Звуковые свойства древесины

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.