Звуковы́е сво́йства древеси́ны, совокупность свойств, определяющих способность древесины проводить, поглощать и отражать звук, а также её резонансные свойства и акустическая эмиссия.

Распространение звука в древесине

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.

Скорость распространения звука

Скорость распространения звука $(C)$ в достаточно длинном стержне в направлении колебательного движения частиц древесины (продольные волны) определяется из соотношения:

$C= \sqrt{ \frac{E}{ \rho } }$,

где $E$ – динамический модуль упругости, Н/м² или Па; $\rho$ – плотность древесины, кг/м³.

Скорость распространения звука в древесине можно установить по резонансной частоте вынужденных продольных колебаний образца, а также определить импульсным ультразвуковым методом; зависит от направления распространения. Средние значения $C$ вдоль волокон для древесины камерной сушки находятся в диапазоне 4000–6000 м/с, поперёк волокон – 1200–2800 м/с; в радиальном направлении скорость несколько выше, чем в тангенциальном. Значения уменьшаются при увеличении температуры и влажности $(W)$.

Акустическое сопротивление

Акустическое сопротивление $(R)$ характеризует способность древесины отражать и проводить звук:

$R\!=\! \rho \cdot C$.

Величина этого показателя для древесины пород, произрастающих на территории России, при $W\!=\!8–12 \,\%$ находится в пределах (28–33) 10⁵ Па·с/м.

Логарифмический декремент колебаний

Логарифмический декремент колебаний $( \delta )$ характеризует скорость затухания колебаний, необходим для количественного определения потерь энергии на внутреннее трение; численно равен натуральному логарифму отношения двух амплитуд, отделённых друг от друга интервалом в один период, величина амплитуды уменьшается по экспоненциальному закону. Декремент колебаний в древесине определяют по методике, описанной в ГОСТ 16483.31-74. Логарифмический декремент продольных и изгибных колебаний вычисляют по формуле:

$\delta \!=\! \frac{ \pi \cdot (f_1-f_2) }{ \sqrt{3} \cdot f_0}$,

где $f_0$ – частота резонансных колебаний, Гц; $f_1-f_2$ – разность частот колебаний, амплитуды которых равны половине максимальной (резонансной) амплитуды, Гц. Нп («непер») – отношение двух физических величин, натуральный логарифм которого равен 1.

Для изгибных и продольных колебаний, распространяющихся в древесине, величина $\delta$ находится диапазоне (173–366)·10^–4 Нп, зависит от частоты колебаний, влажности и температуры древесины.

Звукоизолирующая способность древесины

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 $(R)$, представляет собой десятикратный десятичный логарифм отношения падающей на ограждение из древесины звуковой энергии, или звуковой мощности $(W_1)$, к энергии, прошедшей через ограждение $(W_2)$:

 $R\!=\!10 \cdot \lg{ \frac{W_1}{W_2} }$.

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

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 $( \alpha )$:

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

где $E_{погл}$ и $E_{пад}$– 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

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 $(K)$:

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

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 $K$ 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 $( \eta_{ЭАП})$, который учитывает величину акустической константы и декремента колебаний:

 $\eta_{ЭАП}= \frac{K}{ \mathrm{tg}\, \delta }$.

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

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.