The influence of selected factors on dynamic properties of wood

Ginevra Manzo

Disertační práce

Vliv vybraných faktorů na dynamické vlastnosti dřeva

Anotace:

SHRNUTÍ Disciplína dynamických vlastností dřeva je komplexní a široké téma a akustické vlastnosti jsou jeho součástí. Oblast akustiky zahrnuje mnoho aplikací. Jednou z nejcitlivějších aplikací akustické vědy je akustika hudebních nástrojů. Důvod spočívá v ekonomické složce (kvalitní nástroje jsou drahé), vnímání produkce a zesílení zvuku lidským uchem a v neposlední řadě hudební nástroje jsou choulostivé a vyžadují nedestruktivní analýzu. Zkušenosti výrobců houslí a všech výrobců dřevěných nástrojů vedly k definici nejvhodnejších dřevin pro hudební nástroje s ohledem na specifické vlastnosti dřeva a typ nástrojů. Protože tomu tak je, optimalizace výroby nástrojů vyžaduje co nejpřesnější definici toho, co a jak konkrétně akustické parametry ovlivňují. Mezi těmito faktory mohou být anizotropie dřeva, makrostruktura, hygroskopičnost dřeva, přítomnost extraktivních látek atd. Cílem doktorské práce je definovat vliv konkrétních faktorů na materiál a akustické vlastnosti jednotlivých hudebních nástrojů. K měření a výpočtu akustických vlastností byly použity nedestruktivní metody a hodnoceny: rychlost zvuku, modul pružnosti, akustická konstanta, impedance, tlumení, účinnost akustické konverze a relativní účinnost akustické konverze. Byla provedena analýza konečných prvků za účelem predikce chování vzorku metodou při volném kmitání. První krok byl zaměřen na rezonanční desku piana (jádro puana), konkrétně na druh Picea abies. Byly definovány vztahy mezi orientací letokruhů a odklonem vláken. Dobrou kvalitu rezonanční desky definují: úhel odklonu letokruhů v průřezu by měl být menší než 15º a podélný odklon vláken by měl být menší než 1º. Procento letního dřeva vykazovalo silný vztah se specifickými akustickými vlastnostmi: akustickou konstantou (konstantou vyzařování) v důsledku hustoty dřeva. Bylo zjištěno, že čím vyšší jebhustota, tím vyšší je podélná rychlost zvuku. Tento trend je však narušen, pokud hustota překročí 440 kg/m3. Poté byly vyvinuty středně a vysoce inyenzivní tepelné modifikace smrku. Bobtnání se výrazně snížilo a došlo k rozměrové stabilizaci. Nový materiálový model byl vytvořen pro predikci chování modifikovaného dřeva v různých podmínkách. Další krok práce byl zaměřen na bicí nástroje, konkrétně na idiofonní marimbu. Byly analyzovány tři tropické dřeviny z různých oblastí původu: Padouk, Jatobà a Merbau. Akustické vlastnosti byly vypočteny nedestruktivní metodou hodnocení. Výsledky byly porovnány s akustickými parametry z literatury. Po důkladném zvážení by tato tři tropická dřeva mohla být použita při výrobě marimby. Dále byl zkoumán vliv extraktivních látek na tři tropická dřeva. Vzorky byly na různou dobu máčeny v methanolu. Pak se ukázaly proměnlivé výsledky - za normálních okolností docházelo ke změnám barvy před a po ošetření. V důsledku vývoje veřejného mínění je novým tématem i ochrana konkrétních tropických dřev. Další tři evropské dřeviny z České republiky proto byly tedy zkoumány v oblasti využití pro idiofony. Cílem bylo nahradit tropická dřeva evropskými. Z evropských druhů to byly habr obecný, javor klen a buk lesní. Byla použita frekvenčnĕ rezonanční metoda. Získané akustické výstupy byly porovnány s literárními údaji patřícími k idiofonovým nástrojům. Dva ze tří druhů odpovídaly literárním údajům: javor a buk. Pokud by se však použily ve výrobě, měla by marimba nižší kvalitu. Proto byl vytvořen specifický materiálový model využívající kombinaci zjištěných vlastností materiálu a vlastností materiálů z literatury k předpovědi chování dvou evropských dřev používaných v nástrojích jako marimba.

Abstract:

SUMMARY The discipline of dynamic properties is a complex and wide subject, and the acoustic properties are part of these. The field of Acoustics includes many applications. One of the most delicate applications of acoustic science is the acoustics in musical instruments. The reason lies in the economic component (high-quality instruments are expensive), the human ear's perception of production and amplification of the sound, and, last but not least, musical instruments are delicate and require non-destructive analysis. The experience of violin makers and all wood instrument manufacturers defined the best wood species for musical instruments referring to the specific functions of the wood and type of instruments. Since that is the case, the optimization of manufacturing needs an accurate definition of what and how specific factors influence the acoustic parameters. The factors can be the anisotropy of wood, macrostructure, hygroscopicity of wood, presence of extractives, etc. The purpose of this doctoral study is to define the influence of specific factors on acoustic properties referred to by different musical instruments. Non-destructive evaluation methodologies were applied to measure and calculate the acoustic properties: sound velocity, specific modulus of elasticity, acoustic constant, impedance, damping coefficient, acoustic conversion efficiency and relative acoustic conversion efficiency. Finite element analysis was performed to predict the sample behaviour of the free-free testing method. The first step was focused on the piano soundboard (the core of the piano instrument), specifically on Picea abies species (Norway spruce). Relations between the orientation of annual rings and the slope of grain were defined. To guarantee good soundboard manufacturing quality: the angle of annual rings in the cross section should be less than 15º and the grain slope should be less than 1º. The percentage of latewood showed a strong relation with a specific acoustic property: the acoustic constant (or radiation) due to its density dependence. Thus, a particular result occurred: generally, the higher the density, the higher the longitudinal sound velocity. Nevertheless, this trend is interrupted if density exceeds 440 kg/m3. Then, medium and high thermal modifications of Norway spruce were developed. The swelling was significantly reduced and dimensional stability occurred. New Material model was built up to predict wood behaviour in different conditions. Another step of the thesis focused on percussion instruments, specifically idiophone marimba. Three Tropical wood species from different origin regions were analysed: Padouk, Jatobà and Merbau. These three woods are not involved in marimba manufacturing. Acoustic properties by non-destructive evaluation method were calculated. The results were compared with idiophone literature acoustic parameters. After accurate consideration, these three Tropical woods might be employed in marimba manufacturing. Furthermore, the influence of extractives on the three Tropical woods was investigated. Samples were soaked in methanol for different periods. Then, variable results turned out; that normally, light variations before and after the treatment occurred. Recently, a new topic took place in public opinion. This is the conservation of particular wood species. So, the other three European wood species from the Czech Republic were investigated still in the idiophone field. The aim was to replace Tropical with European woods. The European species were: Common hornbeam, Norway maple and European beech. The transitory excitation method was employed. The obtained acoustic outputs were compared with the literature data belonging to the idiophone instruments. Two of the three species matched the literature data: Norway maple and European beech. However, if employed in manufacturing, the marimba would perform less quality. Hence, a specific Material model was built up employing a combination of own

Abstract:

and literature material properties to predict the behaviour of the two European wooden bars used in marimba instruments.

Klíčová slova

Dynamické vlastnosti, Akustické vlastnosti, Nedeatruktivní testování, Metoda konečných prvků, Makrostruktura dřeva, Extrakty, Rezonanční smrk, Tropické dřeviny

Keywords

Dynamic properties, Acoustic properties, Macrostructure of wood, Extractives, Resonance Spruce, Tropical wood species, Finite Element Method, Non-destructive Evaluation

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 10. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Jan Tippner, Ph.D.
• Oponent: Vladimír Gryc, Ph.D., prof. Ing., Aleš Staže, externi, Ruppert Wimmer, externi

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Dřevařské inženýrství / Technologie zpracování dřeva