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桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究

林斌 苗媛媛 李瑞 金祥龙 李慕之 刘镇波

林斌, 苗媛媛, 李瑞, 金祥龙, 李慕之, 刘镇波. 桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
引用本文: 林斌, 苗媛媛, 李瑞, 金祥龙, 李慕之, 刘镇波. 桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
Lin Bin, Miao Yuanyuan, Li Rui, Jin Xianglong, Li Muzhi, Liu Zhenbo. Acoustic vibration properties of birch veneer/glass fiber composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
Citation: Lin Bin, Miao Yuanyuan, Li Rui, Jin Xianglong, Li Muzhi, Liu Zhenbo. Acoustic vibration properties of birch veneer/glass fiber composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317

桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
基金项目: 

国家自然科学基金项目 31670559

中央高校基本科研业务费专项 2572016EBJ1

详细信息
    作者简介:

    林斌。主要研究方向:木材声学。Email:LBQ877652256@163.com   地址:150040黑龙江省哈尔滨市和兴路26号东北林业大学材料科学与工程学院

    通讯作者:

    刘镇波,教授。主要研究方向:木材声学、木材功能性改良。Email:liu.zhenbo@foxmail.com  地址:同上

  • 中图分类号: S781.38

Acoustic vibration properties of birch veneer/glass fiber composites

  • 摘要: 目的面对我国乐器音板用材资源的严重不足,寻找新材料替代传统乐器木质音板用材是非常有必要的。方法本试验以玻璃纤维为增强材料,桦木单板为基体,按照单板层积材结构设计制备桦木单板/玻璃纤维复合材料。通过对玻璃纤维复合材料声学振动性能检测分析,探究玻璃纤维布的不同铺放位置和铺放层数对复合材料声学振动性能的影响。结果用1层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料A的比动弹性模量和E/G值分别为22.20GPa和16.55,比用1层玻璃纤维布铺放在芯层单板单侧的复合材料B分别高了8.7%、17.8%。用2层玻璃纤维布分别铺放在上下表层单板内的复合材料C的比动弹性模量和E/G值分别为25.04GPa和17.04,比用玻璃纤维布铺放在芯层单板两侧的复合材料D高了7.5%和18.0%。纤维铺放位置对声辐射品质常数和声阻抗的影响较小。玻璃纤维布的层数与复合材料的声学振动性能不成线性关系,铺放2层玻璃纤维布的复合材料具有较高的比动弹性模量和E/G值。玻璃纤维布铺放3层和4层的复合材料的比动弹性模量和E/G比铺放2层的都小。随着玻璃纤维布层数的增加,声辐射品质常数呈减小的趋势。通过综合评分法分析发现:玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料综合评分值都高于铺放在靠近芯层单板的复合材料,铺放2层玻璃纤维布的复合材料的综合评分值达到最大。结论玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声学振动性能优于纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料。铺放2层玻璃纤维布的复合材料C的声学振动性能达到最好。尽管复合材料C的E/G值约为西加云杉的80%,但比动弹性模量和西加云杉的相接近,说明桦木单板/玻璃纤维复合材料具有替代传统木质音板用材的可能性。
  • 图  1  玻璃纤维布不同铺放位置

    Figure  1.  Different placements of glass fiber cloth

    图  2  不同层数玻璃纤维布

    Figure  2.  Different layers of glass fiber cloth

    图  3  玻璃纤维布不同铺放位置的复合材料综合评分值

    Figure  3.  Comprehensive scores for composits of different placement positions of glass fiber cloth

    图  4  不同层数玻璃纤维布复合材料的综合评分值

    Figure  4.  Comprehensive score for composites of different number of glass fiber cloth

    图  5  整体综合评分值

    Figure  5.  Overall comprehensive score values

    表  1  玻璃纤维布不同铺放位置制备的复合材料和西加云杉各项声学指标平均值

    Table  1.   Average values of acoustic parameters of spruce and composites prepared by different placements of glass fiber cloth

    编号
    No.
    样本数
    Sample number
    密度
    Density/(g·cm-3)
    比动弹性模量
    Specific dynamic elastic modulus/GPa
    E/G
    E/G value
    声辐射品质常数
    Acoustic radiation damping/(m·Pa-1·s-3)
    声阻抗
    Acoustic impedance/(Pa·s·m-1)
    A 20 0.78 22.20 16.55 6.03 3.68
    (0.01) (0.31) (0.32) (0.02) (0.02)
    B 20 0.79 20.42 14.05 5.75 3.55
    (0.01) (0.35) (0.32) (0.02) (0.02)
    C 20 0.85 25.04 17.40 5.87 4.27
    (0.01) (0.39) (0.19) (0.05) (0.01)
    D 20 0.85 23.29 14.75 5.70 4.08
    (0.01) (0.35) (0.21) (0.03) (0.01)
    西加云杉 20 0.43 25.32 21.14 11.37 2.39
    Sitka spruce (0.01) (0.21) (0.15) (0.01) (0.01)
    注:括号内为标准偏差值。Note: data in bracket is standard deviation.
    下载: 导出CSV

    表  2  不同层数玻璃纤维布复合材料的声学指标平均值

    Table  2.   Average acoustic index of glass fiber cloth composites with different layers

    编号
    No.
    样本数
    Sample number
    密度
    Density/(g·cm-3)
    比动弹性模量
    Specific dynamic elastic modulus/GPa
    E/G
    E/G value
    声辐射品质常数
    Acoustic radiation damping/(m·Pa-1·s-3)
    声阻抗
    Acoustic impedance/(Pa·s·m-1)
    E 20 0.74 17.05 14.49 5.62 3.03
    (0.01) (0.28) (0.29) (0.06) (0.01)
    A 20 0.78 22.20 16.55 6.03 3.68
    (0.01) (0.31) (0.32) (0.02) (0.02)
    C 20 0.85 25.04 17.40 5.87 4.27
    (0.01) (0.39) (0.19) (0.05) (0.01)
    H 20 0.93 22.24 15.87 5.09 4.37
    (0.01) (0.36) (0.43) (0.03) (0.01)
    J 20 1.00 21.96 16.40 4.71 4.66
    (0.01) (0.41) (0.21) (0.01) (0.05)
    注:括号内为标准偏差值。Note: data in bracket is the standard deviation.
    下载: 导出CSV

    表  3  5项性能参数指标的权重

    Table  3.   Weight factors of five performance indicators

    参数
    Indicator
    比动弹性模量
    Specific dynamic modulus of elasticity
    声辐射阻尼常数
    Acoustic radiation damping constant
    E/G
    E/G value
    声阻抗
    Acoustic impedance
    密度
    Density
    权重因子Weight factor 0.40 0.20 0.20 0.07 0.13
    下载: 导出CSV
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    [19] 袁怀文, 杨平, 黄荣凤, 张洪江, 白岗栓, 吴彩燕, 秦爱光, 胡胜华, 颜绍馗, 王芳, 何亚平, 郑小贤, 魏潇潇, 周永学, 张莉俊, 刘杏娥, 殷亚方, 李瑞, 王费新, 胡万良, 高黎, 邓小文, 张璧光, 毛俊娟, 赵天忠, 谭学仁, 王胜华, 王兆印, 费世民, 崔赛华, 乔建平, 王正, 杜社妮, 王小青, 樊军锋, 张克斌, 戴思兰, 常旭, 张岩, NagaoHirofumi, 李猛, 孙向阳, 王晓欢, 罗晓芳, 刘燕, 汪思龙, 徐嘉, 刘云芳, 李华, 龚月桦, 高荣孚, 李昀, KatoHideo, 范冰, 江泽慧, 韩士杰, 张占雄, , 江玉林, 张旭, 孔祥文, 张双保, 陈放, 王海燕, 陈宗伟, 丁磊, , 李晓峰, 李媛良, 杨培华, 刘秀英, 常亮, 侯喜录, 陈秀明, 郭树花, IdoHirofumi, 任海青, 张代贵, 费本华, 陈学平, 张桂兰, 徐庆祥, 高建社, 蒋俊明, , 李考学, , 薛岩, 王晓东, 金鑫, 李雪峰, , 刘永红, 续九如, 涂代伦, , 张红丽, , 丁国权, .  木纤维/回收塑料复合材料的燃烧特性研究 . 北京林业大学学报, 2007, 29(6): 176-180.
    [20] 熊瑾, 李景文, 饶良懿, 侯亚南, 殷亚方, 詹亚光, 李全发, 马文辉, 杨海龙, 张秋英, 杜华强, 李景文, 杨晓晖, 龙玲, 李慧, 黄国胜, 刘震, 符韵林, 
    王保平, 王明枝, 李梅, 宋小双, 张一平, 耿晓东, 范文义, 吕建雄, 窦军霞, 尹立辉, 朱金兆, 陈晓阳, 李发东, 张克斌, 王洁瑛, 王雪军, 徐峰, 李俊清, 李妮亚, 李吉跃, 赵敏, 梁机, 朱金兆, 陆熙娴, 韩海荣, 刘文耀, 秦瑶, 李俊清, 慈龙骏, 唐黎明, 赵宪文, 李云, 于贵瑞, 乔杰, 倪春, 孙玉军, 齐实, 陈素文, 沈有信, 毕华兴, 李凤兰, 李黎, 康峰峰, 刘桂丰, 陈晓阳, 刘雪梅, 秦素玲, 欧国强, 王玉成, 李伟, 黎昌琼, 魏建祥, 朱国平, 王雪, 马钦彦, 赵双菊, 宋献方, 文瑞钧, 蒋建平, 韦广绥, 刘伦辉, 张桂芹, 李伟, 任海青, 丁霞, 杨谦, , 张万军, 孙涛, 周海江, 李慧, 宋清海, 孙晓敏, 孙志强, 刘莹, 李宗然, 
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-10
  • 修回日期:  2018-11-06
  • 刊出日期:  2019-01-01

桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 31670559

    中央高校基本科研业务费专项 2572016EBJ1

    作者简介:

    林斌。主要研究方向:木材声学。Email:LBQ877652256@163.com   地址:150040黑龙江省哈尔滨市和兴路26号东北林业大学材料科学与工程学院

    通讯作者: 刘镇波,教授。主要研究方向:木材声学、木材功能性改良。Email:liu.zhenbo@foxmail.com  地址:同上
  • 中图分类号: S781.38

摘要: 目的面对我国乐器音板用材资源的严重不足,寻找新材料替代传统乐器木质音板用材是非常有必要的。方法本试验以玻璃纤维为增强材料,桦木单板为基体,按照单板层积材结构设计制备桦木单板/玻璃纤维复合材料。通过对玻璃纤维复合材料声学振动性能检测分析,探究玻璃纤维布的不同铺放位置和铺放层数对复合材料声学振动性能的影响。结果用1层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料A的比动弹性模量和E/G值分别为22.20GPa和16.55,比用1层玻璃纤维布铺放在芯层单板单侧的复合材料B分别高了8.7%、17.8%。用2层玻璃纤维布分别铺放在上下表层单板内的复合材料C的比动弹性模量和E/G值分别为25.04GPa和17.04,比用玻璃纤维布铺放在芯层单板两侧的复合材料D高了7.5%和18.0%。纤维铺放位置对声辐射品质常数和声阻抗的影响较小。玻璃纤维布的层数与复合材料的声学振动性能不成线性关系,铺放2层玻璃纤维布的复合材料具有较高的比动弹性模量和E/G值。玻璃纤维布铺放3层和4层的复合材料的比动弹性模量和E/G比铺放2层的都小。随着玻璃纤维布层数的增加,声辐射品质常数呈减小的趋势。通过综合评分法分析发现:玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料综合评分值都高于铺放在靠近芯层单板的复合材料,铺放2层玻璃纤维布的复合材料的综合评分值达到最大。结论玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声学振动性能优于纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料。铺放2层玻璃纤维布的复合材料C的声学振动性能达到最好。尽管复合材料C的E/G值约为西加云杉的80%,但比动弹性模量和西加云杉的相接近,说明桦木单板/玻璃纤维复合材料具有替代传统木质音板用材的可能性。

English Abstract

林斌, 苗媛媛, 李瑞, 金祥龙, 李慕之, 刘镇波. 桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
引用本文: 林斌, 苗媛媛, 李瑞, 金祥龙, 李慕之, 刘镇波. 桦木单板/玻璃纤维复合材料声学振动性能的研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
Lin Bin, Miao Yuanyuan, Li Rui, Jin Xianglong, Li Muzhi, Liu Zhenbo. Acoustic vibration properties of birch veneer/glass fiber composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
Citation: Lin Bin, Miao Yuanyuan, Li Rui, Jin Xianglong, Li Muzhi, Liu Zhenbo. Acoustic vibration properties of birch veneer/glass fiber composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(1): 126-133. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180317
  • 目前,乐器音板用材的原料大多数来自木材,且都有严格的要求[1]。我国是乐器生产大国,同样也是木材资源缺乏的国家。目前我国每年木材需求量巨大,预测到2020年将达到7.6亿m3[2]。为了缓解我国乐器用木材资源不足,许多科研工作者开展了对木材声学特性的研究,通过物理、化学等方法对木材声学性能进行功能性改良[3-6],也通过研发一系列高附加值的新型复合材料[7-8]。在开发新材料替代传统乐器音板用木材时,有必要对传统木质音板的声学振动性能进行充分了解。国内外已有很多相关研究者分析了木材声学振动性能机理及其影响因素,用比动弹性模量、声辐射品质常数、声阻抗等参数来表征木材振动性能的优劣[9-10]。东北林业大学黄英来[11]对琵琶、月琴等民族乐器进行了全面系统的声学振动性能研究,其中包括乐器用木材的选材加工、共鸣板及共鸣面板和乐器成品中的共鸣箱声学特性。李哲锋等[12]以电吉他为对象,研究分析了木材声学振动性能对音响特性的影响,结果表明:相比黑胡桃木(Juglans nigra)和山榄木(Palaquim spp.),赤桦木(Alnus rubra)更适合做琴体材料,且琴体在横向振动方式下的比动弹性模量比纵向振动方式下大得多。许震宇等[13]设计了“三明治”结构的复合材料古琴,并且研究纤维不同铺层对复合材料古琴的比动态弹性模量的影响,试验表明:面板铺设3层纤维而底板铺放1层的复合材料古琴具有好的声学性质,且与木质古琴的声学动态响应相接近。

    近年来科学技术迅速发展,新型复合材料广泛运用在各个领域。由于复合材料具有不易变形、尺寸稳定好、高强度等优点,吸引着大批国内外学者对复合材料替代传统木质音板用材可行性研究的关注。日本学者Ono等[14]用玻璃纤维、碳纤维和轻质硬聚氨酯泡沫材料制成了一种单向纤维增强复合材料,通过检测分析比较复合材料和西加云杉(Picea sitchensis)的振动特性、频率响应特性,发现碳纤维均匀排列且体积分数为5%~6%时,制备的复合材料的声学性能和西加云杉相似。在国内,李焕强[15]采用碳纤维干布和高温高压罐成型工艺, 发明制作了一种碳纤维吉他,相比传统吉他具有密度高、强度大、韧性佳、声音浑厚等特点。除碳纤维之外,天然纤维复合材也逐步开发运用到乐器材料中。新加坡学者Phillips等[16]利用亚麻(Linum usitatissimum)纤维、轻木(Ochroma lagopus)为原料制备了夹层结构的亚麻纤维增强复合材料,采用静态和动态两种方法测定复合材料的动态杨氏模量、剪切模量、内摩擦和静态力学性能,试验表明:亚麻纤维增强材料可以替代木材用作小提琴的顶板,并且试验提供了一种高效率生产复合材料弦乐器的制造工艺方法。Jalili等[17]分别用碳纤维、玻璃纤维和大麻(Cannabis sativa)纤维制备了3种纤维增强复合材料,采用无损检测的方法对复合材料进行声学性能研究,并且和印度当地制作乐器用的木材树种做了比较分析,结果表明玻璃纤维增强复合材料可以作为一种合适的替代材料运用在乐器材料中。

    玻璃纤维和碳纤维都是非金属材料,具有机械强度高、耐高温、耐腐蚀等特点。玻璃纤维还具有拉伸强度高且价格便宜等优点。桦木(Betula spp.)是速生树种,具有力学强度大、富有弹性、年轮明显、切面光滑平整、胶合性能良好和衰减系数小等优点[18]。因此本试验以桦木单板为基体、玻璃纤维为增强材料,按单板层积材结构制备玻璃纤维复合材料,探究玻璃纤维布不同铺放位置和铺放层数对复合材料声学振动性能的影响; 并与西加云杉进行声学性能比较,探究玻璃纤维增强复合材料替代传统木质音板用材的可行性。

    • 桦木单板购于山东省平邑盛达木业有限公司,原始尺寸为450mm×450mm×1.45mm,加工后尺寸为220mm×450mm×1.45mm,含水率为10%~12%。中碱玻璃纤维布购于安徽省旌德县南关玻纤厂,厚度为0.15mm,密度为2.4g/cm3。胶黏剂为中高温环氧树脂AB胶,购于广东珠江化工涂料有限公司,型号为E-44;A胶:环氧值0.41~0.47mol/100g,B胶:EP固化剂。

    • 桦木单板和玻璃纤维布以单板层积材方式进行复合,复合方式如图 12所示。玻璃纤维布是用玻璃纤维纵横编织而成,与单板复合时,其中一个方向与桦木单板顺纹理方向平行。由预试验可知:采用3层桦木单板制备的复合材料易翘曲变形,用7层桦木单板制备的复合材料密度大于1.0g/cm3不利于声学振动。本试验采用5层桦木顺纹单板组坯,以第3块桦木单板为中心层,把玻璃纤维布从外到中心整齐铺放在桦木单板之间。为探究玻璃纤维布不同铺放位置对复合材料声学振动性能的影响,分别设计了用1层和2层玻璃纤维布铺放在桦木单板之间,其中A、B铺放1层玻璃纤维布,C、D铺放2层玻璃纤维布,具体如图 1所示。为探究玻璃纤维布不同层数对复合材料声学性能的影响,E铺放0层玻璃纤维布,H、J分别铺放3、4层玻璃纤维布,具体如图 2所示。复合材料复合工艺参数:采用热压方式,热压压力2MPa,热压时间90s/mm,热压温度100℃,环氧树脂施胶量为220g/m2,环氧树脂和固化剂用量的比例为1:0.8。

      图  1  玻璃纤维布不同铺放位置

      Figure 1.  Different placements of glass fiber cloth

      图  2  不同层数玻璃纤维布

      Figure 2.  Different layers of glass fiber cloth

    • 采用横向振动法,将待测试的试件处在两端自由的边界条件,利用双通道快速傅里叶变换频谱分析仪(CF-5220Z)测得试验试件共振频率。用泡沫三角架支撑在试件的基频振动节点位置(距离试件两端总长度的0.224倍),将微音器装置在试件一端上方(距离应为无限接近但不贴近),用带有转动轴的小刀刀背敲击试件的另一端使试件产生振动,振动信号通过微音器的扩大,过滤传送到快速傅里叶变换频谱分析仪中分析处理,得到试件的五阶共振频率值。通过计算得出复合材料动态弹性模量、剪切模量等声学振动参数。

    • 对复合材料的声学性能的评价主要从振动效率、音色等方面考虑,主要指标包括:比动弹性模量、声辐射品质常数、动态弹性模量与剪切模量之比(E/G)[19]。玻璃纤维布在桦木单板之间不同铺放位置对复合材料的声学振动性能有影响。玻璃纤维布不同铺放位置制备的复合材料的声学指标如表 1所示。

      表 1  玻璃纤维布不同铺放位置制备的复合材料和西加云杉各项声学指标平均值

      Table 1.  Average values of acoustic parameters of spruce and composites prepared by different placements of glass fiber cloth

      编号
      No.
      样本数
      Sample number
      密度
      Density/(g·cm-3)
      比动弹性模量
      Specific dynamic elastic modulus/GPa
      E/G
      E/G value
      声辐射品质常数
      Acoustic radiation damping/(m·Pa-1·s-3)
      声阻抗
      Acoustic impedance/(Pa·s·m-1)
      A 20 0.78 22.20 16.55 6.03 3.68
      (0.01) (0.31) (0.32) (0.02) (0.02)
      B 20 0.79 20.42 14.05 5.75 3.55
      (0.01) (0.35) (0.32) (0.02) (0.02)
      C 20 0.85 25.04 17.40 5.87 4.27
      (0.01) (0.39) (0.19) (0.05) (0.01)
      D 20 0.85 23.29 14.75 5.70 4.08
      (0.01) (0.35) (0.21) (0.03) (0.01)
      西加云杉 20 0.43 25.32 21.14 11.37 2.39
      Sitka spruce (0.01) (0.21) (0.15) (0.01) (0.01)
      注:括号内为标准偏差值。Note: data in bracket is standard deviation.

      表 1中可知:玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声学性能优于玻璃纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料的声学性能。用1层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料A的比动弹性模量为22.20GPa,比用1层玻璃纤维布铺放在芯层单板单侧的复合材料B高了8.7%。用2层玻璃纤维布分别铺放在上下表层单板内的复合材料C的比动弹性模量为25.04GPa,比用玻璃纤维布铺在芯层单板两侧的复合材料D高了7.5%。从复合材料的音色考虑,E/G可表示频谱特性曲线的“包络线”特征,E/G值高者,频谱分布较均匀,其音色较好[20]。复合材料A的E/G值为16.55,比复合材料B增加了17.8%。复合材料C的E/G值为17.40,比复合材料D高了18.0%。玻璃纤维布的铺放位置对声辐射品质常数的影响较小,铺放1层玻璃纤维布时,铺放在表层单板下复合材料A的声辐射品质常数比玻璃纤维布铺放在芯层单板单侧的复合材料B仅增加了4.8%。铺放2层玻璃纤维布时,复合材料C的声辐射品质常数比复合材料D仅高了3.0%。复合材料的声阻抗越小越有利于声学振动,玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声阻抗和铺放在靠近芯层单板的复合材料的声阻抗相差不大,说明玻璃纤维布的不同铺放位置对复合材料的声阻抗影响较弱。

      由以上分析可知,无论是用1层还是2层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料的比动弹性模量、E/G值、声辐射品质常数都高于用相同层数玻璃纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料。玻璃纤维的硬度高,其弹性模量可达72GPa,而桦木的弹性模量只有8.5GPa,作为增强材料的玻璃纤维与桦木单板基体进行复合增加了复合材料的弹性模量。另外纵横编织的玻璃纤维布与桦木单板复合,可以有效改善桦木各项异性的弱点,增强复合材料的力学性能。纤维对铺放在表层单板下的复合材料的弹性模量增强效果优于纤维铺放在靠近芯层单板的复合材料,在密度相近的时,比动弹性模量、声辐射品质常数和弹性模量呈正相关。所以玻璃纤维布铺放在表层单板下的声学性能优于玻璃纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料。

      另外,从对比复合材料的E/G值和比动弹性模量的增强效果来看,玻璃纤维布铺放在表层对E/G的增强效果优于比动弹性模量,且两者相差约9.5%。把复合材料声学振动性和西加云杉相比较,尽管复合材料的声辐射品质常数均为西加云杉的0.5倍,但复合材料C的比动弹性模量为25.03GPa,与西加云杉的比动弹性模量值25.32GPa[22]相接近,而且复合材料的E/G值约为西加云杉E/G值的80%,说明桦木/玻璃纤维复合材料具有替代传统木质音板用材的潜质。

    • 由2.1可知:玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料比玻璃纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料声学性能较好。为了得到较优声学性能的复合材料,在探究玻璃纤维布不同层数对复合材料的声学性能影响时,选择从外层往中心层分别铺放0层、1层、2层、3层、4层玻璃纤维布进行复合(图 2)。铺放不同层数玻璃纤维布的复合材料的各项声学指标如表 2所示。

      表 2  不同层数玻璃纤维布复合材料的声学指标平均值

      Table 2.  Average acoustic index of glass fiber cloth composites with different layers

      编号
      No.
      样本数
      Sample number
      密度
      Density/(g·cm-3)
      比动弹性模量
      Specific dynamic elastic modulus/GPa
      E/G
      E/G value
      声辐射品质常数
      Acoustic radiation damping/(m·Pa-1·s-3)
      声阻抗
      Acoustic impedance/(Pa·s·m-1)
      E 20 0.74 17.05 14.49 5.62 3.03
      (0.01) (0.28) (0.29) (0.06) (0.01)
      A 20 0.78 22.20 16.55 6.03 3.68
      (0.01) (0.31) (0.32) (0.02) (0.02)
      C 20 0.85 25.04 17.40 5.87 4.27
      (0.01) (0.39) (0.19) (0.05) (0.01)
      H 20 0.93 22.24 15.87 5.09 4.37
      (0.01) (0.36) (0.43) (0.03) (0.01)
      J 20 1.00 21.96 16.40 4.71 4.66
      (0.01) (0.41) (0.21) (0.01) (0.05)
      注:括号内为标准偏差值。Note: data in bracket is the standard deviation.

      表 2中可以看出:未铺放玻璃纤维布的复合材料E的比动弹性模量为17.05GPa,铺放1~4层玻璃纤维布的复合材料A、C、H、J的比动弹性模量比复合材料E分别增加了30.2%、46.8%、30.4%、28.7%。铺放1、3、4层玻璃纤维布复合材料与铺放2层的比动弹性模量相比,分别减少了16.6%、16.4%、18.1%。这说明玻璃纤维布从3层增加到4层,复合材料的比动弹性模量增幅减小。复合材料E的E/G值为14.49,复合材料A、C、H、J的E/G值比复合材料E分别增加了14.2%、20.1%、9.5%、13.1%。由以上可知:玻璃纤维的添加有助于复合材料的比动弹性模量和E/G值的增加,且铺放2层玻璃纤维布的复合材料的比动弹性模量和E/G值达到最大。从复合材料的声辐射品质常数考虑,铺放1层玻璃纤维布的声辐射品质常数比未铺放的仅增加了7.2%。随着玻璃纤维布层数的增加,复合材料的声辐射品质常数呈减少的趋势。声辐射品质常数大小与密度相关,玻璃纤维布的层数增加导致复合材料的密度增加。玻璃纤维布的增加使得复合材料的声阻抗增加,表明声波在介质中阻力增大,不利于声音的传播。

      由以上分析可以得出玻璃纤维布的层数对复合材料声学振动性能有影响。玻璃纤维布的添加有利于复合材料的比动弹性模量、声辐射品质常数和E/G值的增加,因为高弹性模量、高硬度的玻璃纤维可以有效改善桦木单板各项异性的缺点,增加纤维复合材料的弹性模量和剪切模量。复合材料的声学性能并不是随玻璃纤维布层数的增加呈线性增长的。铺放2层玻璃纤维布的复合材料C具有较好的声学振动性能,因为材料的声学振动性能与密度有重要的关系,随着玻璃纤维布层数的增加,复合材料的密度也增加,超过一定量时,密度增加不利于声学振动性能。

    • 复合材料声学性能评价涉及多个参数指标,综合评价法是把多个参数指标串联在一起并且配上权重因子的一种综合评估方法。综合评价法包括主成分分析法、综合坐标法、综合评分法等[21]。刘镇波等[22]对实际尺寸乐器音板用云杉属木材分别采用综合坐标法与综合评分法分析材料声学性能,结果表明两种方法在一定程度上都可用于评价木材综合振动性能。本研究采用综合评分法来综合评估复合材料的声学性能。该方法是以计算获得复合材料的各项声学振动性能指标的综合得分来确定复合材料的综合声学性能的优劣。满分为100分,最低60分为基础进行计算,根据实际应用的需要,对不同性能指标配以不同的权重因子,最终根据计算获得的综合得分值对材料综合振动性能进行区分,评定标准为分值越高越优。其中权重因子的分配主要按照各个参数指标对复合材料的声学性能影响程度大小考虑的,具体权重因子见表 3

      表 3  5项性能参数指标的权重

      Table 3.  Weight factors of five performance indicators

      参数
      Indicator
      比动弹性模量
      Specific dynamic modulus of elasticity
      声辐射阻尼常数
      Acoustic radiation damping constant
      E/G
      E/G value
      声阻抗
      Acoustic impedance
      密度
      Density
      权重因子Weight factor 0.40 0.20 0.20 0.07 0.13

      综合评分法的计算方法如下:

      (1) 将测得的数据列为指标矩阵(aij)m×n,其中aij表示第i组数据的第j个声学参数指标的坐标值(i=1, 2, …, m; j=1, 2, …, n)。

      (2) 将各个指标的最小值Xmin定为60分,最大值Xmax定为100分,则正向贡献因子由式(1)计算,负向贡献因子由式(2)计算。

      $$ b_{i j}=60+\left(a_{i j}-X_{\min }\right) \times 40 /\left(X_{\max }-X_{\min }\right) $$ (1)
      $$ b_{i j}=60+\left(X_{\max }-a_{i j}\right) \times 40 /\left(X_{\max }-X_{\min }\right) $$ (2)

      式中:bijij指标的得分值,i为组别序号,j为声学指标的序号,Xminj列声学指标中最小值,Xmaxj列声学指标中最大值。

      (3) 加权求和的综合评分值Pi由式(3)计算。

      $$ P_{i}=\sum\left(K_{j} \times b_{i j}\right) $$ (3)

      式中:Pi为综合评分值; Kj为权重因子。

      复合材料声学振动性能的综合评分法,考虑了比动弹性模量、密度、声辐射品质常数、声阻抗及动态弹性模量与剪切模量之比5个主要因子,其中声阻抗计算时采用负向贡献因子计算公式。试验最后把西加云杉的声学振动参数加入一起计算进行综合评估比较,探讨复合材料替代乐器用木材的可行性。从图 3图 5中都可以看出:复合材料A的分值大于复合材料B,复合材料C的分值大于复合材料D。即玻璃纤维布无论铺放1层还是2层,玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料综合评分值比铺放在靠近芯层单板的复合材料的综合评分值高,说明玻璃纤维布铺放位置对复合材料的声学性能有影响,且玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料的声学性能优于纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料,这与2.1的结果相吻合。

      图  3  玻璃纤维布不同铺放位置的复合材料综合评分值

      Figure 3.  Comprehensive scores for composits of different placement positions of glass fiber cloth

      图  4  不同层数玻璃纤维布复合材料的综合评分值

      Figure 4.  Comprehensive score for composites of different number of glass fiber cloth

      图  5  整体综合评分值

      Figure 5.  Overall comprehensive score values

      无论是从玻璃纤维布不同层数的综合评分值(图 4),还是从整体综合评分值(图 5)都可以看出:未铺放玻璃纤维布的复合材料E的综合评分值低于铺放玻璃纤维布的复合材料A、C、H、F的综合评分值。说明玻璃纤维布的添加有利于提高复合材料声学振动性能。随着玻璃纤维布层数的增加,综合评分值先增大后减小(如图 4)。铺放2层玻璃纤维布的复合材料C综合评分值最大,分值达到为93.74。铺放3层和4层纤维的综合评分值反而下降,说明铺放2层玻璃纤维布的复合材料具有较好的声学振动性能,这与2.2的结果相吻合。

      为了探究复合材料替代乐器用木材的可行性,把复合材料和西加云杉的振动性能作比较。图 5中可以看出:西加云杉分值最高,体现了西加云杉具有很好的声学振动性能,可以作为衡量试验试样声学振动性能的标准。在试样中,复合材料C的综合声学振动性能较好,和西加云杉综合评分值相差不大。说明玻璃纤维复合材料具有替代乐器用木材的可能性。

    • 试验采用桦木单板为基体,玻璃纤维为增强材料,按照单板层积材结构制备桦木单板/玻璃纤维复合材料。对复合材料进行声学振动检测,并采用综合评分法对复合材料的声学振动性能进行综合分析,研究结果表明:

      (1) 玻璃纤维布的不同铺放位置对复合材料声学振动性能有影响:用1层玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料的比动弹性模量和E/G值比铺放在芯层单板单侧的复合材料分别增加了8.7%和17.8%;用2层玻璃纤维布分别铺放在上下表层单板内的复合材料的比动弹性模量和E/G值比铺放在芯层单板两侧的复合材料分别增加了7.5%和18.0%。玻璃纤维布的铺放位置对声辐射品质常数和声阻抗影响比较小。说明玻璃纤维布铺放在表层单板下的复合材料声学振动性能优于玻璃纤维布铺放在靠近芯层单板的复合材料的声学振动性能。

      (2) 复合材料的声学振动性能并不是随着玻璃纤维层数的增加而增加,铺放2层玻璃纤维布的复合材料的比动弹性模量和E/G值达到最大,比未铺放玻璃纤维布的复合材料分别增加了46.8%和20.1%。声辐射品质常数随玻璃纤维布的增加呈减少的趋势。利用综合评分法分析发现铺放2层玻璃纤维布的复合材料具有最好的声学振动性能。

      (3) 从试样中筛选出几组声学振动性能较优的复合材料与西加云杉进行比较,尽管复合材料的E/G值约为西加云杉的80%,声辐射品质常数约为西加云杉的0.5倍。但复合材料C的比动弹性模量为25.04GPa,与西加云杉相接近。另外从综合振动性能分值考虑,复合材料C的综合评分值和西加云杉的相差较小,这说明桦木/玻璃纤维复合材料具有替代传统木质音板用材的潜质。

参考文献 (22)

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