ЗВУКОВЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
К основным показателям звуковых свойств древесины относятся скорость распространения звука, акустическое сопротивление, звукоизоляционная, звукопоглощающая и резонансная способности.
Как известно из физики, звук представляет собой волнообразно распространяющиеся в упругих средах механические колебания. Причем органы слуха человека улавливают эти колебания с частотой в пределах от 17 до 2000 Гц (1 Гп — одно колебание в секунду). При частоте меньше нижнего из указанных пределов колебания называют инфразвуковыми, а при частоте выше верхнего предела — ультразвуковыми.
Свойство материала пропускать через себя звук называют звукопроводностью. Способность древесины проводить через себя звук оценивается скоростью распространения звука.
Таким образом, скорость распространения звука у каждой древесной породы будет зависеть от соотношения показателей ее упругих свойств и плотности. В частности, звукопроводность комнатно-сухой древесины в продольном направлении составляет (м/с): для сосны — 5360, лиственницы — 4930, ели — 5630, дуба — 4720, березы — 5530; в среднем для древесины можно принять 5000 м/с. Для сравнения скорость распространения звука у других материалов и веществ составляет (м/с): в железе — 5100, свинце — 1200, воде — 1450, каучуке — 30, воздухе — 340.
Скорость распространения звука в древесине поперек волокон в связи с меньшим модулем упругости в указанном направлении в 3—4 раза меньше, чем вдоль волокон, причем в радиальном направлении она несколько выше, чем в тангенциальном. С увеличением влажности древесины звукопроводность ее снижается, что связано с уменьшением жесткости древесины и повышением ее плотности.
Другим важным акустическим показателем, характеризующим звукопроводность древесины и ее способность отражать звук, является акустическое сопротивление.
Значения акустического сопротивления для некоторых древесных пород следующие (105 Па-с/м): лиственница — 33, сосна - 28, дуб — 31, ясень — 30, береза — 29. Воздух имеет акустическое сопротивление 429 Па-с/м, вода - 14,5105 и каучук — 3103 Па-с/м.
При встрече звуковой волны с преградой (например, перегородкой из древесины) возникает звуковое давление на эту перегородку, интенсивность которого будет снижаться после ее прохождения. Таким образом, звукоизоляционная способность древесины может быть определена по разности звуковых давлений перед перегородкой и после нее. Величина звукового давления измеряется в относительных логарифмических единицах — децибелах (дБ). Звукоизолирующая способность древесины сравнительно невысока. Так, например, звукоизоляция сосновой перегородки толщиной 3 см составляет 12 дБ, в то время как согласно строительным нормам и правилам (СНиП) звукоизоляция стен должна быть не менее 40 дБ, т. е. в данном случае стена из древесины сосны должна иметь толщину не менее 10 см.
Звукоизолирующая способность древесины может быть оценена и по другому показателю — коэффициенту звукопроницаемости, представляющему собой отношение силы звука за перегородкой к силе звука перед ней. Сила звука определяется количеством энергии, проходящей за 1 с через площадку 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению звука.
При прохождении звука через перегородку древесины часть его энергии теряется внутри древесины вследствие внутреннего трения. Это свойство материалов называется звукопоглощением. Для характеристики данного свойства используют коэффициент звукопоглощения, представляющий отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии, подводимой к материалу. Указанный коэффициент для перегородки из древесины сосны толщиной 19 мм, например, находится в пределах 0,081-0,110.
Резонансная способность древесины — это ее способность отражать и усиливать звук без искажения тона. Данное уникальное свойство древесины определило ее использование в качестве материала для изготовления музыкальных инструментов и, в частности, для важной их части — деки (излучателя звука и резонатора). Способность древесины к звуковому излучению оценивается акустической константой, которая рассчитывается по формуле
Наиболее высокая акустическая константа у древесины ели, пихты кавказской и кедра — примерно 12 м4/(кг-с).
Кроме высокой акустической константы, к резонансной древесине предъявляются также определенные требования по ее макроструктуре. Резонансная древесина должна быть равнослойной, не содержать пороков, ширина годичного слоя должна варьировать от 1 до 5 мм в зависимости от вида музыкального инструмента (например, для скрипок и альтов — 1—2 мм, виолончелей — 2—3 мм, контрабасов — 4—5 мм). Содержание поздней древесины в годичном слое должно быть не более 30 %, а для концертных роялей — не более 20 %.
Установлено, что наилучшими акустическими свойствами обладает древесина длительной многолетней выдержки, у которой в результате старения уменьшается содержание наиболее гидрофильной части — гемицеллюлоз, что делает такую древесину более устойчивой к температурно-влажностным условиям внешней среды. Изготовленные из такой древесины музыкальные инструменты обладают большей стабильностью звуковых характеристик.