АКУСТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ ДЕК МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
ACOUSTIC MATERIAL FOR SOUNDBOARD OF MUSICAL INSTRUMENT

Изобретение относится к области изготовления деревянных заготовок и материалов заменителей натуральной древесины, используемых для изготовления дек струнных щипковых и смычковых музыкальных инструментов (верхние и нижние деки корпуса скрипки, альта, гитары и т.п.), а также дек пианино и роялей с целью улучшения акустических свойств деревянных заготовок и расширения их ассортимента.
Известно, что самой лучшей древесиной для акустических резонаторов музыкальных инструментов является древесина ели (резонансная ель). Как правило, это отборная древесина ели, обладающая особыми свойствами как по внешнему виду, так и по своим физико-механическим свойствам. Количество такой древесины в настоящее время в мире ограничено, а запасы ее постепенно уменьшаются. Попытки использования других пород древесины, кроме некоторых исключений в виде древесины пихты, кедра и сосны, для изготовления дек музыкальных инструментов положительных результатов не дают. Поэтому создание нового материала для музыкальных инструментов в настоящее время является актуальным для всех производителей музыкальных инструментов.
11
3
3
Хорошо известно, что для получения высоких акустических характеристик материала в широком диапазоне частот необходимо, чтобы отношение модуля упругости материала к его плотности было как можно выше. На этой закономерности основана разработка конструкционного композиционного материала для дек резонаторов музыкальных инструментов, который состоит из очень тонких графитовых нитей с модулем упругости 1,8·10 Па и плотностью менее 2 г/см, связанных между собой полимерным материалом с плотностью 0,15÷1 г/см (патент США №4364990). Однако такой материал при всех своих высоких показателях достаточно дорог и не обеспечивает эквивалентные резонансные характеристики во всем частотном диапазоне слышимых звуков классических высококачественных музыкальных инструментов.
Аналогичную задачу решает композиционный материал слоистого типа для изготовления дек, который содержит в качестве среднего слоя лист из стали толщиной 0,5÷1,5 мм и наружные слои из деревянного или пластмассового шпона с соотношением толщины со средним слоем от 1:3 до 1:6 (патент США №4337682). Однако у такого материала резонансные характеристики во всем диапазоне частот не совпадают с характеристиками резонансной ели. Музыкальные инструменты, изготовленные по этой технологии, не обладали насыщенным богатством звука как классические музыкальные инструменты.
Известны случаи использования гофрированного алюминия, полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол с наполнителем в виде древесной стружки, хлопка, пеньки в измельченном виде, пористые полимерные материалы - пенополистирол, пенополиуретан, пенополивинилхлорид, конструкционные материалы из тонких слоев древесины, древесно-волокнистые материалы, березовую фанеру и др.
Результаты этих изысканий по акустическим, технологическим или экономическим соображениям пока не применяются. Исключение составляют только нижние фанерные деки виолончелей, гитар и контрабасов, которые изготавливают из березовой фанеры.
Слоистый материал с акустически активным слоем, содержащий материал на основе сухого стебля лопуха (патент RU №2004129374), является достаточно сложным в процессе изготовления для промышленного использования.
Материал для дек музыкальных инструментов, в процессе изготовления которого деревянные дощечки подвергаются нагреву с плавным изменением давления, нарушают структуру материала в поверхностном слое (патент RU №93006693).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является авторское свидетельство СССР №495698 «Резонатор для струнных музыкальных инструментов». Заявка №2007215 с приоритетом от 20 марта 1974 года. В этом изобретении слоистый материал шпоновой конструкции для улучшения акустических свойств имеет прослойку из фольгированной пленки. Авторы свидетельства №495698 считают, данная конструкция увеличивает скорость звука вдоль волокон, за счет чего и происходит незначительное увеличение акустической константы. Недостатками прототипа является сложность конструкции. Использование только лущеного шпона ограничивает конструкцию материала по толщине, невозможность добиться равномерного звучания музыкального инструмента. Наличие фольгированного материала приводит к нетрадиционному звучанию инструмента и расслоению материала при эксплуатации. Недостатками всех описанных выше материалов является то, что технология их изготовления является длительной, а полученный эффект по улучшению акустических характеристик незначителен.
Использование только одного вида шпона и устаревших клеев в настоящее время не позволяет широко использовать эту технологию.
Задача настоящей разработки заключается в разработке конструкции и технологии клееного материала по образу натуральной еловой древесины и разработке способа регулирования свойств материала для получения максимального эффекта улучшения резонансных характеристик древесины при сохранении основных характеристик макро- и микростроения натуральной древесины и ее поровой структуры. Это достигается тем, что тонкие слои шпона, применяемые для имитации ранней и поздней древесины, имеют многослойную конструкцию, изготовленную из различного шпона, полученного методами строгания, лущения и пиления. Структура композитного материала представляет из себя конструкцию, состоящую из волокон древесины, шпона и клея. В различном сочетании они создают повторяющуюся конструкцию в виде слоев разной плотности, а поверхность материала представляет из себя имитацию древесины ели.
Принципиальным отличием разработанной конструкции нового клееного материала и технологии его производства от известных в литературе (в том числе и приведенной в авторском свидетельстве СССР №495698 «Резонатор для струнных музыкальных инструментов») является использование слоистых материалов, полученных различными способами в одном слое, и использование строганного микрошпона для изготовления слоя, имитирующего позднюю древесину.
Также задачей настоящей разработки является получение качественно нового материала, по своим свойствам аналогичного древесине резонансной ели, и улучшение резонансных характеристик музыкальных инструментов промышленного изготовления.
Основным недостатком известных по литературе конструкций слоистых материалов, используемых в музыкальной промышленности, является выраженная изотропность полученной структуры материала, что в принципе является очень хорошим показателем для различных изделий и конструкционных материалов. Однако для музыкального инструмента важна именно анизотропность свойств, которая присутствует в любом натуральном материале, аналогичном древесине. Данные анизотропические свойства исторически заложены в конструкцию музыкального инструмента. В известных патентах и авторских свидетельствах для изменения изотропности искусственных материалов используются различные материалы, по структуре отличные от древесины.
Предварительные исследования при разработке нового материала показали, что для музыкального инструмента, кроме анизотропии свойств, очень важна также плотность получаемого материала и звуковые потери в нем на трение. В натуральной резонансной ели потери на внутреннее трение минимальны. При этом диапазон воспроизводимых частот очень широк, поэтому при создании нового материала в качестве основы и эталона была выбрана древесина ели. Сравнительные характеристики акустических свойств резонансной ели и некоторых других пород, используемых в производстве музыкальных инструментов, приведены в таблице 1. Свойства некоторых пород в зависимости от региона произрастания приведены в таблице 2.
Таблица 1
Значения модуля упругости, плотности и акустической константы некоторых пород
№ п/п
Наименование древесной породы
Значение
модуля упругости, Е, МПа
Плотности, ρ, кг/м<sup>3</sup>
Акустическая константа, К<sub>а</sub>, м<sup>4</sup>/кг·с
1
Ель
13000
420
12,0
2
Пихта кавказская
13000
450
12,0
3
Кедр сибирский
8200
390
11,9
4
Сосна отборная
15000
500
11,0
5
Клен
16000
680
0,72
6
Береза
14000
630
0,74
7
Бук
14080
740
0,60
8
Груша
6400
670
0,47
Таблица 2
Средние показатели основных свойств древесины в зависимости от региона произрастания
Порода
Район произрастания
Плотность кг/м<sup>3</sup>,
Модуль упругости, МПа
Акустическая константа, м<sup>4</sup>/кг·с
ХвойныеЕль
РумынияЗакавказье(Ахицинскийлесхоз)Аджарский лесхозАрхангельскаяобластьСев. УралЧувашская р-каУдмуртская р-каИмпортная
450440390…430380…450400…470380…450420460
1000…1450
13,6113,9214,2415,3113,6214,2414,5813,31
Сосна
Обыкновенная
352…660
440…2120
12,10
Пихта
Сибирь
350…420
580…650
15,90
Кавказ
380…520
1080…1580
13,61
Кедр
Сибирь
340…450
720…940
15,50
Лиственница
490…780
850…1200
0,964
Лиственные порды
Береза
Русская
550…700
800…2000
0,980
Основным показателем звучания музыкального инструмента является собственная резонансная частота деки, которая зависит от массы тела или пластины, а в совокупности от плотности материала, упругости материала и внутреннего трения в материале, а также размеров и формы.
Рациональность использования той или иной породы древесины в производстве акустических резонаторов музыкальных инструментов диктуется доступностью, ценой, назначением музыкального инструмента и акустическими характеристиками материала - акустической константой Андреева и Римского-Корсакова, а также потерями на внутреннее трение в материале.
Как правило, отдельные музыкальные инструменты, изготовленные на заказ, отличаются высоким качеством материала, проработанной конструкцией инструмента и некоторыми технологическими особенностями производства, изменяющими свойства используемого материала в лучшую сторону. Такими особенностями технологии может быть варьирование (изменение) толщины деки или изменение плотности материала при помощи пропитки последнего на необходимых участках деки грунтом, слоем лака или клея.
Анализируя материалы, используемые для изготовления музыкальных инструментов, представленные на отечественном и зарубежном рынке, можно сделать следующий вывод, что резонаторы инструментов изготавливают тремя способами: из натуральной древесины, из заменителей (фанера или шпон) с различной отделкой - натуральным шпоном или текстурной бумагой. Причем качество звучания музыкальных инструментов может быть одинаковым у всех трех категорий, так как очень сильно зависит от большого числа факторов: конструкции инструмента, технологии, вида отделки и т.п.
Ни один из существующих материалов не обладает свойствами с абсолютно повторяющимися характеристиками. Таким образом и стала необходимость разработать конструкцию искусственного резонатора из клееного материала, аналогичного традиционной резонансной ели, имеющего стабильные повторяющиеся резонансные характеристики.
Основные параметры полученного клееного материала приведены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристика клееного слоистого материала
Конструкция образцов
С параллельным направлением в смежных слоях
Порода древесины
ель
Плотность древесины
410 кг/м<sup>3</sup>
Толщина слоя
0,1-2,0 мм
Начальная влажность материала
8±2,%
Шероховатость поверхности
120…300 мкм
Вид связующего
Клей: ПВА «Кестокол», PUR 501, Titebond, UBond, мездровый (класс "экстра")
Расход клея
110-300 г/м<sup>2</sup>
Давление при склеивании
1 МПа/см<sup>2</sup>
Продолжительность склеивания
20 минут
Усредненная акустическая константа Андреева
12,0 см<sup>4</sup>/кг·с
Технология изготовления акустического материала включает в себя следующие основные технологические операции:
1. подготовка материала
Данная операция включает в себя отбор древесины, сортировку и раскрой на бруски требуемых размеров, а также прогрев до заданной температуры.
2. Изготовление тонких слоев материала
Данная операция включает в себя раскрой брусков на тонкие слои древесного вещества и может осуществляться строганием (строганный шпон), лущение - получение лущенного шпона и пиление - получение тонких слоев на ленточнопильном или круглопильном станках.
3. Сортировка слоистого материала. Данная операция проводится с целью отобрать наиболее качественный материал для изготовления слоев клееного материала. Сортируется материал по толщине и качеству.
4. Сушка слоев. Проводиться до влажность 6-8% в специальной пакетной сушилке.
5. Изготовление слоя, имитирующего позднюю зону клееного материала.
Операция включает в себя:
- нанесение клея на слои и их пропитка. Пропитка проводится в специальной ванне мездровым клеем;
- формирование пакетов слоистого материала;
- прессование;
- выдержка слоистого материала и его разборка;
- контроль качества слоя поздней древесины;
Толщина слоя поздней древесины составляет от 1 до 1,5 мм и состоит из 8…12 слоев шпона.
6. Формирование клееного материала:
Данная операция включает в себя:
- нанесение клея на смежные слои, имитирующие раннюю и позднюю древесину;
- формирование пакета слоистого материала;
- прессование;
- выдержка и разборка пакетов;
- контроль качества и размеров склеенного материала;
7. Обработка блоков слоистого материала на двухстороннем рейсмусовом станке.
8. Раскрой слоистого материала на дощечки требуемой толщины.
9. Контроль качества и вакуумная упаковка дощечек в транспортные пакеты.
Исследование акустических свойств полученного клееного материала показали, что в качестве основы для клееного материала лучше использовать слои, изготовленные из древесины березы, сосны или ели.
а
4
3
При этом слоистый материал, изготовленный из слоев березы, имеет самые низкие акустические показатели, акустическая константа Андреева (К) - 7…8 см/кг·с. Плотность слоистого материала составила - 570 кг/м.
а
4
3
Наилучшие характеристики имеет слоистый материал, изготовленный из строганных или пиленых слоев древесины ели. Акустическая константа Андреева К более 12 см/кг·с. Плотность материала 420-480 кг/м.
4
4
3
Использование слоев клееного материала, изготовленных из древесины сосны, показало, что акустическая константа может варьироваться в больших пределах от 7 см/кг·с до 12 см/кг·с при плотности от 490 до 570 кг/м.
Клееный материал изготавливается только с использованием одной породы древесины.
4
4
а
Это связано с тем, что композиционный материал, изготовленный с использованием слоев из различных пород древесины (березы, сосны и ели), имеет низкие акустические показатели - акустическая константа Андреева ниже 5 см/кг·с. Близкий к этому показатель имеет обычная березовая фанера марки ФСФ толщиной 4 мм (К=4 см/кг·с).
3
Плотность слоя поздней древесины составляет от 600 до 700 кг/м.
Количество слоев, имитирующих раннюю и позднюю древесину, в одном сантиметре составляет 8-12.
Древесина для изготовления слоев клееного материала имеет следующие характеристики.
3
Ель. Плотность 430 кг/м. Область произрастания - Вологодская область. Ширина годичного слоя 3 мм. Ширина поздней и ранней зоны однородная около 1,5 мм. Цвет светло-желтый. На древесине имеется некоторое количество пороков в виде мелких сучков, составляющие менее 2% от всего объема качественной древесины.
3
Береза. Российская Федерация, Ленинградская область. Плотность 620 кг/м. Цвет древесины белый. Здоровый.
3
Сосна обыкновенная. Место произрастания Выборг, Ленинградская область. Цвет древесины - желтовато-красный. Плотность древесины 530 кг/м.
Склеенные блоки из слоистого материала распиливаются на дощечки размерами 225×40×4 мм. Использование данных размеров связано с минимально допустимыми размерами образцов для их исследований на установке ИЧЗ-9. Также образцы с указанной толщиной (4 мм) используются при изготовлении резонансных дек гитар. Кроме этого, для анализа акустических свойств образцов использовался компьютер IBM совместимый производства фирмы SONY Vaio и программы для звукового анализа «Sonoscope», «Steinberg WaveLab 4.0 и 5.0», «SpectraLab v4.32», портативный прибор звукового анализа «Minilyzer». Характеристики снимались в изолированной звуковой камере при помощи высокочувствительного микрофона фирмы «Berenger», имеющего линейную характеристику на большинстве снимаемых звуковых частот.
рез
a
4
Контроль образцов проводился по основным акустическим показателям: резонансная частота f Гц; масса m, г, акустическая константа Андреева K, см/г·с; уточненная константа Римского-Корсакова ; скорость звука с, м/с. Все характеристики сравнивались с эталонными образцами, изготовленными из еловой древесины.