竹材听觉特性及其在室内环境中应用的研究现状_李兮卉.pdf

竹子学报，（）：收稿日期：基金项目：年省级大学生创新训练项目（）；国家重点研发计划（）作者简介：李兮卉，本科，从事家具设计与工程研究。：。通讯作者：连彩萍，助理研究员，博士，从事竹材材性与竹家具制品研究。：竹材听觉特性及其在室内环境中应用的研究现状李兮卉，连彩萍，吴智慧，李瑜涵，黄枫煜，庞小仁（南京林业大学 家居与工业设计学院，江苏 南京；浙江升华云峰新材股份有限公司，浙江 德清）摘 要 室内环境的质量直接影响着人们的生活，关系到人体的健康。在以竹代木的背景下，竹材已被广泛应用于家具与室内装饰中，使得竹材对室内环境的影响越来越大。而在室内环境中，声环境是构成其重要因素之一，所以竹材的听觉特性在室内环境中的应用显得尤为重要。笔者主要概述了竹材听觉特性 个方面（声学振动性能、吸声性能以及隔声性能）的研究现状，发现竹材具有良好的声学振动性能和吸声性能，经常被用作乐器和吸声板材料，但由于竹材为多孔性材料，导致隔声效果有限。另外，结合现有竹材在室内装饰上的应用，对未来竹材听觉特性的进一步研究和改善提出了一些建议，以期对竹材作为隔声、吸声材料应用在地板、墙体等室内装饰的研究提供一定的借鉴和参考。通过国内外研究现状的分析，指出今后应以竹材宏微观构造为基础，探析其对吸声性能和隔声性能的影响规律，寻找提高竹材吸声性能和隔声性能的方法，从而营造出舒适、健康的室内声环境。关键词 竹材；听觉特性；声学振动；隔声；吸声 ，（，；，），；自古以来，竹材因其独特的结构和材性常被用来制作成各种乐器。随着学者们对乐器用竹材声学振动性能的不断研究，竹乐器的声学品质得到了提高，提升了观众的听觉体验。而竹材的听觉特性不仅展现在乐器方面，在室内环境中也有所作用。声环境是构成室内环境的主要因素，影响着人们的身心健康和生活质量。随着文明的进步，人们对居住质量提出了更高的要求，因此室内声环境倍受关注。木材因具有良好的听觉特性而被广泛地应用于家具及室内装饰上，但由于木材资源紧缺，人们不得不寻找“替代性”材料。竹材生长周期短、力学强度强，因此“以竹代木”成为最常见的做法。竹材被广泛应用于家具与室内装饰中，对室内声环境的影响越来越大。该文通过对竹材听觉特性的国内外研究现状及其在室内环境中应用的概述，从竹材的声学振动性能、吸声性能和隔声性能这 个方面分析，总结现有竹材听觉特性的应用案例，以期为竹材作为隔声及吸声材料在地板、墙体等室内装饰上的应用提供一定的参考。竹材的听觉特性研究现状与木材的听觉特性相似，竹材的听觉特性也包括了材料的振动声学性质和建筑声学性质，其中振动声学主要是指材料的振动特性、传声特性和音响品质，而建筑声学性质则包括了声阻抗、吸声、隔声和混响等。目前，国内外学者对竹材听觉特性的研究还比较少，主要围绕以下几个方面：一是竹材及竹制品的声学振动特性研究；二是竹质人造板的吸声性能研究；三是竹质人造板以及竹木复合材料的隔声性能研究。竹材的声学振动性能材料的声学振动性能是指材料受机械振动作用表现出的特性，是研究材料声学性质的基础。所以要研究竹材的声学性质，首先需要解析其声学振动性能。从宏观构造看，竹材是由维管束与薄壁细胞构成，其声学振动性能在径向和生长方向上均存在差异。竹材的动态弹性模量由竹青到竹黄呈梯度下降，同时竹材部位越高、竹节越长，其动弹性模量也越大。而在微观结构上，竹材的微纤丝角起着重要作用，微纤丝角越小，动态内耗模量越小，声学振动特性越好。目前对于竹材的声学振动性能的主要研究对象集中在竹乐器用材，竹材因其本身的结构声阻抗最优，因此可作为天然乐器。针对不同的竹制乐器，相关学者开展了声学振动性能研究并在传统工艺和结构的基础上进行了改良和创新。等对马来甜龙竹（）竹片进行了分析，发现在硼砂和硼酸中保存的马来甜龙竹片的声辐射系数比未保存和水煮保存的高 ，用此条件保存的马来甜龙竹竹片作为原声吉他顶板对 频率的响应幅度明显高于云杉（）和松木（）吉他，且声辐射系数提高，因此推断马来甜龙竹可用作吉他顶板的替代材料。赵玉珂对不同竹龄苦竹（）制成的竹笛进行音准及声音频谱图的分析，结果表明 年生竹笛的音响特征较为丰满浑厚。王栢村等对 组竹制打击乐器音准、音色和持续度进行了探讨，结果显示该打击乐器的单元结构竹管的音准频率误差过大，振动模态效应分散、泛音频率不理想且打击声音持续短暂，因此判断打击乐器音准、音色和持续度有待改善。等根据空气谐振器的长度和直径，确定了印尼的传统竹制乐器 的基频，其泛音为基频的 倍，并表明 具有不和谐的泛音。基于竹制乐器 的泛音特征，竹子学报第 卷继续研究其单元结构竹管的声学振动特性，发现在相同频率和振幅条件下，竹管的振动响应与辐射声压密切相关。江泽慧等就如何评价乐器用木竹材的声学振动特性，从振动效率、音色和发音效果稳定性 个方面介绍了木竹材声学振动特性的定量评价方法，为木竹制乐器声学品质客观评价提供了理论参考。对于非乐器用的竹材，王思敏等通过比较研究毛竹（）材径向部位的声学特性，发现竹青部分声音传播速度较大，而竹黄较小；王思敏还发现热处理可以提高毛竹竹片的振动传递效率。针对竹地板，王思敏等基于 研究了平拼与侧拼结构和相应的炭化处理对其声学性能的影响，结果表明炭化侧拼地板具有较优的声学振动品质。而江泽慧等从宏观与微观构造、化学组分与物理性质、选材加工角度阐述了影响竹材声学振动特性的主要因素，并总结出改良的主要方法。目前，研究各种非乐器用竹材的声学振动特性主要是应用无损检测手段，利用竹质材料的声学振动性能可以预测其静态力学性能。而在日常生活当中，物体振动发出的过高分贝的声音常常引起噪音问题，抗振减振成为研究的重点。振动阻尼特性是指摇荡系统或振动系统收到阻滞使能量随时间而消耗的物理现象，该参数对交通、建筑、机械等领域的抗振降噪具有重要意义。许多具有从纳米尺度到宏观尺度梯度结构的材料都具有良好的阻尼性能，因此同为梯度结构的竹材同样拥有较优的阻尼性能，且阻尼系数比金属大，其具备的缓冲及减少噪音等功能可代替现有材料广泛应用在建筑居住、交通运输、体育运动、农业灌溉和城市管廊等方面。在微米级维管束多孔结构中，竹节部位的维管束偏离生长方向，内部胞壁物质增多且大分子链排列凌乱，分子链内部摩擦加剧，增加内耗；而在纳米级纤维素分子链结构中，纤维素和木质素组分的分子链相互摩擦也会产生内耗，这些内耗都会增加竹材的振动阻尼性能。在建筑居住方面，竹纤维复合材料开发的墙板具有高阻尼性，可用于木结构建筑，有效隔离噪音、减小振动。在交通运输方面，竹质复合阻尼材料应用于铁路列车地板，可降低车厢内的结构辐射噪声，提高车厢内舒适性。而在农业灌溉和城市管廊方面，竹缠绕复合管的应用可减少水流冲击产生的噪音影响，发挥竹材阻尼效果好的特点。对于家具及室内装饰，常见的阻尼材料如金属等被应用于铰链、抽屉等需要缓冲的结构部位，未来也可考虑用竹材代替金属应用在家具中的缓冲部位，减少噪音的产生。综上，对于竹材声学振动的研究主要集中在竹乐器上，主要是因为我国竹乐器历史悠久，人们追求更加完美的竹乐器声学品质和对制造工艺的不断创新，因此针对竹材声学振动性能品质的研究较全面，但广度和深度远不及木材。在家具及室内装饰领域中，竹材声学振动特性的研究较欠缺，限制了竹材在家装领域的应用。竹材的吸声性能材料的吸声性能一定程度上由吸声率决定，吸声率即吸声系数，是指被这种材料吸收或者未被这种材料表面反射的能量占入射能量的比例。按 驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范测试，可获得材料的吸声系数。多孔型吸声材料是现在应用较广泛的吸声材料之一，而竹材是属多孔毛细管胶体的多孔性材料，主要包括了细胞腔、细胞间隙及纹孔等多尺度孔隙结构，这些孔隙结构在吸声方面起到了决定性的作用，孔隙率对吸声系数有很大影响，。竹材主要由纤维细胞和薄壁细胞组成，纤维细胞中空扁圆，易产生较大的内腔表面积，这些结构使得竹纤维的吸音性良好；而竹薄壁细胞除了具有大细胞腔外，其细胞壁上还分布着数量和形态不均的纹孔，纹孔存在使得竹材微纤丝角走向发生变化，起到吸声作用。国内外学者针对竹材吸声性能的研究主要集中在不同竹种及处理工艺的竹地板和一些竹质人造板的吸声效果方面，同时也对一些竹纤维复合材料开展系列性的研究。等发现竹子利用其空心结构排列于阻抗管内，其吸声系数能达到 以上，可替代纤维结构作为天然吸声材料。关明杰等研究表明丛生竹地板的吸声性能优于毛竹（散生竹）地板，因为丛生竹的微观构造更复杂，声波在其内部的传播路径和时间延长，声波能量衰减，所以性能更优；高婕则发现在小于 的低频区以及 的高频区，丛生竹地板的吸声效果优于毛竹地板，而在 的频率段，吸声效果则相反。曹倚中等研究了竹材胶合板的吸声性能，表明由于竹材胶合板密度大、孔隙率小，因此对高频入射声波不具有吸收优势，同时探讨了提高胶合板吸声性能的方法；而 等发现低密度马来甜龙竹刨花板作为吸声板的表现要优于 第 卷第 期李兮卉等：竹材听觉特性及其在室内环境中应用的研究现状 中密度刨花板。小泉等研究了爆竹纤维制成的吸声材料的吸声效果，发现其具有与玻璃棉相似的吸声效果，同时也解决了竹纤维作为吸声材料过重的问题。总的来说，国内外学者对竹材的吸声性能研究比较详实，竹材作为多孔型材料对发生在 内的高频噪声是最有效的，高频声波可加快空隙间空气质点的振动速度和空气与孔壁的热交换，这就使多孔材料具有良好的高频吸声性能。同时，密度低的材料吸声性能更好。在日后的研究中可将竹材与其他材料相复合，将多孔吸声与共振吸声功能相结合，开发高性能的竹质吸声材料。另外，应更加深入系统地研究材料和结构对竹质吸声材料性能的影响，对现有竹吸声板材的生产工艺进行改良，降低生产成本，实现优质化生产。竹材的隔声性能隔声材料一般用于抑制声音透射，从而减弱噪声对环境的影响，保证了室内环境的私密性。不透气的固体材料，对于空气中传播的声波都有隔声效果，隔声效果的好坏由材料单位面积的质量决定。而竹材本身作为多孔性材料，且密度较小，隔声效果有限，因此对竹材隔声性质的研究较少，大多围绕竹质人造板以及竹木复合材料的隔声性能进行研究。莊純合等研究了孟宗竹（）积层壁板作为轻量隔墙时的隔声性能，并通过加入玻璃纤维棉和 发泡棉等吸声材料进行隔声效果的改善。江泽慧等还对竹材墙体的隔声和保温进行了测定及评判，结果表明竹材墙体的隔声性能达到建筑墙体标准。高黎等对 种不同结构的竹木组合预制墙体构件进行隔声性能的测评，发现竹木空心墙体的隔声性能最差，而竹胶合板覆面夹芯墙体的隔声性能最优。孙启祥对不同材质地板的撞击声隔声性能进行测定，发现竹杉复合地板轻量撞击的隔声效果优于全竹及其他多种木地板，以此说明动刚度越小，地板的轻量撞击声隔声性能越好。楼利琴等对竹原纤维 聚氨酯复合材料的隔音性能进行了研究，发现竹原纤维采用直铺法制成的复合材料隔音性能最好；同时竹原纤维经氢氧化钠溶液处理后制成的复合材料其隔音性能显著提高；复合材料的隔音性能也随着竹原纤维质量分数增加而增大。相较于木材，目前国内外对于竹材的听觉特性研究还不够全面。尤其是竹材本身的隔声方面，未见专题研究，大多数研究对象局限于竹材衍生材料。但对于竹材听觉特性在家具及室内装饰上的应用多数涉及到吸声和隔声，因此竹材这 个方面的特性还需进一步研究，以此挖掘竹材更优的听觉特性，为创造良好的居住声环境提供科学的理论基础。竹材的听觉特性在室内环境中的应用在“以竹代木”的时代背景下，竹材因其优良的物理力学性能，逐渐被大量应用在家具及室内装饰领域（表）。目前，竹材的优良听觉特性主要体现在地板以及墙体等室内环境中。在地板中的应用地板是最常见的室内装饰材料，其吸声性能和隔声性能的好坏在一定程度上影响着室内声环境。目前竹地板在室内的应用已较成熟，但学者们通常关注其燃烧性能、尺寸稳定性、耐水耐磨性等，对于竹地板减振、隔声等听觉特性的研究还较薄弱。实际上，竹地板具有典型的多孔性材料吸声特性，中高频吸声性能明显优于低频吸声性能，可以有效减弱和抑制踩踏地板产生的噪声，以及经由地板传递的声音。有学者已在竹地板内部增加吸声结构，比如留有空腔以及增加空腔距离、填充吸声材料等，有效提高竹地板的低频吸声效果。