振動特性,6.5.1.1 木材的三種基本振動方式與共振頻率,6.5.1.2 木材的聲輻射性能和內摩擦衰減,6.5.1.3 木材的聲阻抗(特性阻抗),6.5.1.3 木材的聲阻抗(特性阻抗),木材的聲阻抗ω：木材密度ρ與木材聲速v的乘積 木材具有較小的聲阻抗和非常高的聲輻射常數，它是一種在聲輻射方面具有優(yōu)良特性的材料。,,,6 . 5.2 木材的傳聲特性,木材傳聲特性的主要指標為聲速v。 密度ρ為一定值，則順紋傳聲速度v∥與橫紋傳聲速v⊥之比，與它們各對應方向上彈性橫量之間的關系：,,6.5.3 木材聲學性能品質評價簡述,木材具有優(yōu)良的聲共振性和振動頻譜特性——聲學性能品質好 對共鳴板材料的聲學性能品質評價，可歸納為三個大的方面： ① 對振動效率的評價； ② 有關音色的振動性能品質評價； ③ 對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價。,6.5.3 木材聲學性能品質評價簡述,6.5.3.1 對振動效率品質的評價,6.5.3.2 有關音色的振動性能品質評價,6.5.3.3 對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價與改良,6.5.3.1 對振動效率品質的評價,選用聲輻射品質常數較高(R≥1200)、內摩擦損耗小的木材。 評價(與振動效率有關的)木材聲學性能品質的物理量主要有： 聲輻射阻尼、比動態(tài)彈性模量E/ρ、損耗角正切tgδ、聲阻抗以及tanδ/E等。,6.5.3 木材聲學性能品質評價簡述,6.5.3.1 對振動效率品質的評價,6.5.3.2 有關音色的振動性能品質評價,6.5.3.3 對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價與改良,6.5.3.2 有關音色的振動性能品質評價,用振動的頻譜特性評價： 云杉木材的頻譜特性，明顯優(yōu)于金屬材料，使用該材料制作的音板能在工作頻率范圍內比較均勻地放大各種頻率的樂音。,6.5.3 木材聲學性能品質評價簡述,6.5.3.1 對振動效率品質的評價,6.5.3.2 有關音色的振動性能品質評價,6.5.3.3 對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價與改良,6.5.3.3 對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價與改良,主要影響因子：抗吸濕能力和尺寸穩(wěn)定性。 采用甲醛化處理和水楊醇處理、水楊醇—甲醛化等方法處理木材能提高發(fā)音的穩(wěn)定性和聲學性能品質。,,6.5.4 木材的聲傳播、聲共振與材質無損檢測,超聲波檢測原理： 木材中的縱波傳遞速度和彎曲振動的共振頻率，均與木材的動彈性模量具有明確的函數關系。通常采用脈沖式超聲波。 超聲傳播速度v與密度ρ及超聲彈性模量E之間的關系為v =（ Eu /ρ）1/2 。,振動法(共振法)檢測： 基于木材共振頻率與彈性模量具有數學關系的原理進行的。振動測量得到的動彈性模量E與抗彎強度的正相關。 沖擊應力波檢測： 基于縱波(或表面波)振動的原理進行工作。 FFT分析無損檢測： 運用了FFT(快速傅里葉變換)分析儀和電子計算機，拾取受敲擊后木材試件的振動信號進行瞬態(tài)頻譜分析，算出試件的彈性模量E和剛性模量G。,6.6 木材的光學性質 6.6.1 木材的顏色 6.6.2 木材的光澤 6.6.3 木材的光致發(fā)光現象(冷光現象) 6.6.4 木材的雙折射,6.6.1 木材的顏色,顏色三屬性：明度、色調、飽和度 明度表示人眼對物體的明暗度感覺； 色調(色相)表示區(qū)分顏色類別、品種的感覺(如紅、橙、黃、綠等)； 飽和度表示顏色的純潔程度和濃淡程度。,木材的光致變色：木材表面顏色在日光中的紫外線作用下隨時間的延長而發(fā)生越來越明顯的變化。 大致可分為以下幾種： ① 色調變化：木材改變了其原有的顏色特點； ② 褪色：逐漸失去了木材原有的鮮艷色澤，色飽和度大為降低； ③ 表面暗化：表面顏色變?yōu)榘档纳钌?④ 非均勻變色：材表顯露出不均勻的色斑。 這些顏色變化影響了木制品和室內裝飾材的質量和耐久性。,,6.6.2 木材的光澤,木材的光澤，它來自木材表面對光的反射作用。 表面光澤度(%)：即反射光強度占入射強度的百分率來定量材料表面光澤的強弱程度。 橫切面沒有光澤； 弦切面稍現光澤； 徑切面具有較好的光澤（由于富有光澤性的木材線組織的反射作用）。 木材的表面光澤度具有各向異性。平行于紋理方向反射的光澤度大于垂直于紋理方向反射的光澤度。,6.6.3 木材的光致發(fā)光現象(冷光現象),光致發(fā)光現象：當物質受到外來光線的照射時，并非因溫度升高而發(fā)射可見光的現象。 木材的光致發(fā)光現象：木材的水抽提液或木材表面在紫外光輻射的作用下，能夠發(fā)出可見光。,,6.6.4 木材的雙折射,雙折射系指射入某些晶體的光線被分裂為兩束，沿不同方向折射的現象。 當光線入射到細胞壁上時，在不同方向的折射率也不相同，從而產生雙折射現象。,本章結束,