軸向壓縮載荷下的音板木材振動(dòng)和聲學(xué)響應(yīng)特性研究

翟學(xué)勇，苗媛媛，王秀雅，萬 珂，尹玉雪，劉鎮(zhèn)波

(1.東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 木質(zhì)新型材料教育部工程研究中心，哈爾濱 150040)

作為音源的音板對(duì)樂器發(fā)聲具有至關(guān)重要的作用，在制作音板時(shí)，對(duì)木材取材部位、紋理方向及含水率等有嚴(yán)格的要求，以保證其優(yōu)良的聲學(xué)性能[1-2]，在樹種上，傳統(tǒng)民族樂器和鋼琴等音板一般選擇泡桐、魚鱗云杉等樹種木材。為評(píng)價(jià)木材振動(dòng)和聲學(xué)性能的優(yōu)劣，學(xué)者們引入振動(dòng)聲學(xué)參數(shù)，如比動(dòng)彈性模量、聲阻抗等。音板在裝配中會(huì)被施加約束，同時(shí)會(huì)被施加軸壓縮載荷[3]，軸向壓縮載荷使音板產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力以及微觀構(gòu)造的改變，從而對(duì)其聲學(xué)特性產(chǎn)生影響，因此研究軸壓載荷對(duì)音板木材的振動(dòng)和聲學(xué)特性的影響是非常必要的。

以往學(xué)者們進(jìn)行木材聲學(xué)特性研究時(shí)，大多基于梁的振動(dòng)法，將材料置于自由狀態(tài)下，利用彈性材料支撐節(jié)點(diǎn)位置或利用彈力繩吊裝材料，測(cè)定其振動(dòng)頻譜，并計(jì)算得出其振動(dòng)聲學(xué)特性參數(shù)[4-7]。雖然這種方法可以較為快速、方便地測(cè)定不同尺寸音板木材在自由狀態(tài)下的聲學(xué)特性，但忽略了音板木材在樂器中受到復(fù)雜應(yīng)力這一情況。眾所周知，在軸向力作用下木材的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化[8-9]，所以基于自由邊界條件下測(cè)定音板木材的振動(dòng)和聲學(xué)特性并不能完全反映音板木材在樂器產(chǎn)品中的實(shí)際狀態(tài)。

在國(guó)內(nèi)外，不論是新型材料還是傳統(tǒng)材料，對(duì)其振動(dòng)和聲學(xué)性能的研究依然受到學(xué)者們的關(guān)注，而評(píng)價(jià)其聲學(xué)性能時(shí)，均是使木材處于自由狀態(tài)的條件下進(jìn)行測(cè)定[10-15]。Yang等[16]采用自由振動(dòng)的方法，對(duì)琵琶音板材料進(jìn)行振動(dòng)和聲學(xué)測(cè)試，利用測(cè)定的琵琶音板比動(dòng)彈彈性模量、聲輻射、聲阻抗等聲學(xué)參數(shù)，建立了琵琶音板音質(zhì)預(yù)測(cè)的多選擇模型，通過實(shí)際檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途葹?7.78%；2018年林斌等研究了樺木單板/玻璃纖維復(fù)合音板的聲學(xué)特性，結(jié)果表明鋪放兩層玻璃纖維布的復(fù)合材料的振動(dòng)聲學(xué)性能最好，并且其比動(dòng)彈性模量和西加云杉的相接近，說明樺木單板/玻璃纖維復(fù)合材料具有替代傳統(tǒng)木質(zhì)音板用材的可能性[17]。但這些研究很少?gòu)奈⒂^角度深入分析材料的振動(dòng)聲學(xué)機(jī)理。木材是一種復(fù)合材料，主要由木質(zhì)素，纖維素，半纖維素三大組分組成，這些成分的體積和化學(xué)成分的變化，以及孔隙度的數(shù)量和分布的差異，決定了木材的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定了木材的密度和機(jī)械性能[18]。音板木材振動(dòng)和聲學(xué)性能的變化必定伴隨結(jié)構(gòu)或者化學(xué)組分的改變，因此研究軸向壓縮載荷作用下的音板木材的微觀結(jié)構(gòu)，從微觀角度闡述其發(fā)聲機(jī)理具有重要意義。

近年來，材料在使用過程中的結(jié)構(gòu)行為越來越多的受到學(xué)者們的青睞。Rajesh等[19]研究了軸向壓縮載荷對(duì)天然纖維織物聚合物組合梁彎曲和自由振動(dòng)特性的影響，結(jié)果表明，軸壓載荷越大，組合梁的自由振動(dòng)頻率越低，模態(tài)阻尼系數(shù)越高；Waddar等[20]研究了劍麻布/環(huán)氧復(fù)合材料芯材夾層梁在壓縮載荷作用下的彎曲和振動(dòng)行為，利用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)其施加載荷，采用模態(tài)分析裝置對(duì)載荷下試件的振動(dòng)行為進(jìn)行分析，結(jié)果同樣表明壓縮載荷越大，振動(dòng)頻率越低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基頻在試件失穩(wěn)后會(huì)出現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象；Corradi等對(duì)鋼琴音板在生產(chǎn)過程中3個(gè)不同階段的聲學(xué)行為進(jìn)行了研究，分別對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析以及數(shù)值模擬，并對(duì)低頻范圍的模態(tài)振型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在相同邊界下，琴橋的存在對(duì)音板振型影響較小，而不同的邊界條件對(duì)音板的剛度影響更加突出。

本文以泡桐和云杉為研究對(duì)象，對(duì)試材施加實(shí)際裝配中類似的約束以及軸向壓縮載荷，研究軸向壓縮載荷對(duì)音板木材的振動(dòng)和聲學(xué)響應(yīng)特性的影響，并從微觀角度初步探索影響音板木材聲學(xué)性能的因素，為完善音板的評(píng)價(jià)體系以及尋找實(shí)木音板的替代材料提供理論依據(jù)。

1 材料與振動(dòng)試驗(yàn)

1.1 材料

本試驗(yàn)材料由企業(yè)提供，其樹種分別為產(chǎn)自河南蘭考的泡桐，產(chǎn)自東北地區(qū)的魚鱗云杉。所選素板均為徑切板，表面紋理通直無結(jié)疤，從兩種素板中截取尺寸(L×R×T)為300 mm×30 mm×10 mm的18塊試材，試件紋理平行于L方向。利用恒溫恒濕箱，將試材置于溫度為20 ℃、濕度為60%的環(huán)境下平衡一個(gè)月，使試材含水率保持在12%左右，本研究所用試材的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試件的基本信息Tab.1 Basic information of test materials

1.2 基于軸向壓縮載荷音板木材的振動(dòng)和聲學(xué)試驗(yàn)

模擬音板木材在使用過程中約束以及軸向壓縮載荷的情況，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)和聲學(xué)測(cè)試，測(cè)試原理示意如圖1所示。試材受到的壓縮載荷方向與其紋理方向平行。通過預(yù)載荷試驗(yàn)，將試件變形控制在彈性形變階段，并且不會(huì)出現(xiàn)滑塊以及端部壓潰，最終確定最大施壓載荷為1 600 N。

圖1 振動(dòng)和聲學(xué)試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of acoustic vibration test

本試驗(yàn)在200～1 600 N軸向壓縮載荷區(qū)間選取8個(gè)軸向壓縮梯度，每個(gè)梯度中每一樹種設(shè)置9組重復(fù)試驗(yàn)；試驗(yàn)條件采用分級(jí)施壓的形式，利用電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(AG-10TA)，通過預(yù)先設(shè)置的加載應(yīng)用程序，施壓載荷以200 N為步長(zhǎng)，對(duì)試件施加的載荷和時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示。為盡量避免木材蠕變對(duì)本試驗(yàn)的影響，每次保壓階段均為180 s，在保壓階段利用雙通道快速傅里葉分析儀(CF-5220Z)快速對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)和聲學(xué)測(cè)試。試驗(yàn)中采用沖擊力錘對(duì)音板木材進(jìn)行激勵(lì)，通過每次力錘抬起高度一致，落點(diǎn)一致的方式控制敲擊力度和敲擊點(diǎn)一致，但仍存在一定測(cè)量誤差，利用微音器(MI-233)收集聲音信號(hào)，雙通道快速傅里葉分析儀(CF-5220Z)將得到的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，同時(shí)通過時(shí)域圖和頻域圖可以計(jì)算得出聲衰減系數(shù)。

圖2 軸向壓縮載荷與時(shí)間的曲線Fig.2 Curve of axial compression load and time

通過雙通道快速傅里葉分析儀得到試件各階段的共振頻率，基于固端梁的振動(dòng)原理[21-22]，得出軸向壓縮載荷下音板木材動(dòng)彈性模量的式(1)

(1)

式(1)未考慮材料阻尼的存在。受外力作用而振動(dòng)的木材，當(dāng)外力消失后，由于阻尼的存在，振幅隨時(shí)間的增大呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，如圖3所示。因此無阻尼的固有頻率要高于實(shí)際測(cè)試的共振頻率[23]。對(duì)于這種情況有關(guān)學(xué)者引入對(duì)數(shù)衰減系數(shù)δ，其計(jì)算式如下

圖3 固端梁的阻尼振動(dòng)波形Fig.3 Damped vibration waveform of fixed-end beam

(2)

式中:A1、An、An-1分別為阻尼正弦波的第一、第n-1和第n個(gè)振幅；f1為無阻尼梁第一固有頻率；fτ為測(cè)試得到的第一共振頻率；φ為材料的阻尼比。

式(2)通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到共振頻率和固有頻率的關(guān)系的式(3)。

(3)

將式(3)代入式(1)得到最終固端梁的動(dòng)彈性模量的計(jì)算式(4)

(4)

式中:Ed為梁的動(dòng)態(tài)彈性模量，Pa；fτ為測(cè)得的梁的第一階固有頻率，Hz；L為梁的有效長(zhǎng)度，cm；I為梁的慣性矩，cm4；A為梁的橫截面面積，cm2；ρ為梁的密度，g/cm3；P為軸向載荷，kN。

比動(dòng)彈性模量是聲學(xué)參數(shù)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，根據(jù)上述公式，其計(jì)算式如下

E/ρ=Ed/ρ

(5)

式中,Ed為試材的動(dòng)態(tài)彈性模量，GPa。

聲阻抗W對(duì)于木材與其他介質(zhì)接觸界面發(fā)生的聲音的阻力具有決定意義，其計(jì)算式為

(6)

木材在自由振動(dòng)的時(shí)候，能量不斷衰減直至消失，能量的衰減分為兩部分:一部分是以聲波的形式傳播到空氣中，用聲輻射品質(zhì)常數(shù)R表示，其計(jì)算為式(7)；另一部分由于聲音在內(nèi)部傳播摩擦生熱而損失，這部分用損耗角正切tanσ表示，其計(jì)算為

(7)

tanσ=δ/π

(8)

式中，δ為對(duì)數(shù)衰減系數(shù)。

為了評(píng)價(jià)振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為聲音的效率，有關(guān)學(xué)者引入了聲轉(zhuǎn)換效率ACE，其計(jì)算公式為

ACE=R/δ

(9)

即使同株木材同一部位的采取試樣，其聲學(xué)性能以及力學(xué)性能也會(huì)存在一定差異，在測(cè)量時(shí)不可避免的存在誤差，因此同組數(shù)據(jù)會(huì)存在差異。試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)通過IBM SPSS Statistics，Version 23等數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)其進(jìn)行均值、相關(guān)性、離散程度的分析，探究振動(dòng)和聲學(xué)參數(shù)與軸向壓縮載荷的趨勢(shì)和規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)試驗(yàn)分析

通過力學(xué)試驗(yàn)機(jī)得到軸向壓縮載荷與形變量的數(shù)據(jù)，提取其中每200 N的形變量，得到其軸向壓縮載荷與形變量的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn):泡桐和云杉的形變量與軸向壓縮載荷呈顯著的線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r在0.996 0以上。表明在0～1 600 N內(nèi)，泡桐和云杉的主要形變形式為彈性形變，符合試驗(yàn)預(yù)期。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐、云杉形變量平均增加0.06 mm、0.04 mm；相較于有效長(zhǎng)度L平均增加了0.024%、0.016%。結(jié)果表明云杉變形程度更小，抵抗變形能力優(yōu)于泡桐。

圖4 軸向壓縮載荷與形變量的關(guān)系Fig.4 Relation between axial compression load and shape variable

2.2 軸向壓縮載荷與共振頻率的關(guān)系

通過試驗(yàn)得到不同軸向壓縮載荷作用下音板木材的共振頻率，前兩階共振頻率變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5中可以看出：隨著軸向壓縮載荷的增大，前兩階共振頻率均呈明顯的減小趨勢(shì)，在之前Chopra等對(duì)軸壓梁的理論研究以及Valle等[24]對(duì)軸壓梁模擬試驗(yàn)中均得到類似的變化趨勢(shì)。共振頻率的減小是由于試件在軸向壓縮載荷作用下，預(yù)應(yīng)力的存在，材料剛度降低，從而使結(jié)構(gòu)的共振頻率降低。

從圖5中可以看出:泡桐和云杉音板木材的第一、第二階共振頻率與軸向壓縮載荷呈顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r均在-0.93以下。隨著軸向壓縮載荷的增加，共振頻率呈規(guī)律性下降，軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐的第一、第二階共振頻率分別平均下降1.22%、0.41%；云杉第一、第二階共振頻率分別平均下降0.36%、0.13%。結(jié)果表明:泡桐的共振頻率下降趨勢(shì)要略快于云杉，這是因?yàn)樵粕甲鳛獒樔~材，木材結(jié)構(gòu)質(zhì)密，沒有導(dǎo)管以及較多的薄壁組織，軸向壓縮載荷對(duì)云杉的結(jié)構(gòu)變化影響較小，材料剛度變化程度同樣要小于泡桐。

2.3 軸向壓縮載荷對(duì)聲學(xué)參數(shù)的影響

2.3.1 軸向壓縮載荷與比動(dòng)彈性模量

比動(dòng)態(tài)彈性模量E/ρ是材料動(dòng)態(tài)彈性模量與密度的比值，是評(píng)價(jià)材料振動(dòng)聲學(xué)性能的重要指標(biāo)，比動(dòng)態(tài)彈性模量越大，其振動(dòng)聲學(xué)性能越好[25]。云杉和泡桐的動(dòng)態(tài)E/ρ與軸向壓縮載荷之間的關(guān)系,如圖6所示。

從圖6中可以看出:E/ρ與軸向壓縮載荷具有顯著的線性負(fù)相關(guān)。泡桐和云杉的比動(dòng)態(tài)彈性模量隨軸向壓縮載荷的增加，呈明顯的下降趨勢(shì)。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐、云杉的比動(dòng)彈性模量平均減小3.2%、1.6%。結(jié)果表明:隨著軸向壓縮載荷作用的增大，云杉的比動(dòng)態(tài)彈性模量變化較小，振動(dòng)聲學(xué)性能更加穩(wěn)定。這是因?yàn)樵粕甲鳛橐环N針葉材，抵抗壓力變形的能力要優(yōu)于泡桐，木材結(jié)構(gòu)不易改變。

圖6 軸向壓縮載荷對(duì)E/ρ的影響Fig.6 Effect of axial compression load on E/ρ

2.3.2 軸向壓縮載荷與聲輻射品質(zhì)常數(shù)

聲輻射品質(zhì)常數(shù)R是用來評(píng)價(jià)材料的聲輻射品能力，從聲輻射品質(zhì)定義來看，是木材因輻射聲而衰減時(shí)振動(dòng)的量度，較高的R值的材料可以產(chǎn)生更加響亮的聲音。泡桐和云杉在軸向壓縮載荷作用下的R值變化，如圖7所示。

從圖7可以看出：聲輻射品質(zhì)常數(shù)R與軸向壓縮載荷同樣呈極其顯著的線性負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)在-0.98以下，軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐、云杉的R值平均降低1.30%、0.97%。R值降低的原因是軸向壓縮載荷作用下泡桐和云杉的細(xì)胞壁上出現(xiàn)不同程度的褶皺，是材料內(nèi)部能量消耗上升，造成損耗角正切的增加，從而使聲音輻射到周圍的能量下降，聲輻射品質(zhì)常數(shù)減小。同時(shí)從結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)云杉的R值隨著軸向壓縮載荷增大而降低的程度略小于泡桐，說明在軸向壓縮載荷作用下，云杉的聲學(xué)穩(wěn)定性更好。

圖7 軸向壓縮載荷對(duì)R的影響Fig.7 Effect of axial compression load on R

2.3.3 軸向壓縮載荷與損耗角正切

損耗角正切tanσ是因?yàn)槁暡ㄔ谀静膬?nèi)傳播會(huì)引起摩擦，從而引起的能量損耗功率。損耗角正切低說明聲音在試件中振動(dòng)能量衰減速率慢，有利于維持一定的余音，使聲音聽起來飽滿，是評(píng)價(jià)音板木材品質(zhì)優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)之一[26]。本試驗(yàn)得到的不同軸壓載荷下音板木材的損耗角正切，如圖8所示。

圖8 軸向壓縮載荷對(duì)tan σ的影響Fig.8 Effects of axial compression loads on tan σ

從圖8中可以看出:損耗角正切與軸向壓縮載荷呈較強(qiáng)的線性正相關(guān)。隨著軸向壓縮載荷的增大，泡桐和云杉的損耗角正切均呈明顯的增大趨勢(shì)，其相關(guān)系數(shù)r均在0.96以上。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐、云杉的損耗角正切平均增加11.76%、8.81%。損耗角正切的增加是因?yàn)榕萃┰谳S向壓縮載荷的作用下，導(dǎo)管、木纖維以及薄壁組織有一定程度的皺縮,如圖9(a)所示，云杉的管胞發(fā)生褶皺，如圖9(b)所示，這些細(xì)胞的皺縮增大了聲波在木材中傳導(dǎo)的阻力，使因摩擦消耗的能量增加，從而使損耗角正切隨軸向壓縮載荷的增大而增加，同時(shí)也會(huì)使振動(dòng)頻率下降,如圖9所示。

(a)

圖9 未處理材和順紋壓縮材的SEM圖Fig.9 SEM drawings of raw andgrain compressed materials

2.3.4 軸向壓縮載荷與聲轉(zhuǎn)換效率

聲轉(zhuǎn)換效率ACE是振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為聲音能量的效率，是對(duì)數(shù)衰減和聲學(xué)品質(zhì)常數(shù)的比值[27]。較高的聲轉(zhuǎn)換效率ACE對(duì)于音板木材至關(guān)重要。泡桐和云杉在不同的軸向壓縮載荷作用下聲轉(zhuǎn)換效率ACE的變化如圖10所示。

圖10 軸向壓縮載荷對(duì)ACE的影響Fig.10 Effects of axial compression loads onACE

從圖10中可以看出：軸向壓縮載荷與ACE同樣呈顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.96以下，隨著軸向壓縮載荷的增加，ACE不斷下降。軸向壓縮每增大200 N，泡桐、云杉的ACE平均減小6.70%、6.56%。ACE減小的主要原因是在軸向壓縮載荷作用下泡桐和云杉在細(xì)胞壁上出現(xiàn)的褶皺，使得聲學(xué)在木材內(nèi)的摩擦消耗增加，傳播到周圍的能量減小，從而是聲轉(zhuǎn)換效率下降。

2.3.5 軸向壓縮載荷與聲阻抗

聲阻抗W對(duì)于當(dāng)振動(dòng)能量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時(shí)，具有極其重要的意義。對(duì)于鋼琴，古箏等弦樂器來說，需要較低的聲阻抗，低W有利于聲音傳播到空氣中。云杉和泡桐的聲阻抗與軸向壓縮載荷的關(guān)系如圖11所示。

從圖11可以發(fā)現(xiàn):聲阻抗與軸向壓縮載荷具有顯著的線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均為-0.998，且在0.005水平上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐、云杉的聲阻抗平均減小1.97%、0.66%。

隨著軸向壓縮載荷的增加，聲阻抗呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，振動(dòng)聲學(xué)性能略微增加，但根據(jù)前人的研究，比動(dòng)態(tài)彈性模量E/ρ、聲輻射品質(zhì)常數(shù)R、聲轉(zhuǎn)換效率越大，ACE、損耗角正切tanσ和聲阻抗W越小，其材料的振動(dòng)聲學(xué)性能越優(yōu)良[25]，這4個(gè)振動(dòng)聲學(xué)參數(shù)對(duì)于振動(dòng)聲學(xué)性能的影響權(quán)重要遠(yuǎn)大于聲阻抗。因此根據(jù)上述分析，軸向壓縮載荷不斷增大，音板木材的整體振動(dòng)聲學(xué)性能呈下降的趨勢(shì)。

3 電子掃描電鏡分析

利用用電子掃面顯微鏡對(duì)順紋壓縮前后同一云杉和泡桐試件的微觀構(gòu)造進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。從電子掃面顯微鏡圖中可以看出未順紋壓縮處理前泡桐的導(dǎo)管以及木纖維通直無褶皺(見圖9(a))，云杉的管胞光滑平整無褶皺(見圖9(c))，順紋壓縮后的木材中泡桐試件導(dǎo)管和木纖維同樣出現(xiàn)褶皺(見圖9(b))，云杉的管胞上出現(xiàn)明顯的褶皺(見圖9(d))。

細(xì)胞壁在單向力作用下的變形包括層間的大分子變形和層間的滑移，并沒有發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化。因此通過第2章的分析以及掃描電鏡的觀察，可以推測(cè)這些褶皺的出現(xiàn)是影響聲音信號(hào)在木材中的傳播的重要原因。褶皺的出現(xiàn)使聲音信號(hào)在材料內(nèi)部傳播因摩擦損耗的能量加大，從而使木材的頻率降低，聲衰減系數(shù)增大，這與前文軸向壓縮載荷對(duì)共振頻率和各聲學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律分析結(jié)果一致。同時(shí)由于軸向壓縮載荷的施加，木材內(nèi)部必然有預(yù)應(yīng)力的存在，使其材料剛度發(fā)生改變，這也是影響音板木材的振動(dòng)聲學(xué)性能的重要因素。

4 結(jié) 果

試驗(yàn)分析了音板木材在軸向壓縮載荷作用下振動(dòng)和聲學(xué)行為，以及軸向壓縮載荷與音板木材材料振動(dòng)和聲學(xué)性能的關(guān)系，并通過SEM觀察，從微觀角度初步探討了影響音板木材振動(dòng)和聲學(xué)性能的因素。通過研究得出如下結(jié)論：

(1)泡桐和云杉音板木材的共振頻率f，隨著軸向壓縮載荷的增加而減小。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐云杉第一階共振頻率分別下降1.22%、0.36%；第二階共振頻率分別下降0.41%、0.13%。泡桐的共振頻率隨軸向壓縮載荷下降趨勢(shì)要大于云杉。

(2)振動(dòng)聲學(xué)參數(shù)與軸向壓縮載荷均呈顯著的線性關(guān)系。軸向壓縮載荷每增大200 N，泡桐的比動(dòng)態(tài)彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)、聲轉(zhuǎn)換效率及聲阻抗分別減小3.20%、1.30%、6.70%、1.97%，損耗角正切增加11.76%；云杉的比動(dòng)態(tài)彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)、聲轉(zhuǎn)換效率及聲阻抗分別減小1.60%、0.97%、6.56%、0.66%，損耗角正切增加8.81%。軸向壓縮載荷對(duì)音板木材的整體振動(dòng)聲學(xué)性能具有不利的影響。

(3)在軸向壓縮載荷作用下，云杉的各振動(dòng)和聲學(xué)參數(shù)的變化率均要略小于泡桐，說明云杉音板木材的振動(dòng)聲學(xué)性能在軸向壓縮載荷作用下具有更加優(yōu)良的穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵粕疾馁|(zhì)硬，在軸向壓縮載荷作用下變形較小，結(jié)構(gòu)不易改變。

(4)通過分析以及掃描電子顯微鏡觀察可以得知，在軸向壓縮作用下，木材細(xì)胞壁上出現(xiàn)不同程度的褶皺，由于褶皺的出現(xiàn)，使聲音在木材中的傳播損耗能量增加，影響了聲音信號(hào)的傳遞，這是音板木材在軸向壓縮載荷下其振動(dòng)和聲學(xué)性能降低的重要原因，同時(shí)預(yù)應(yīng)力的存在也是影響振動(dòng)和聲學(xué)性能不可忽視的重要因素。