Что такое древесина с точки зрения физики
Почему дерево влияет на звук электрогитары
Гитарные мастера и, как теперь принято говорить, древесные слухачи из года в год не устают повторять одно и то же: дерево влияет на звучание электрогитары. Так ли это на самом деле?
Споры о дереве, из которого делают электрогитары, многих сводят с ума. Существуют гитарные эксперты, утверждающие, что махагон, ясень и ольха совершенно по-разному влияют на сустейн и характер инструмента.
Электрогитара с точки зрения физики
Пару лет назад на популярном гитарном сайте Ultimate-Guitar.com (UG) вышла статья о влиянии древесины на звучание электрогитары. Написать этот материал помог докторант Калифорнийского университета в Беркли Кенни Веттер (Kenny Vetter), специализирующийся на акустике, фоновых шумах и устройствах для обнаружения и измерения параметров частиц энергии. Кенни помог понять, как корпус гитары влияет на ее тон с точки зрения физики звуковых волн.
Напомню, речь идет только об электрогитарах. Акустические гитары не трогаем, так как там, согласно Кенни (и здравому смыслу), дерево играет гораздо большую роль.
Итак, если главным элементом электрогитары является звукосниматель, то есть ли смысл заморачиваться с древесиной? В упомянутой статье Веттер пришел к однозначному выводу: дерево влияет на звук, и производители не просто так используют разную древесину. Чем это объясняется?
Многие знатоки убеждены, что акустическая древесина — это основа любой электрогитары. Согласиться с тем, что от породы дерева зависит вес, внешний вид и качество инструмента, безусловно можно, но что заставит согласиться с тем, что вид дерева сказывается на звучании?
Чтобы объяснить свою точку зрения, Кенни Веттер обратился к физике, а точнее — к понятию инвариантности. Оказывается, выявление инвариантов (неизменностей) может помочь решить не только сложные проблемы квантовой механики и теории относительности, но и разгадать загадки электрогитары. Начать нужно с энергии — физической величины, инвариантность которой выражается в ее неизменности при изменении физических условий.
И важно, как именно и из чего выполнен каждый элемент этой системы. Вибрация струны вызывает резонанс всего инструмента. Под резонансом здесь понимается нота, являющаяся гармоникой по отношению к основной частоте гитары.
Короче говоря, так можно понять, как именно энергия одной струны передается и распространяется по всей гитаре. Кроме того, такой подход позволяет изучить изгибные колебания инструмента. Анализ с применением метода конечных элементов показывает, что разная древесина влияет на звук по-разному.
Однако изучить природу гитарного звука можно и без МКЭ. Много интересных вещей поможет узнать закон сохранения энергии.
На определенных частотах система будет реагировать на гармоническую силу (удар по струне) сильнее, на других — слабее. Чем выше уровень демпфирования системы, тем слабее ее ответная реакция и, соответственно, выше механический импеданс. Вы наверняка замечали, что сустейна на некоторых нотах больше.
Так происходит по той причине, что гитара (в первую очередь речь о корпусе, который поглощает много вибрационной энергии) «глушит» некоторые звуки, а другие, наоборот, усиливает. Грубо говоря, дерево корпуса выполняет роль частотного фильтра, который гасит самые высокие и самые низкие частоты. По этой же причине производители используют разное дерево для акустических систем.
Если верить Кенни, то на высоких частотах длинные волокнистые молекулы древесины начинают рассеивать энергию, превращая ее в тепло. Спад высоких частот и обеспечивает уникальный «звук дерева» (в контексте электрогитары так говорить не совсем правильно, но зато понятнее). Твердость древесины и расстояние между молекулами влияют на звуковые частоты.
Выводы
Подводя итог, Веттер сравнил разную древесину для гитар с разными типами транзисторов, используемых для гитарных примочек. Германиевые или кремниевые? Спорить можно вечно, но факт остается фактом: разница в звуке есть. Существует мнение, что более «винтажное» звучание дают педали на германиевых транзисторах.
Суть в том, что дерево действительно влияет на звук. От древесины зависит тембр и сустейн. Однако не стоит преувеличивать роль дерева, утверждая, что оно играет главную роль.
Что такое древесина?
Древесина является природным сырьём, используемым в производстве различных конструкций. Что такое древесина с физической точки зрения? Этот природный материал представляет собой растительную ткань, которая состоит из плотно расположенных клеток, что придаёт ему особую прочность и упругость. Как и у всех растений, оболочка клеток содержит целлюлозу, которая также наделяет дерево прочностью. Клетки дерева называют волокнами ввиду их формы- длинных и узких вертикальных трубок.
Древесина хорошо удерживает тепло, так как имеющиеся пустоты между волокнами являются своеобразной преградой и удерживают его внутри.
Прочность и вес дерева линейно зависимы от размера волокон: чем они толще, тем прочнее материал.
Дерево легче разрубить по направлению расположения волокон, поэтому древесные породы с их параллельным расположением легче поддаются обработке. Труднее обрабатывать такие породы, как клён, так как его волокна тесно переплетены между собой.
Помимо целлюлозы в состав древесины входит лигнин- вещество, которое соединяет клетки дерева. Его химическая формула настолько сложна, что ученые до сих пор до конца не разгадали её.
Характерный запах и цвет дереву придают входящие в его состав смолы, масла и другие вещества. Благодаря их наличию древесина достаточно устойчива к процессу гниения. Они же являются определяющим звеном для выбора лака покрытия изделия.
Пород древесины насчитывают большое количество. Древесину получают из хвойных деревьев: ель, сосна, кедр; из однодольных: бамбук, пальма; и из лиственных (двудольных): дуб, эвкалипт, клён. Ценность древесины определяется её прочностью, долговечностью и рисунком. К ценным относятся дуб, вишня, бук и другие.
Древесные материалы сочетают в себе много полезных свойств для производства: прочность, твёрдость, упругость, износостойкость, влажность и другие. В зависимости от требований, предъявляемых к тому или иному свойству, выбирают подходящую породу древесины.
Применяют древесину в разнообразных областях: в строительстве, мебельном производстве, для изготовления бумаги, в качестве топлива и отделочного материала. При применении в определенной области учитывают эксплуатационные характеристики: твердость, стабильность и уровень усадки, степень окисления, выразительность текстуры и стойкость к нагрузкам. У разных пород эти свойства выражены по-разному.
Сложно представить жизнь на земле без этого природного материала. Его обширная область применения и разнообразие полезных свойств на протяжении всего существования человечества служит незаменимым материалом во многих сферах жизни. Так что такое древесина? Ответ прост: это возобновляемый ценный природный ресурс человечества.
Физические свойства древесины
Внешний вид. Древесина характеризуется цветом, блеском, текстурой, запахом. Цвет древесины это зрительное восприятие, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока.
Цвет древесины можно установить, пользуясь атласом цветов или колориметром. Он варьируется от белого до черного и зависит от породы, климата, условий произрастания, возраста. Первоначальный цвет древесины меняется под влиянием солнца, воздуха, окисления, соединения с солями металлов, поражения грибами и загнивания. При производстве изделий иногда специально меняют цвет древесины, отбеливая ее или окрашивая в более темные или яркие цвета.
Блеск древесины проявляется при отражении падающего на нее света. Такой способностью обладают сердцевинные лучи, остальная поверхность заметно выраженного блеска не имеет. Поскольку в большинстве случаев изделия из древесины покрывают лакокрасочными материалами, естественный блеск древесины перекрывается зеркальной, матовой или кроющей поверхностью отделочного слоя.
Текстура древесины это рисунок, образующийся на поверхности вследствие перерезания элементов древесины (сосудов, годичных слоев, сердцевинных лучей и др.). Текстура зависит
от породы древесины (у хвойных более простая и однообразная, у лиственных более разнообразная), плоскости разреза, волнистости, свилеватости, от различия в окраске отдельных элементов. Сердцевинные лучи создают красивую текстуру на радиальном срезе (у дуба, бука, клена и р.). Текстурой характеризуется декоративная ценность изделия из древесины. Прозрачные лаковые покрытия усиливают контраст текстуры, придают ей глубину и выразительность.
Запах древесины зависит от присутствия в ней пахучих и ароматических веществ эфирных масел, смол, дубильных веществ. Наиболее сильный запах у свежесрубленных хвойных пород древесины. С фактором запаха приходится считаться при изготовлении тары для хранения и перевозки различных пищевых продуктов.
Объемная масса (плотность). Объемная масса древесины одной и той же породы не является величиной постоянной и увеличивается с повышением влажности. Поэтому принято характеризовать древесину по объемной массе при стандартной 15%-ной влажности. Обычно объемную массу, определенную при некоторой фактической влажности, приводят к стандартной по формуле
Объемная масса древесины в воздушно-сухом состоянии (при влажности 12%) колеблется в значительных пределах — от 380 кг/м 3 для очень легких пород дерева (пихта сибирская) до 1050 кг/м 3 для наиболее тяжелых (фисташка).
Тепловые свойства древесины. К основным тепловым свойствам древесины относятся: теплоемкость, теплопроводность и
Тепловое расширение древесины характеризуется коэффициентом линейного теплового расширения ее 1/град — это изменение единицы длины тела при нагревании его на ГС. В практике использования древесины обычно не считаются с этим свойством, так как линейное расширение вдоль волокон в 3-10 раз меньше, чем металлов, и им можно пренебречь, а расширение поперек волокон (при влажности меньше 30%), вызванное повышением температуры, гораздо меньше, чем расширение влажностное, происшедшее вследствие повышения температуры.
Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 81%, лиственных — от 32 до 80%.
Влажность древесины. Древесина растущего дерева содержит значительное количество влаги, необходимой для нормального развития и роста дерева. Древесина срубленного дерева в зависимости от условий хранения может содержать то же количество влаги, что и растущего, а также меньше или больше. Количественную оценку содержания влаги характеризует влажность древесины. Абсолютная влажность древесины W, %, — это процентное отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины W = (m — mc)/mc100. Здесь m — масса влажной древесины, г; тс — масса абсолютно сухой древесины, г.
Влажность растущей древесины в зависимости от породы и элемента (ядро, заболонь составляет от 30 до 120%. В срубленной древесине различают два вида влаги — свободную и связанную.
Свободная — это влага, заполняющая полости клеток и сосудов, связанная — находящаяся в стенках клеток. Связанная влага удерживается стенками клеток силами капиллярного (гигроскопического) взаимодействия и силами поверхностного (адсорбционного) притяжения, поэтому ее еще называют гигроскопической.
Состояние древесины, при котором количество связанной влаги максимально возможное, а свободной влаги нет, называется пределом насыщения. Для большинства пород пределу насыщения волокна соответствует влажность древесины около 30%. При влажности выше предела насыщения волокна в полостях клеток начинает появляться свободная влага. Максимальное количество свободной влаги, которое может быть в древесине, зависит от ее строения и может доходить до 250%. Древесину, содержащую только связанную влагу, принято называть влажной; древесину, содержащую связанную и свободную влагу, — сырой.
Влажность древесины зависит от состояния воздуха (температуры и влажности), в котором она находится. При постоянной (например, комнатной) температуре и постоянной влажности воздуха влажность древесины стремится к определенному постоянному значению. Так, при температуре воздуха 20°С и его влажности 55% влажность древесины, долго выдерживаемой при этих условиях, будет составлять 10%.
Влажность, к которой стремится влажность древесины при длительной выдержке на воздухе постоянного состояния, называется равновесной.
Стремясь к равновесной влажности, древесина практически ее не достигает и фактическая влажность оказывается несколько большей при высыхании и несколько меньшей при увлажнении.
Величина фактической влажности, которой достигает древесина, стремясь к равновесной, называется устойчивой влажностью. Для массивной древесины (длиной более 100 мм и толщиной более 15 мм) устойчивая влажность на 1,25% больше или меньше равновесной. Для измельченной древесины (опилки, стружка) устойчивая влажность мало отличается (± 0,15%) от равновесной и в расчетах ее принимают равной равновесной. Если древесина в результате камерной сушки подвергалась нагреву более чем на 50°С, при высыхании устойчивая влажность равна равновесной, а при увлажнении она меньше равновесной на 2,5%. Максимальное количество влаги, которую древесина может сорбировать из воздуха, соответствует пределу насыщения волокна, т.е. влажности около 30%. Свободная влага, заполняющая полости клеток, при этом не образуется.
Влагопоглощение — это способность древесины поглощать влагу из окружающего воздуха. Это отрицательное свойство древесины. Для уменьшения его влияния древесину покрывают лаками, пропитывают различными составами.
Водопоглощение — это способность древесины впитывать капельно-жидкую влагу. Влага, впитываясь, заполняет поры клеток и, естественно, увлажняет стенки клеток. Водопоглощение имеет значение при сплаве древесины, получении из древесины целлюлозы и т. д.
Влагопроводностъ — это способность древесины пропускать влагу из зон с повышенной влажностью в зоны с пониженной влажностью. Она имеет важное значение при гидротермической обработке древесины. Влагопроводность характеризуется коэффициентом влагопроводности. Величина этого коэффициента зависит от температуры, породы, плотности древесины, местоположения древесины в стволе, направления тока влаги относительно направления волокон древесины.
Усушка, разбухание и коробление. Колебания влажности волокон древесины влекут изменение размеров и формы досок, брусьев и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток, т.е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках.
Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. Вдоль оси ствола (вдоль волокон) максимальная линейная усушка сравнительно невелика — около 0,1% (или мм на м), в радиальном направлении
она составляет 3-6% (3-6 см на м), а в тангентальном — 6-12% (6-12 см на 1м).
Усушка и разбухание древесины — свойства отрицательные, они вызывают коробление и растрескивание лесных материалов.
Внутренние напряжения в древесине возникают при удалении связанной влаги в результате усушки. Причины возникновения напряжений следующие: неравномерное удаление влаги по сечению и различная величина усушки в различных (радиальном и тангентальном) направлениях.
Внутренние напряжения должны быть уравновешены в пределах данного тела, поэтому одновременно существуют и действуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения. Так, при сушке массивной древесины влага в первую очередь удаляется с поверхности. При этом наружные слои в результате усушки сокращаются, внутренние препятствуют этому, в связи с чем возникают растягивающие напряжения на поверхности и сжимающие внутри. Если растягивающие напряжения больше прочности древесины на растяжение поперек волокон, наступает разрушение последней — на поверхности ее образуются трещины. Когда наружные слои высыхают при действии растягивающих усилий, они под действием этих усилий растягиваются и после высыхания приобретают остаточное удлинение. Поэтому когда начнется усушка внутренних слоев, возникнут напряжения обратного знака, т.е. на внутренние слои будут действовать растягивающие усилия, которые могут привести к разрушению древесины внутри и образованию внутренних трещин — свищей.
Величина усушки большая в тангентальном направлении, чем в радиальном, также может привести к возникновению растягивающих напряжений на поверхности бревен и образованию трещин. В пиломатериалах (досках, брусках) неоднородность усушки влечет за собой изменение формы поперечного сечения материала, т е. поперечную покоробленностъ древесины. Продольная покоробленностъ древесины может быть следствием различной величины усушки вдоль волокон различных зон (например, ядровой, заболонной) древесины. Крылова-тостъ — это спиральная покоробленность. Она является следствием наклона волокон.
Кбробление деревянных изделий (Рис. является следствием: 1) разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и 2) неравномерности высыхания. Неравномерность усушки и коробления вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен. Широкие доски коробятся больше, чем узкие, поэтому для настилки пола и столярных изделий применяют доски шириной 10-12 см.
Рис. Коробление досок в результате усушки: — продольное простое; 2 — продольное, сложное; 3 — поперечное; 4 — крыловатость
Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации.
Проницаемость древесины. Проницаемость — способность древесины пропускать жидкости и газы. Это свойство следует учитывать при разработке режимов пропитки и сушки древесины, в случаях использования ее для изготовления бочек, трубопроводов, деревянных судов, а также при дезинфекции древесины,
зараженной насекомыми или грибами. Проницаемость зависит от направления волокон, породы древесины, положения в стволе (ядро, заболонь).
Газопроницаемость древесины при повышенном давлении или вакууме значительно выше, чем при атмосферном давлении. Причем вдоль волокон она больше, чем поперек, а в радиальном направлении выше, чем в тангенциальном. Заболонная древесина характеризуется более высокой газопроницаемостью по сравнению с ядровой. Газы глубже проникают в сухую древесину, чем во влажную. Это свойство древесины используют для дезинфекции без разрушения изделий из древесины, зараженных насекомыми и грибами.
Звукопроницаемость древесины оценивается разницей уровней звукового давления (дБ — децибел) перед и за перегородкой из древесины. Звукопоглощение оценивается коэффициентом звукопоглощения — отношением звуковой энергии, теряемой в материале, к величине подводимой энергии. Звукопроницаемость и звукопоглощение характеризуют звукоизоляционные свойства древесины, имеющие значение при строительстве и сооружении звукоизолирующих конструкций.
Резонансная способность — это свойство древесины усиливать и излучать звук. Его назвали резонансным. В деревянных
музыкальных инструментах колебания струны передаются деке, а она излучает их в воздух. Деку изготавливают из специальных сортов древесины, которую принято называть резонансной древесиной. Это ель, пихта, кедр.
Качество материала, обеспечивающее наибольшее излучение звука, оценивается показателем К — константа излучения.
Отношение древесины к электричеству, свету, газам и радиации. Отношение древесины к электричеству определяется электропроводностью, электрической прочностью и др. В технике древесина в сухом состоянии известна как электроизоляционный материал.
Электропроводность древесины характеризуется удельным электрическим сопротивлением (Ом/м) и зависит от породы, направления волокон, влажности и температуры. Вдоль волокон она меньше, чем поперек.
С повышением влажности древесины удельное сопротивление ее снижается, особенно в пределах точки насыщения. Так, удельное сопротивление комнатносухой древесины вдоль волокон в 5-20 раз меньше, чем поперек, а воздушносухой — в 2 раза. На этой особенности древесины основано применение электровлагомеров.
Электропроводность древесины заметно возрастает с увеличением температуры. Поэтому лакокрасочные покрытия наносят на древесину в электрическом поле высокого напряжения.
Электрическая прочность характеризуется пробивным напряжением в вольтах на см толщины. Электрическая прочность древесины невысока, зависит от породы, направления волокон, влажности и температуры.
Электрические свойства древесины. Электропроводность (удельная проводимость) — это величина обратная удельному сопротивлению. Удельное сопротивление древесины зависит от породы, влажности температуры и направления прохождения тока. Оно имеет практическое значение, если древесина используется для столбов связи и линий электропередачи. Это
свойство учитывают при измерении влажности древесины, нанесении лаков в электрическом поле.
Электрическая прочность древесины — Е, кВ/м, характеризуется отношением напряжения, при котором наступил пробой материала Ип, кВ, к толщине материала h, мм: Е = И /h. Электрическая прочность имеет значение при оценке древесины как электроизолирующего материала.
Диэлектрические свойства древесины оцениваются двумя показателям: диэлектрической проницаемостью —£ и тангенсом угла потерь — tg 8. Первый показатель численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости того же конденсатора с воздушным зазором. Второй характеризуется углом потерь 5. Это угол между двумя векторами тока, один из которых опережает вектор напряжения на угол 90°, если нет потерь, второй опережает вектор напряжения на угол меньший, чем 90° вследствие диэлектрических потерь в древесине. Значение е для воздуха 1, древесины 2-4, клея 25; tg5 для древесины 0,07; клея 0,6 (карбамидоформальдегидно-го). Диэлектрические свойства древесины учитывают при расчете процессов нагрева материала в поле токов высокой частоты во время сушки, а также склеивания, гнутья древесины.
Прочность — это способность древесины сопротивляться разрушению от воздействия механических усилий.
Почти каждое действие сил имеет разновидности в зависимости от направления их действия по отношению к направлению волокон и годичных слоев. Под действием внешних сил в древесине возникают напряжения и появляется деформация, т.е. изменение размеров или формы образца. Если после прекращения действия силы деформация полностью исчезает, она называется упругой, если частично остается — остаточной.
Проницаемость древесины лучами света и рентгена зависит от ее влажности и содержания смол. Лучи света проникают на толщину до 3 мм, а рентгеновские — до 50 см.
Различные части дерева неодинаково поглощают лучи рентгена, поэтому их используют для обнаружения внутренних дефектов, например, пустот, которые поглощают рентгеновских лучей меньше, чем плотные участки. С помощью этих лучей молено изучать на тонких срезах субмикроскопическое строение оболочки клеток, так как кристаллы вызывают рассеивание, или интерференцию лучей, что фиксируется на фотопластинке.
Под действием ультрафиолетовых лучей древесина большинства пород люминесцирует различными цветами: светло-или темно-фиолетовым (березы, сосны, лиственницы), голубым или синим (ели, пихты, бука, липы, ореха), желтым или зеленовато-желтым (белой акации). Древесина таких пород, как бакаут, тюльпановое дерево, криптомерия, не люминесцирует. Более светлыми цветами люминесцирует заболонная древесина и более темными — ядровая. Ультрафиолетовые лучи глубоко проникают в толщу древесины, поэтому с их помощью определяют глубину пропитки и окрашивания древесины веществами с различным свечением.