Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 13
1.1. Лесная политика в условиях рыночной экономики 13
1.2. Степень изученности «экологического»
и «технического» качества древесины 15
1.3. Состояние и перспективы квалиметрии, стандартизации и сертификации древесины на корню и в лесоматериалах 28
1.4. Программа, методика, характеристика объектов и объем исследований 35
Глава 2. Резонансная древесина как объект исследования 46
2.1. Общее понятие о резонансной древесине 46
2.2. Особые требования к резонансной древесине 47
2.3. Исторический обзор способов диагностики, отбора и использования резонансного лесоматериала 54
Выводы по главе 2 69
Глава 3. Диагностика резонансной древесины 71
3.1. Косвенные (визуальные) способы диагностики 71
3.2. Особенности физико-механических и акустических характеристик древесины в звуковом и ультразву ковом диапазоне частот 83
3.3. Прямые (технические) способы диагностики 91
3.4. Способы и технические средства определения макроструктуры древесины 95
3.5. Импульсный ультразвуковой прибор 111
3.6. Прибор для определения собственных частот образцов в виде стержней консольного крепления 113
3.7. Составной пъезокварцевый вибратор 124
3.8. Прибор для исследования древесины методом обратной акустической связи 131
3.9. Виброакустическая диагностика древесины на корню 134
3.9.1. Принципиальные схемы и основные параметры 135
3.9.2. Результаты и выводы 139
3.10. Сравнительная характеристика технических средств и способов диагностики резонансной древесины 148
Глава 4. Строение, свойства и качество резонансной древесины 157
4.1. Макростроение 157
4.2. Микростроение 161
4.3. Химический состав..., 174
Выводы по главе 4 182
Глава 5. Формирование резонансной древесины под действием биотических и абиотических факторов 184
5.1. Индивидуально-генетические (наследственные) факторы 184
5.2. Изменчивость резонансных свойств древесины внутри ствола дерева 192
5.3. Морфология дерева 201
5.4. Формирование резонансной древесины ели
в заболоченных лесах 210 Выводы по главе 5 , 218
Глава 6. Пути управления производством и качеством резонансного лесоматериала 220
6.1. Общие положения 220
6.2. Способы отбора резонансного сырья
6.2.1. Способы биолого-лесоводственного направления 221
6.2.2. Способы дендроакустического направления 223
6.2.3. Выбор способов отбора резонансного сырья
с учетом интересов его поставщика и потребителя... 227
6.3. Выращивание резонансной ели 229
6.4. Квалиметрия, стандартизация и сертификация резонансного сырья на корню и в лесоматериалах 232
6.5. Технологические особенности в деревообработке по обеспечению качества резонансного сырья 249
6.6. Стратегия и основные элементы всеобщего управления качеством лесоматериалов спецназначения 261
6.7. Пути получения технико-экономической эффективности 270
Выводы по главе 6 271
Общие выводы и практические рекомендации .275
Список литературы 292
- Состояние и перспективы квалиметрии, стандартизации и сертификации древесины на корню и в лесоматериалах
- Исторический обзор способов диагностики, отбора и использования резонансного лесоматериала
- Прибор для определения собственных частот образцов в виде стержней консольного крепления
- Изменчивость резонансных свойств древесины внутри ствола дерева
Введение к работе
Актуальность темы. Прошло почти три века с тех пор, когда Амати, Гварнери, Страдивари и другие мастера староитальянских школ подарили человечеству уникальные, до сих пор не превзойденные по красоте звучания музыкальные инструменты. На пороге третьего тысячелетия ученые и специалисты многих стран все еще пытаются разгадать «секрет Страдивари», используя для этого самые что ни есть передовые научно-технические достижения в областях физики, математики, химии, биологии и т.д.
Пока неопровержимо доказано: один из основных секретов звучания скрипок великого мастера, да и вообще появление данного вида инструмента именно в северо-восточной части Италии (города Брешия и Кремона) кроется в распознавании и умелом использовании так называемой резонансной древесины, которая формируется лишь в определенных условиях местопроизрастания у некоторых генетически обусловленных деревьев.
Жизнь доказала, что возросший во всем мире массовый спрос на музыкальные инструменты из высококачественной резонансной древесины ели, которая сегодня является остродефицитным и весьма дорогим во всем мире материалом (1,0-1,5 тыс. долларов США за кубометр сертифицированных заготовок), не может быть удовлетворен без целенаправленного ее выращивания.
Положение усугубляется тем, что до настоящего времени не разработаны неразрушающие экспресс-способы и отсутствуют необходимые технические средства для объективной диагностики качества древесины на корню как потенциального резонансного сырья.
Применяемые пока методы визуальной оценки данного лесоматериала, причем в основном в готовых сортиментах, не могут способствовать рациональному использованию и, что особенно важно, сохранению генофонда резонансного биотипа ели.
При таких методах оценки много ценной древесины остается в лесу и пропадает или расходуется на другие, зачастую второстепенные объекты (пиломатериалы общего назначения, технологическая щепа, тарные дощечки, дрова и т.д.). В ряде случаев, наоборот, резонансные заготовки выбираются из лесоматериалов, которые по наследственному происхождению не обладают лучшими акустическими свойствами, что в конечном итоге отрицательно сказывается на качестве музыкальных инструментов.
Пока нет также работ, направленных на решение проблем стандартизации, сертификации и управления качеством резонансной древесины как на корню, так и в сортиментах путем интеграции с производством.
В результате Россия несет большие потери в реализации такого ценного природного сырья не только на внутреннем рынке, но и при экспорте в другие страны.
Цель работы - теоретическое обоснование и разработка комплексного лесоводственно-дендроакустического метода обеспечения качества резонансной древесины на корню и в лесоматериалах на стадиях лесовыращивания и целевого использования.
Научная новизна работы. Впервые выполнены комплексные лесоводственно-дендроакустические исследования, позволившие разработать новые неразрушающие способы отбора резонансного сырья на корню и в лесоматериалах. Это открыло реальные возможности для рационально-целевого использования, а главное, всеобщего контроля качества уникального сырья уже в процессе лесовозобновления, а в конечном итоге - сохранения его запасов в лесах России.
Для решения этой задачи проводились фундаментальные и поисковые научные исследования по следующим основным направлениям: анализ состояния обеспечения (контроля) качества продукции в лесной и лесопромышленной отраслях; разработка, изготовление и внедрение новых технических средств для нераз-рушающего контроля акустических параметров резонансной древесины в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот при целевом отборе и выращивании -этого уникального природного сырья; определение основных физико-механических и акустических показателей древесины и выявление взаимосвязей между ними, а также биоморфологией дерева на фоне генетической и
фитоценотической изменчивости; особенности формирования резонансной древесины под действием биотических и абиотических факторов - генетических, климатических, почвенно-гидрологи-ческих и лесоводственно-хозяйственных; разработка системы всеобщего обеспечения качества и сертификации резонансного сырья при целевом использовании и возобновлении его запасов.
Обоснованность выводов и рекомендаций. Диссертационная работа выполнена на большом фактическом материале с применением новых технических средств, обеспечивающих объективность и высокую точность в проведении дендроакустических измерений. В целях достижения большей их достоверности результаты сопоставлялись с данными контрольных замеров, выполненных стандартными методами.
Продолжительность (не менее 25 лет) конкретных наблюдений на лесных объектах, обработка основных материалов на ЭВМ с применением современного математического аппарата и опытно-производственная апробация предложенных технических средств в отборе резонансной древесины позволили сделать обоснованные выводы и практические рекомендации.
Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Работа выполнялась в основном по двум научно-исследовательским темам Министерства общего и профессионального образования РФ:
разработка способов стандартизации и сертификации резонансной древесины на корню;
разработка, изготовление и внедрение комплекса технических средств для неразрушающих способов экспресс-диагностики качества авиационной и резонансной древесины с последующим созданием базы ее производства в регионах России.
Одновременно проводились научно-внедренческие работы по хоздоговорным темам Росмузпрома и Майского леспромхоза:
разработка способов отбора и выявление запасов резонансного сырья в Волжско-Камском регионе;
комплексная оценка свойств древесного сырья Майского ЛПХ по целевому назначению.
Внедрение результатов исследований в практику осуществляется следующим образом.
Под руководством и при участии автора изготовлены новые технические средства, позволяющие неразрушающими способами выполнять экспресс-диагностику и целевой отбор резонансной древесины как в готовых лесоматериалах, так и на корню без спшшвания дерева. С их помощью проведены поисковые (экспедиционные) изыскания потенциальных запасов резонансного сырья в таежных лесах Волжско-Камского региона, включая Республики Марий Эл, Удмуртию, Кировскую и Пермскую области.
По результатам этих изысканий составлены карты распределения запасов резонансной древесины ели в указанных регионах и представлены заказчикам работ.
В ходе этих же экспедиций выявлены уникальные экземпляры резонансной ели, которые взяты под особый контроль и используются как деревья-маточники для размножения черенками. Например, в целях сохранения генофонда такого редкого и исчезающего биотипа ели на площади около 5 га (территория Учебно-опытного лесхоза МарГТУ) методом прививки черенками созданы архивноклоновые плантации, где целенаправленно ведутся научные наблюдения и апробируются варианты лесовыра-щивания путем интеграции производства и управления качеством древесины за счет регулирования густоты, состава насаждений и внедрения других лесохозяйственных методов.
На базе новых разработок в МарГТУ создана единственная пока в России учебно-научно-производственная лаборатория квалиметрии резонансной древесины. По предложению Правительства Республики Марий Эл, в дальнейшем лаборатория расширила свои функции и была аккредитована на техническую компетентность и независимость в Системе Госстандарта России как Испытательная лаборатория по сертификации мебели и изделий из древесины (включая резонансные лесоматериалы и заготовки); в феврале 1998 г. прошла переаккредитацию в данной же системе.
Материалы диссертационной работы нашли применение и в учебном процессе. В целях повышения уровня подготовки инженеров лесной промышленности и лесного хозяйства по специальностям 260100, 260200 и 260400 автором диссертации изданы новое учебное пособие для вузов «Экспресс-диагностика и отбор резонансной древесины» и монография «Ель резонансная: отбор
на корню, выращивание, сертификация», которые используются студентами в освоении курсов «Древесиноведение» и «Лесное товароведение».
Кроме того, созданная примерно за 10 лет научно-техническая и кадровая база МарГТУ позволила открыть в 1996 году новую специальность 07200 «Стандартизация и сертификация в лесохимическом комплексе» и одновременно выпускающую кафедру «Древесина и экологическая сертификация».
Апробация, публикации, доклады. Результаты исследований прошли апробацию не только через публикации и доклады в научно-технических аудиториях, но и в реальных производственных условиях.
Получены авторское свидетельство на изобретение нового способа отбора и целевого выращивания резонансной ели и патент России на способ сушки резонансных сортиментов в токах сверхвысоких частот (в соавторстве).
По материалам диссертации опубликованы 42 работы, в том числе 1 монография объемом 12 п.л., 2 учебных пособия, методические указания и научные статьи в отечественных изданиях и за рубежом. Общее количество авторских публикаций — 103 работы.
Результаты исследований докладывались лично и представлялись заочно в письменной форме на ряде симпозиумов, конференций и совещаний как внутри страны, так и за рубежом: 1-й и 2-й Международные симпозиумы «Строение, свойства и качества древесины» (Москва-Мытищи, 1990 и 1996 гг.); научные сессии Координационного совета России по современным проблемам древесиноведения под эгидой Международной академии наук о древесине (ИАВС), прошедшие в городах Санкт-Петербурге (1997), Йошкар-Оле (1995), Брянске (1994), Красноярске (1987); научно-техническое совещание «Гидролесомелиорация и ведение лесного хозяйства на осушенных землях» (Калининград, 1993); координационное научно-производственное совещание «Гидролесомелиорация и рациональное природопользование» (Кириши Ленинградской обл.); научно-техническая ярмарка идей «Новые идеи в технике и технологии лесного комплекса» (Гомель, 1990); VIII Всесоюзная конференция по мелиоративной географии «Экологические и экономические аспекты мелиорации (Таллин,
1988); Всесоюзное совещание «Эффективность в организации работ по осушению лесных земель» (Сыктывкар, 1988); Всесоюзное совещание АН СССР «Эксперимент и математическое моделирование в изучении биогенезов лесов и болот» (Западная Двина, 1987); заседание Научно-методического Совета по специальности 072000 "Стандартизация и сертификация" (Архангельск, 1998).
Результаты деятельности лаборатории квалиметрии резонансной древесины МарГГУ были представлены на V Международной конференции ИЮФРО «Продукции леса» (Франция, Нанси, 1992) и получили положительные отзывы.
Основные научно-практические положения, выносимые на защиту.
-
Анализ состояния и разработка основ квалиметрии, стандартизации, сертификации древесины на корню и в лесоматериалах.
-
Новые технические возможности экспресс-диагностики качества и неразрушающего отбора резонансной древесины на корню и в лесоматериалах.
-
Особенности физико-механических свойств и закономерности формирования резонансной древесины ели в связи влиянием биотических и абиотических факторов.
-
Пути всеобщего обеспечения качества резонансного сырья при целевом использовании и возобновлении его запасов в лесах России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы в количестве 185 наименований, включая 34 наименования на иностранных языках. Общий объем диссертации 335 страниц, в том числе 23 таблицы, 47 рисунков и 7 приложений.
Состояние и перспективы квалиметрии, стандартизации и сертификации древесины на корню и в лесоматериалах
По отношению к «экологическому» качеству древесины вообще как продукта биологического развития (ее микро- и макростроение, наличие и характер распределения пороков, плотность и ряд других технических свойств) практикой и наукой накоплен обширный материал, подтверждающий его изменчивость на фоне варьирования многих факторов: климатических, генетических, фитоценотических и антропогенных.
Особый интерес для разработки способов всеобщего обеспечения и контроля качества при целевом отборе и выращивании резонансного сырья сырья представляют исследования закономерности формирования древесины ели в связи с условиями произрастания, биоло-го-лесоводственными особенностями насаждений, действием антропогенных факторов и т.д., которые проводили наши ученые: Л.А.Ива-нов, А.И.Калнинып, Л.Н. Леонтьев, В.Е.Вихров, М.Д.Данилов, А.А. Яценко-Хмелевский, Е.С.Чавчавадзе, М.И.Колосова, Н.И.Лайранд, И.С.Мелехов, Т.А.Мелехова, В.Е. Москалева, О.И.Полубояринов, И.ААлексеев, Е.Д.Сабо, А.Л.Синкевич, Р.С.Степанов, Л.Н.Исаева, В.А.Ипатьев, Ю.И.Леплинский, Е.А.Ваганов, М.А.Венценосцева, Г.Н.Некрасова, Р.Б.Федоров, С.П.Ефремов. В работах Н.С.Нестерова [70,71,72], Г.Н.Пахаря [80], В.П.Гав-рися [25], НААтуриной [8], А.С.Яблокова [150], Н.А.Санкина [106], В.И.Пчелина [96], И.С.Винтонива [18], Л.НАрганашвили [7], АЯЛю-бавской [57] и С.Н.Багаева [10] отражена изменчивость резонансных и декоративных свойств ели и явора на фоне варьирования фенотипа и условий роста дерева.
Начиная примерно с 30-х годов XX века в связи с применением древесины не только в строительстве, изделиях общего назначения, изготовлении музыкальных инструментов, но и в машиностроении и особенно самолетостроении, большее развитие получило техническое древесиноведение. Ряд оригинальных работ по определению упруго-вязких и других физико-механических показателей древесины выполнили: Н.Н.Андреев [6], А.В.Римский-Корсаков и НАДья-конов [99], И.И.Кузнецов [52,53], Ю.М.Иванов, ВАБаженов, Ф.Ф.Садовский, ААРабинович, Н.Ф.Гусев, Н.И.Миронов [66,67], А.Н.Митин-ский [68], Л.М.Перелыгин [81], Б.Н.Уголев [118], Е.К.Ашкенази [9], В.Д.Никишов [73,74], АМ.Боровиков [13], И.И.Пищик [84], ТАМа-карьева [59,60], Ю.С.Соболев, АМ.Горлов, Г.С.Корсаков [48], В.И.Королев, НАКомаров, А.С.Сапожников [108], В.В.Тулузаков [116], А. Н.Кириллов.
Изучению дендроакустических свойств ели посвятили свои исследования зарубежные ученые: Ф.Кольманн, Д.Хольц (Германия); З.Де-виде, М.Марчок, Э.Райчан и В .Ланчи (Словакия); М.Бариска, И.За-лога, Р.Илле и Я.Подобский (Чехия); В.Букур, К.Лоран и Ф.Юбер (Франция); ТАоки, Т.Ямада (Япония).
Работы этих и других авторов позволили выявить ряд факторов, предопределяющих прямо или косвенно резонансные свойства древесины на корню, а также возможность целенаправленного их сохранения в лесоматериалах и в определенной мере улучшения путем различных технологических воздействий.
Более детальный анализ имеющейся литературы в области исследований резонансной древесины показал следующее.
Далеко не каждое дерево (даже в пределах одной породы) и не во всех условиях роста формирует такой лесоматериал. Акустические свойства резонансной древесины зависят в совокупности от многих факторов: породы, почвенно-климатических условий (географического региона), лесоводственно-таксационного состояния насаждений, биоморфологии и других генетически обусловленных предрасположен-ностей самого дерева.
Между тем, среди ученых и специалистов пока нет единого мнения о роли каждого из перечисленных факторов. Исключение составляет порода древесины: даже стандартами многих стран для изготовления основной звукоизлучающей детали музыкального инструмента, то есть деки, предусматриваются ель, пихта кавказская и кедр; у мастеров, как и раньше, выше котируется древесина ели (см. гл. 2).
Мир музыкальных инструментов огромен. Однако вершиной акустического качества древесины является резонатор смычковых инструментов: скрипки, виолы, виолончели и контрабаса. Здесь качество древесины имеет большое значение не только для верхней, но нижней деки, для чего наибольшее применение находит клен, причем, особым спросом пользуется древесина со свилеватой структурой. Клен выбирается и за то, что он имеет практически одинаковый с елью коэффициент объемной усушки и разбухания, что весьма значимо в конструкциях названных инструментов.
Исторический обзор способов диагностики, отбора и использования резонансного лесоматериала
Резонансной принято называть древесину, применяющуюся для изготовления музыкальных инструментов, точнее, основной их звукоиз-лучающей детали — деки. Хотя в природе немало и других материалов, обладающих акустическими свойствами, а по силе излучаемого звука даже превосходящих древесину, но по нежности и тембровой окраске звучания пока не найдено достойного ее заменителя и вряд ли это будет сделано в обозримом будущем.
Однако далеко не каждое дерево и не во всех условиях формирует такую древесину; даже в пределах одной породы деревья, как и люди, обладают разным уровнем «музыкальных способностей».
Термин резонансная древесина, если судить строго, неправилен как с физической, так и с технической точек зрения. Под резонансом, как известно, в физике подразумевается возбуждение колебаний в системе, когда в случае совпадения частот двух тел и непосредственной их близости колебание одного передается другому. Поскольку длина звуковых волн, распространяющихся по деке поперек волокон, весьма велика, по сравнению с расстоянием между волокнами древесины, то ее следует рассматривать не как «струнную» систему, а представлять как целостный материал. Ранее существовавшее мнение о том, что волокна в древесине играют роль натянутых «струн» и резонируют на звуки от действительных струн, не выдерживает никакой критики. К тому же лишь 3-5% общей энергии, подводимой от струны к деке, излучается в окружающую среду (воздух) в виде звука, а значительная часть ее теряется внутри материала деки, в местах ее закрепления на корпусе инструмента. Следовательно, называя древесину, используемую для изготовления дек музыкальных инструментов, резонансной, следует понимать это слово несколько в ином значении, чем принято считать в физике. Очевидно, оно более близко по смыслу французскому resonanse или латинскому resono, что означает «звучу в ответ». Иными словами, древесину, используемую для дек, называют резонансной за ее акустическую отзывчивость в широком диапазоне частот, придающую особую, свойственную только данному материалу, тембровую окраску музыкальному звучанию инструмента.
Поэтому используемую в этих целях древесину в строгом и узком техническом значении можно считать «дечной» [99], но широкое применение в практике и технической литературе нашло сегодня все же название «резонансная древесина».
Основная суть физических требований к качеству деки заключается в том, чтобы она могла обеспечить наилучшее излучение звуков всех частот, передаваемых от струн. Следовательно, задача состоит в определении тех физико-механических параметров, которые характеризуют максимальное излучение звуковой энергии древесиной при данной конфигурации деки (включая закрепление и точки действия струн).
Поскольку деки музыкальных инструментов имеют весьма разнообразные и сложные формы, принято приближенное решение, то есть дека музыкальных инструментов «приравнивается» к плоской пластинке эллиптической формы.
Что же касается древесины, то основная сложность решения данной задачи связана с ее анизотропностью, то есть различием физико 48 технических свойств по трем осям симметрии: вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях.
Механические свойства такого материала, как известно, определяются девятью коэффициентами — модулями упругости Е. Однако академиком Н.Н.Андреевым доказано, что «поведение» древесины в качестве деки вполне определяется тремя параметрами, представляющими комбинации вышеупомянутых девяти. Исходя из этого, Н.Н.Андреев рассчитал мощность излучения деки N, вт [6]: N = EL г где F0 — амплитуда колебания, м; гх — коэффициент внутреннего трения (сопротивления) материала; г2 — коэффициент излучения; q — коэффициент упругости при прогибе деки; т — масса деки, кг; / — частота колебания, Гц.
Следовательно, для наибольшей отдачи энергии воздуху Nmax потери на внутреннее трение к и должны быть наименьшими, а коэффициент излучения г2 — наибольшим. Если представить к в другом выражении, а именно через массу материала и собственную частоту /0, то Из этого следует, что при постоянной собственной частоте колебаний деки музыкального инструмента масса его должна быть наименьшей.
Чтобы излучение было не искаженным (для сохранения чистоты звучания), необходимо условие, при котором собственная частота системы /0 была бы как можно более высокой.
Таким образом, ±, причем значение его должно быть наи т большим. Используя возможность выражения собственной частоты системы в виде fi=l, (2.4) можно преобразовать его: т т\ т \ тг Таким образом, требования оптимального излучения материала сводятся к следующим моментам: а)потери на внутреннее трение гх должны быть наименьшими; б)коэффициент излучения г2 должен быть максимальным; в)масса деки должна быть наименьшей (при постоянной собственной частоте колебаний); г) при сравнительно малой массе дека должна обладать лучшими упругими свойствами. Коэффициент упругости q представляет собой функцию модулей упругости Е по различным осям симметрии, то есть для деки — по трем направлениям: вдоль волокон — Еа; в радиальном — Ет; в тангенциальном последние существенные требования можно выразить как соотношение 1— Еґ
Поскольку масса тела m пропорциональна ее плотности р, а между модулями упругости в этих направлениях существует определенная зависимость, то есть с увеличением Еа пропорционально увеличиваются Ет и Ev при этом Еа значительно превышает значения последних двух, то выражение (2.5) можно представить в виде J—f-
Последнее выражение характеризует звукоизлучающую способность древесины, исходя из соотношения ее модуля упругости и плотности. Причем, важно иметь в виду, что дека в музыкальном инструменте работает в динамическом режиме, поэтому модуль упругости следует учитывать соответственно в динамике, то есть Еа дин, что, в отличие от статических характеристик, свойственно вибрационным системам в области звуковых или ультразвуковых частот.
Для примера: наибольшую величину акустической константы имеет древесина ели, пихты кавказской и сосны сибирской (кедра) в пределах 12-16м4/(кг-с). Следует отметить, что акустическая константа, хотя и характеризует качество материала, обеспечивающего наибольшее излучение звука, но не является единственным объективным параметром для отбора резонансного сырья. Этот показатель чаще применяется как первичный акустический критерий, характеризующий пригодность древесины для изготовления деки того или иного музыкального инструмента.
Поскольку древесина в зависимости от особенностей строения на уровне макро-, микро- и субмикростроения представляет собой упруго-вязкий (а при определенных температурно-влажностных условиях и пластичный) материал, то качество деки определяется не только упругими свойствами, но и вязкостью. В данном случае вязкость характеризуется способностью материала поглощать энергию от струн. Реальные тела не являются совершенно упругими, при распространении в них напряжений часть энергии превращается в тепло. Различные процессы этих превращений объединяются общим названием — внутреннее трение.
Прибор для определения собственных частот образцов в виде стержней консольного крепления
Данный прибор вместе с установкой для крепления образца представляет собой систему электромагнитного вибратора, возбуждающего колебания исследуемого образца с помощью «колпачка» из мягкого железа и электромагнитного датчика, регистрирующего амплитуду колебаний образца. Гармонический сигнал на вибратор подается от генератора звуковых частот, а сигнал с датчика поступает на милливольтметр и осциллограф, что дает возможность контролировать его форму (рис. 3.16).
1. Образец длиной 70-150мм и диаметром 4,0-4,5мм, измеренный с точностью до ±0,1мм и по массе с точностью до ±0,01 г, устанавли вают в держатель прибора вертикально, предварительно закрепляют «колпачок» на верхний торец; рабочая длина при этом ограничивает ся расстоянием от вершины колпачка до обреза обоймы держателя (рис. 3.15) и допускается в пределах 60-100 мм. Образец вместе с обоймой вставляют в цанговый держатель и зажимают гайкой.
2. С помощью ручек механизмов перемещения образца 11, 2 и 3 свободный конец образца выводят в центр симметрии системы вибра тор-датчик. Затем ручкой механизма 9 устанавливают оптимальный за зор между вибратором и датчиком: 16мм для поперечных образцов и 10мм для продольных.
3.Вибратор подключают к звуковому генератору, а датчик — к милливольтметру и осциллографу.
4.Система включается в электросеть. На генераторе устанавливают выходное напряжение: для поперечных образцов, включая радиальные керны, — 1 В, а продольных образцов — 3 В, при выходном сопротивлении 50Ом в обоих случаях.
5.Путем плавной развертки по частоте, контролируя с помощью осциллографа, ищут резонансную частоту по максимальному отклонению стрелки милливольтметра.
Одновременно при этом отмечают величину фонового сигнала вдали от резонансной частоты — А .
б.Удостоверившись в истинности найденной резонансной частоты путем небольшого прокручивания рукоятки генератора в обе стороны, записывают амплитуду сигнала на резонансной амплитуде А ез и резонансную частоту f .
7. Вращая ручку настройки генератора, отходят от резонансной частоты влево и вправо настолько, чтобы получить сигнал, равный половине сигнала на резонансной частоте с учетом фона, т.е. сигнал, равный полусумме: ApQ+ А. (см. рис. 3.16).
Записывают частоты fx + f2, соответствующие этим амплитудам. Иными словами, определяют полуширину резонансного пика на его полувысоте.
8.Древесина относится к анизотропным материалам, поэтому радиальные керны после высыхания эллипсовидны в поперечном срезе. Поэтому измерения проводят по взаимоперпендикулярным направлениям, то есть по максимальному и минимальному диаметрам, повернув образец вокруг своей оси на 90 с помощью лимба. Теоретическое обоснование и обработка данных Для расчета динамического модуля упругости Юнга Етн (Н/м2) по параметрам изгибных колебаний консольного образца пользуются формулой: Формулы (3.18) и (3.19) могут быть использованы для определения упругих свойств древесины на радиальных кернах, которые обычно берутся возрастным буравом. Через несколько часов эти образцы в поперечном срезе приобретают эллипсовидное сечение с длинной осью вдоль волокон.
Для таких кернов необходимо, как правило, измерять два частотных параметра по осевым направлениям dx и d2. Через среднее значение d можно определить средние частоту и модуль упругости по формулам:
Центр тяжести такой колебательной системы будет смещен в сторону дополнительной массы, то есть к свободному концу образца. Следовательно, масса Мх при колебаниях будет передавать образцу как силу сдвига, так и нормальную силу.
Смещение центра тяжести обозначим через У1? тогда силу сдвига S с учетом дополнительной массы можем определить:
Вполне допустимо, что центр тяжести перемещается при изгибе по такому же закону, что и конец образца. Момент нормальной силы N возникает за счет сопротивления дополнительной массы на конце образца при его изгибе:
Опустим промежуточные расчеты и преобразования по решению уравнения с граничными условиями и лишь отметим, что окончательный результат в достижении поставленной цели сводится к нахождению волнового числа для расчета Е в зависимости от отношения дополнительной массы "колпачка" к массе колеблющейся части самого образца. В этом плане целесообразно введение дополнительного множителя С для определения частоты колебания или С2 для Е в зависимости от соотношения Таким образом, более достоверные, истинные значения частоты основного тона и динамического модуля упругости образца, имеющего в сечении круг или эллипс, будут соответственно определяться по следующим рабочим формулам: где /ист ист — истинные значения частоты и модуля упругости образца; Лзм Аізм — результаты, полученные путем измерения образца с дополнительной массой "колпачка". В дальнейшем, используя формулы (2.6) и (2.13), расчетным путем определяют акустическую константу К и логарифмический декремент колебаний 8 соответственно:
Изменчивость резонансных свойств древесины внутри ствола дерева
Внутреннюю асимметрию Ав («смещение сердцевины» согласно ГОСТ 2140-81) изучали через отношение большого радиуса R к меньшему г строго на одном и том же диаметре; по существу Ав характеризует смещение сердцевинной трубки от центра ствола (рис. 5.3, б). Для выполнения этих измерений отбирался такой диаметр, где имелась максимальная разница в величине радиусов R и г.
Измерения диаметров и соответственно радиусов делали по четырем направлениям: север—юг (С-Ю); восток—запад (В-3); юго-восток—северо-запад (ЮВ-СЗ); юго-запад—северо-восток (ЮЗ-СВ).
В результате получилась следующая сравнительная картина наружной и внутренней асимметрии стволов ели из Гайвинского лесхоза Пермской области (табл. 5.4).
Несмотря на некоторые расхождения, оценка полученных данных по критерию Стьюдента не подтвердила достоверность различия средних значений радиусов по всем измеренным направлениям. здесь имеет место проявление и других факторов, например, светового и ветрового режимов, макро- и микроэкспозиция местности, наклон самого дерева и т.д., которые в совокупности нивелируют влияние сторон света на формирование асимметрии и соответствующих физико-механических свойств древесины; внутренняя асимметрия имеет большую абсолютную величину, чем наружная, и не всегда совпадает с ней по направлению: вполне круглые снаружи стволы имеют явно выраженную асимметрию в расположении сердцевинной трубки; следовательно, при необходимости взятия строго радиальных кернов возрастным буравом недостаточно ориентироваться по образующей ствола, а требуется не менее чем 2-кратный повтор по взаимоперпендикулярным радиусам или, что будет еще лучше для жизнедеятельности дерева, следует ограничиться одним точным сверлением, для чего изготовить датчики-индикаторы определения местоположения сердцевины дерева; внутренняя асимметрия вдоль одного и того же ствола может изменяться как по направлению, так и по величине. Вполне возможно, это связано с тем, что дерево в разные периоды роста испытывает неодинаковое действие тех или иных факторов среды, и, как следствие, довольно часто формируются «скрученные» стволы, которые довольно хорошо заметны даже на глаз по наклону волокон древесины; можно также предположить, что сердцевинная трубка не всегда остается строго вертикальной, имеет в определенные периоды роста дерева по ряду причин небольшие смещения относительно оси ствола, но это еще предстоит доказать.
Несмотря на отсутствие закономерности формирования дендроа-кустических свойств относительно сторон света, не следует игнорировать способ отбора древесины для изготовления музыкального инструмента, принятый старинными мастерами (по отдельным секторам ствола). Даже в случае отсутствия различия по акустическим параметрам, изготовленный из древесины одного сектора инструмент дает сравнительно больший эффект, чем сделанный из древесины различных частей ствола. Подбор моногамного материала имеет особенно большое значение для изготовления единичных, так называемых заказных инструментов с уникальными акустическими требованиями.
Очевидно, более правильный на этом уровне исследований вывод заключается в том, что не может быть общим правилом и критерием обязательное использование древесины с северной стороны ствола для изготовленим деки музыкального инструмента; но некоторые деревья в определенных условиях произрастания могут иметь на северной стороне лучшую резонансную древесину, по сравнению с другими сторонами.
Изменчивость скорости звука в древесине по высоте ствола изучалась также на объектах Мурашинского лесхоза летом у 16 свежесрубленных деревьев ели. Для этого на стандартной высоте 1,3 м и на относительных уровнях 0,2 Н и 0,7 Н определялась скорость ультразвукового сигнала поперек ствола с помощью прибора УК-14П. Диаметр деревьев ели колебался в пределах 30-40 см на уровне груди, а их высота — 23-28 м.
В момент измерений влажность древесины явно превышала предел насыщения ее клеточных стенок, что дало возможность обходиться в расчетах скорости без введения поправок на влияние влажности; выше данного предела {W& 30%) физико-механические свойства древесины почти не зависят от ее влажности.
Определение скорости звука на относительных высотах деревьев даже без приведения акустических констант дает довольно четкое представление о динамике резонансных свойств древесины вдоль ствола. Это объясняется тем, что скорость звука в прямой зависимости предопределяет при данной плотности материала его резонансные свойства [см. формулу (3.9)]. А у ели к тому же плотность в продольном направлении ствола изменяется незначительно [89].
Результаты исследований показывают, что скорость звука в древесине поперек ствола также зависит от индивидуальных особенностей деревьев и может изменяться в пределах 1000-1800 м/с; коэффициент вариации составляет около 35%.
