Звуковые свойства древесины

Особенности распространения звуковых колебаний зависят от физических свойств среды; в древесине как твёрдом теле возникают продольные и поперечные волны, cкорость распространения продольных волн значительно выше.

Показатели, характеризующие распространение звука, используются для определения упругих постоянных и прочности древесины. Ультразвуковые методы применяются для обнаружения скрытых дефектов, неразрушающего контроля качества (прочности, жёсткости, структурной неоднородности, шероховатости и др.) древесины и материалов на её основе. Известны способы обработки древесины ультразвуком повышенной интенсивности и частоты для улучшения её пропитки.

Звукоизолирующая способность древесины характеризуется ослаблением интенсивности прошедшего через неё звука; может быть оценена по разнице уровней звукового давления перед и за перегородкой из древесины, а также по относительному уменьшению силы звука, называемому коэффициентом звукопроницаемости.

Звукоизоляция, или изоляция воздушного шума ${\displaystyle (R)}$, представляет собой десятикратный десятичный логарифм отношения падающей на ограждение из древесины звуковой энергии, или звуковой мощности ${\displaystyle (W_{1})}$, к энергии, прошедшей через ограждение ${\displaystyle (W_{2})}$:

${\displaystyle R\!=\!10\cdot \lg {\frac {W_{1}}{W_{2}}}}$.

Звукоизолирующая способность массивной древесины сравнительно невысока, зависит от породы, толщины перегородки. Например, для древесины сосны при толщине 3 см звукоизоляция составляет 12 дБ (децибел), коэффициент звукопроницаемости 0,065; для древесины дуба при толщине 4,5 см – соответственно 27 дБ и 0,002. Звукоизоляция выше у древесных материалов [древесноволокнистая плита (ДВП), в том числе среднего уровня плотности, древесно-стружечная плита (ДСтП) и др.], конструкций на основе древесины (панели, в том числе с воздушными промежутками, и др.).

Звукопоглощающая способность древесины – способность поглощать звук; вызвана рассеянием звуковой энергии в структурных полостях и необратимыми тепловыми потерями вследствие внутреннего трения. Для характеристики используют коэффициент звукопоглощения ${\displaystyle (\alpha )}$:

${\displaystyle \alpha \!=\!{\frac {E_{\text{погл}}}{E_{\text{пад}}}}}$,

где ${\displaystyle E_{\text{погл}}}$ и ${\displaystyle E_{\text{пад}}}$– соответственно поглощённая и падающая звуковая энергия.

Величина коэффициента звукопоглощения изменяется от 0 до 1, зависит от частоты, пористости древесины; для сосновой перегородки толщиной 19 мм в диапазоне частот 100–4000 Гц коэффициент звукопоглощения находится в пределах 0,081–0,11; его величина для коры пробкового дуба и материалов на её основе составляет 0,2–0,8; для композиционных древесных материалов: ДСтП – 0,2–0,5; мягкие ДВП – 0,4–0,8; панелей на основе древесины (перфорированных с воздушными промежутками и др.) – 0,6–0,8.

Резонансная способность древесины характеризует её свойства как материала для изготовления излучателей звука (дек) музыкальных инструментов, отражает способность усиливать звук без искажения тона. В смычковых, щипковых и клавишных инструментах энергия колебания струны передаётся деке, предназначенной для усиления звука и формирования его тембра. Всего 3–5 % общей энергии излучается в воздух в виде звука, значительная часть расходуется на потери внутри материала деки и в местах её крепления на корпусе инструмента.

Качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, оценивается по предложенной Н. Н. Андреевым акустической константе ${\displaystyle (K)}$:

${\displaystyle K\!=\!{\sqrt {\frac {E}{\rho ^{3}}}}\!=\!{\frac {C}{\rho }}}$.

Наибольшие значения акустической константы характерны для древесины ели, пихты кавказской и cосны кедровой и составляют примерно 12 м⁴ /(кг·с). Древесину для изготовления дек называют резонансной.

Величину акустической константы можно определить по кернам – цилиндрическим образцам, высверливаемым в радиальном направлении из ствола растущего дерева или кряжа; скорость распространения звука в древесине (поперёк волокон) измеряют ультразвуковым методом, в этом случае показатель ${\displaystyle K}$ примерно в 3 раза меньше стандартного.

Акустическая константа может служить лишь приближённым критерием для первичного отбора древесины, необходимо оценивать также потери звуковой энергии в древесине, определяемые величиной декремента колебаний, и возможные потери при креплении деки инструмента к его корпусу. В качестве такого показателя можно использовать эффективность акустического преобразования ${\displaystyle (\eta _{\text{ЭАП}})}$, который учитывает величину акустической константы и декремента колебаний:

${\displaystyle \eta _{\text{ЭАП}}={\frac {K}{\mathrm {tg} \,\delta }}}$.

Древесина различных хвойных и лиственных пород в зависимости от региона произрастания используется для изготовления дек и деталей музыкальных инструментов, акустических панелей для внутренней обшивки концертных и театральных залов. Древесина длительной (50 лет и более) выдержки обладает наилучшими акустическими характеристиками, из-за снижения содержания гемицеллюлоз такая древесина более устойчива к температурно-влажностным воздействиям и изготовленные из неё инструменты обладают большей стабильностью звуковых характеристик.

Акустическая эмиссия древесины – явление излучения древесиной звуковых волн под воздействием нагрузки или влияния иных факторов; вызвана изменением структуры материала. Древесина издаёт отчётливо слышимые звуковые сигналы (частота меньше 20 кГц) при нагрузке ниже разрушающей. Измерения показали, что древесина излучает также в широком ультразвуковом диапазоне – вплоть до 1,5 МГц. Это свойство древесины используется в каменоугольной, сланцедобывающей и горнорудной промышленности: древесина стоек из сосны и ели издаёт предупреждающий треск при усилении давления на крепь. Метод акустической эмиссии используется для исследований взаимосвязи между структурой и свойствами; анализа процессов разрушения древесины и материалов на её основе; оптимизации и мониторинга процессов резания, сушки, склеивания, отделки древесины, эксплуатации деревянных конструкций и др.