木材學(xué)聲學(xué)光學(xué)

木材學(xué)聲學(xué)光學(xué)第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4木材的熱學(xué)性質(zhì)用比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等熱物理參數(shù)來綜合表征的。這些熱物理參數(shù)，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(yù)處理等）中，是重要的工藝參數(shù)；在建筑部門進行隔熱、保溫設(shè)計時，是不可缺少的數(shù)據(jù)指標。第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1木材的比熱和熱容量6.4.2木材的導(dǎo)熱系數(shù)6.4.3木材的導(dǎo)溫系數(shù)6.4.4木材的蓄熱系數(shù)6.4.5木材的熱膨脹與熱收縮6.4.6熱對木材性質(zhì)的影響6.4.7木材熱物理參數(shù)的測量第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1木材的比熱和熱容量熱容量:使某物體的溫度變化1℃所吸收或放出的熱量稱為該物體的熱容量。設(shè)θ0為初始溫度，θ1為終了溫度，Q為物體上升Δθ(＝θ1-θ0)所吸收的熱量，則熱容量用Q/Δθ(kJ/℃)

熱容量系數(shù):物體單位重量(1kg)的熱容量稱為熱容量系數(shù)。

設(shè)質(zhì)量為m(kg)的物體的熱容量Q/Δθ(kJ/℃)，該物體熱容量系數(shù)C〔kJ/(kg﹒℃)〕如下：

比熱:為單位量(kg)的某種物質(zhì)溫度變化1℃所吸收或放出的熱量。其單位為kJ/(kg﹒K)。

第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.2木材的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)表征物體傳遞熱量的能力。導(dǎo)熱系數(shù)（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(nèi)通過單位面積的熱量。單位為W/(m﹒K)。傳導(dǎo)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。第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月影響木材導(dǎo)熱系數(shù)的主要因子：(1)木材密度的影響木材導(dǎo)熱系數(shù)隨著木材密度的增加大致成比例地增加。原因：孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于木材實體物質(zhì)

。在室溫、氣干含水率條件下木材密度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響（自劉一星，1994）○——熱流方向為弦向；×——熱流方向為徑向第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)含水率的影響因為水的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)高23倍以上。隨著木材含水率的增加，木材的導(dǎo)熱系數(shù)增大。(3)溫度的影響導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)明顯大于橫紋方向的導(dǎo)熱系數(shù)。徑向?qū)嵯禂?shù)大于弦向，平均約相差12.7%。

第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.3木材的導(dǎo)溫系數(shù)

導(dǎo)溫系數(shù)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(dǎo)溫系數(shù)(m2/s)；λ——導(dǎo)熱系數(shù)〔W/(m﹒K)〕；C——比熱〔kJ/(kg﹒K)〕；ρ——密度(kg/m3)；C﹒ρ——體積熱容量〔kJ/(m3﹒K)〕。

導(dǎo)溫系數(shù)在各樹種間的差異不如導(dǎo)熱系數(shù)那樣顯著。以弦向?qū)叵禂?shù)為例，它的變化范圍為0.00118～0.00175×10-4m2/s，55種木材的平均值為0.00140×10-4m2/s。第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

木材的導(dǎo)溫系數(shù)的影響因子：密度、含水率、溫度和熱流方向（1）木材密度的影響木材的導(dǎo)溫系數(shù)通常隨密度的增加而略有減小。

（2）含水率的影響水的導(dǎo)溫系數(shù)很小，比空氣的導(dǎo)溫系數(shù)小兩個數(shù)量級，含水率的增加，使得木材中部分空氣被水所替代，則導(dǎo)致木材的導(dǎo)溫系數(shù)降低。

第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）溫度的影響溫度對導(dǎo)溫系數(shù)的影響幅度較?。辉谡郎囟?0～100℃)下，絕干木材的導(dǎo)溫系數(shù)隨溫度的上升而略有降低。（4）熱流方向的影響熱流方向?qū)δ静膶?dǎo)溫系數(shù)的影響與它對導(dǎo)熱系數(shù)的影響方式相同。順紋方向?qū)叵禂?shù)遠大于橫紋方向?qū)叵禂?shù)，徑向?qū)叵禂?shù)通常略大于弦向?qū)叵禂?shù)。第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.4木材的蓄熱系數(shù)

蓄熱系數(shù)（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(shù)。

kJ/(m2﹒h﹒K)

第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(xiàn)象。

線熱膨脹系數(shù)α和體積熱膨脹系數(shù)β：

木材的熱膨脹系數(shù)很小，一般可忽略其熱膨脹效應(yīng)。但是，當木材內(nèi)部有溫度梯度時，會因熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力可能造成木材的變形。第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.6熱對木材性質(zhì)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）；如繼續(xù)延長熱處理時間，就會造成木材化學(xué)成分的熱分解，導(dǎo)致木材力學(xué)性質(zhì)降低。長期蒸煮處理可導(dǎo)致木材彈性模量減小、各種力學(xué)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(nèi)部應(yīng)力、降低吸濕性、固定木材變形的作用。第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5木材的聲學(xué)性質(zhì)

木材的聲學(xué)性質(zhì)，包括木材的振動特性、傳聲特性、空間聲學(xué)性質(zhì)(吸收、反射、透射)、樂器聲學(xué)性能品質(zhì)等與聲波有關(guān)的固體材料特性。

第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5木材的聲學(xué)性質(zhì)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(xué)性能品質(zhì)評價簡述6.5.4木材的聲傳播、聲共振與材質(zhì)無損檢測第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.1木材的振動特性共振是指物質(zhì)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(xiàn)象。共振現(xiàn)象對應(yīng)的頻率稱為共振頻率或固有頻率。阻尼自由振動：第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)摩擦衰減

6.5.1.3木材的聲阻抗(特性阻抗)

第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(zhuǎn)振動。

(1)縱向振動縱向振動是振動單元(質(zhì)點)的位移方向與由此位移產(chǎn)生的介質(zhì)內(nèi)應(yīng)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第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)橫向振動

橫向振動：振動元素位移方向和引起的應(yīng)力方向互相垂直的運動。（木結(jié)構(gòu)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(guān)。第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)扭轉(zhuǎn)振動

扭轉(zhuǎn)振動：振動元素的位移方向圍繞試件長軸進行回轉(zhuǎn)，如此往復(fù)周期性扭轉(zhuǎn)的振動。試件基本共振頻率fr取決于該外加質(zhì)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。第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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(nèi)摩擦衰減

6.5.1.3木材的聲阻抗(特性阻抗)

第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.1.2木材的聲輻射性能和內(nèi)摩擦衰減

木材聲輻射品質(zhì)常數(shù)、木材的(內(nèi)摩擦)對數(shù)衰減率(或損耗角正切)和聲阻抗等聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)。聲輻射阻尼系數(shù)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。

第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shù)，它是一種在聲輻射方面具有優(yōu)良特性的材料。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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(yīng)方向上彈性橫量之間的關(guān)系：第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月表4-14木材順紋及橫紋方向的動彈性模量和傳聲速度

樹種平均密度/g·cm-3平均動彈性模量Ed/CPa平均傳聲速度v/m·s-1v∥/v⊥順紋橫紋順紋橫紋魚鱗云杉0.45011.550.2652987836.7紅松0.40410.090.2749198186.0槭木0.63712.661.23442213683.2水曲柳0.58512431.61463816422.8椴木0.41412.210.61537013603.9第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月木材具有優(yōu)良的聲共振性和振動頻譜特性——聲學(xué)性能品質(zhì)好對共鳴板材料的聲學(xué)性能品質(zhì)評價，可歸納為三個大的方面：①對振動效率的評價；②有關(guān)音色的振動性能品質(zhì)評價；③對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價。第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月對共鳴板材料的聲學(xué)性能品質(zhì)評價，可歸納為三個大的方面：

①對振動效率的評價；②有關(guān)音色的振動性能品質(zhì)評價；③對發(fā)音效果穩(wěn)定性的評價。6.5.3木材聲學(xué)性能品質(zhì)評價簡述

第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3.1對振動效率品質(zhì)的評價

選用聲輻射品質(zhì)常數(shù)較高(R≥1200)、內(nèi)摩擦損耗小的木材。

原因：振動效率要求音板應(yīng)該能把從弦振動所獲得的能量，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷茌椛涞娇諝庵腥ィ鴵p耗于音板材料內(nèi)摩擦等因素的能量應(yīng)盡量小，使發(fā)出的聲音具有較大的音量和足夠的持久性。評價(與振動效率有關(guān)的)木材聲學(xué)性能品質(zhì)的物理量主要有：

聲輻射阻尼(聲輻射品質(zhì)常數(shù))、比動態(tài)彈性模量E/ρ、損耗角正切tgδ、聲阻抗以及tanδ/E等。

纖絲角小者有利于其木材振動聲能轉(zhuǎn)換效率的提高；木材主要成份纖維素的結(jié)晶度的適量增大有利于其木材聲學(xué)振動效率的提高。對生長輪寬度的要求為：在2cm間隔內(nèi)，生長輪寬度偏差不宜超過0.5mm；在整塊面板上，最寬和最窄的生長輪寬度差，不宜超過1～2mm第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3.1對振動效率品質(zhì)的評價

選用聲輻射品質(zhì)常數(shù)較高(R≥1200)、內(nèi)摩擦損耗小的木材。

評價(與振動效率有關(guān)的)木材聲學(xué)性能品質(zhì)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。

第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.3.2有關(guān)音色的振動性能品質(zhì)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(nèi)比較均勻地放大各種頻率的樂音。

云杉的頻譜特性的“包絡(luò)線”具有呈“1/f”分布特征,補償了人耳“等響度曲線”對高音過于敏銳，對低音聽覺遲鈍的不足。可用動彈性模量E與動態(tài)剛性模量G之比E/G這個參數(shù)來表達頻譜特性曲線的“包絡(luò)線”特性，E/G值高者，其音色效果好。云杉屬木材結(jié)晶度的提高和纖絲角的減小有利于E/G參數(shù)的提高。第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

原因：空氣濕度的變化會引起木材含水率的變化，引起木材聲學(xué)性質(zhì)參數(shù)的改變而導(dǎo)致樂器發(fā)音效果不穩(wěn)定；特別是如果木材含水率過度增高，會因動彈性模量下降、損耗角正切增大，以及尺寸變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等原因?qū)е聵菲饕袅拷档?，音色也受到嚴重影響?/p>

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(xué)性能品質(zhì)。第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.5.4木材的聲傳播、聲共振與材質(zhì)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(shù)關(guān)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(guān)系為v=（Eu/ρ）1/2

。

第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月振動法(共振法)檢測：基于木材共振頻率與彈性模量具有數(shù)學(xué)關(guān)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(guān)。沖擊應(yīng)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。

第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.6木材的光學(xué)性質(zhì)

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(xiàn)象(冷光現(xiàn)象)6.6.4木材的雙折射第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月6.6.1木材的顏色

顏色三屬性：明度、色調(diào)、飽和度明度表示人眼對物體的明暗度感覺；

色調(diào)(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。第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月