中央音乐学院提琴制作研究中心在提琴材料化学处理方面的研究

天马健行

中央音乐学院提琴制作研究中心在提琴材料化学处理方面的研究

虽然关于提琴材料的声学品质的参数都是木材的物理性能的参数，但是它们与木材的化学性能有着密不可分的关系。通过化学处理方法能提高达到优化提琴用材料的音响性质的目的。我们采用的化学处理方法，主要是设法减少空气湿度对木材的影响，使它接近古老木材的特性，从而提高提琴的音响特性。另一方面，从木材的物化性能和它的音响特性关系中，我们知道如果提高木材的密度，会损伤它的音响特性。因此，我们选用的处理方法，必须以不提高或少提高木材的密度为前提。

古老木材的主要特性，是同样在潮湿的条件下，它的吸水率要低于新木材。古琴对空气温湿度的相关性要比现代新琴为小。优良的声学木材具有较高的杨氏模量，较低的比重、较快的传声速度以及较低的吸水率，杨氏模量和比重随着木材的含水率不同而变化，含水率越高，杨氏弹性模量越小，而比重则越大。木材的动弹性模量与它的含水量成反比，木材的密度则与含水量成正比。木材的含水量高，会损伤它的音响特性，此外，作为声学木材在相对湿度变化的环境里，木材的吸水率也是一个极重要的条件，木材的含水率与相对湿度下，由于吸水率的不同，使木材的含水率也不相同，例如，新木材的含水率大大高于长期存放的木材，而古老木材则最低。

木材的吸水性能是由于它们含有果胶酸(Pectic Acids)及半纤维素(Hemicellulose)，它们的吸水性很强，在松木（Spruce）及槭木(Maple)中含达25—33%。要提高木材的声学性能就要改变这些物质，改变其吸水性能，人们采用的物理化学处理方法，生物化学处理方法，以及化学处理方法，都为了一个共同的目的—改变吸水性，并保持其密度低和透气性好的优良性能。木材中纤维素和半纤维素中含有游离羟基，羟基是极性基团，易于形成氢键结合，吸附极性的水分子，随着吸水量的增加，引起纤维素的膨胀和纤维素之间氢键的破裂，产生新的游离羟基，继续吸附水分子。纤维素是由链分子高度整齐排列的结晶区和无定形区两部分构成的，它们之间纤维素的结晶度的比率一般在70%左右。通过X光射线图测定，水的吸附只发生在纤维素的无定形区，结晶区内没有吸附的水分子，结晶区内的氢键也没有破坏，链分子的有序排列也没有改变。木材细胞壁上的聚合物能通过它的羟基和酚基与有机化学品铰链相结合。在温和的反应条件下，化学药品与羟基，酚基形成稳定的化学链。通过化学处理减少木材纤维素无定形区的游离羟基，以及其他组分中的游离羟基，可以改善木材的吸水率。因此，许多活泼的化学药品已被用于木材改性

减少游离羟基的化学处理方法很多。但要以不明显提高木材的密度为前提，必须选择分子量小，官能度大的处理剂，我们在实验中所采用的处理剂都是根据这要求而确定的。

    考虑到处理后的木材密度要求，我们采用高铰链度和低分子量的化学报告，并尽量降低其使用量，我们选用的化学药品是硅烷（Silane）及甲醇（Formaldehyde）关于这些处理剂，也有资料报导，但有的用量过多，有的反应条件太强烈，破坏了木材的某些性能，例如：用甲醇处理时，用强酸作催化剂，破坏了木材的强度和硬度，我们采用较温和的反应条件，使用较低浓度的酸。

我们采用的试验方法为：

将试样分成二组（200mm×16mm×7mm），每组三支，一组作处理试验，一组作为对比，在真空烘箱100℃烘4小时经过化学处理，然后在75%相对湿度下放置48小时，测定含水率。比较二组木样的吸水率，计算处理后吸水率减少的数据，并在不同的含水率情况下，测定传声速度，求得含水率与传声速度之间的关系。在这个阶段的实验中，我们共采用了十余种化学处理剂，对数十个试样进行了九个方面的试验，求得了几百个数据。选择其中较好的处理方法，在三只提琴（白琴）上试用，取得了初步效果。兹将实验结论和处理效果分述如下：

1、杉木的传声速度，随含水率不同而改变。含水率增加1%，传声速度下降67米/秒。

2、杉木经100℃热处理15小时后，在含水率相同时，传声速度增加130米/秒。

3、杉木用#1处理剂处理后在含水率相同的情况下，传声速度增加160米/秒。

4、 #2处理剂的处理效果，在75%相对湿度及室温条件下，杉木吸水率下降25%，槭木下降41.6%。在含水率相同的情况下，杉木传声速度增加150米/秒。槭木增加140米/秒。

5、木材经150℃处理4小时，在75%相对湿度及室温下，杉木含水率下降8.4%，槭木含水率下降13.4%。

6、各种处理剂在玻璃板上成膜试验，#4处理剂成膜情况尚好，#7、#12处理剂成膜良好，膜透明清晰，附着力较理想。

7、各种处理剂对木材吸水率的影响（在相同的温湿度下）列表如下：



表Ι木材含水率与传声速度的关系：

杉木木样一组
含水率
平均传声速度

干木  
  
6440米/秒

试样
1.77%
6380米/秒

试样
5.45%
6130米/秒




结论：含水率增加1%，传声速度下降67米/秒



表Ⅱ.杉木经硅烷处理后，传声速度的变化

杉木木样二组
木样含水率
传声速度

处理前
4.4%
6070米/秒

处理后干木
  
6550米/秒

室温48小时
1.27%
6470米/秒

75%相对湿度48小时
4.86%
6210米/秒


用回归法计算处理木样在含水率4.44%时，传声速度为6210米/秒。



结论：处理后木样的传声速度每减少1%含水量，增快176米/秒。



表Ⅲ.不同木材经化学处理后，放置在75%相对湿度，室温下48小时，含水率的变化

处理剂
                       吸水率

        杉木
        槭木

硅烷1
       -39.6%
      -32.2%

       硅烷2
       -31.5%
      -30.6%

       硅烷3
       -32.9%
      -24.7%

       硅烷4
       -30.6%
      -22.8%

       甲醛
       -41.9%
      -34.6%

       硅酸钾
       +42.9%
      -18.3%




结论：处理后木样的吸水率明显下降，只有一例用硅酸钾处理的例外。



应该指出由于篇幅的限制上面的表格只列出了一部分数据。

根据上述试验结果，选择效果较好的处理剂及处理方法应用于三只白琴上。

#1及#2白琴；用#8、#11号处理剂综合处理。

#3白琴；用#15、#2及#17号处理剂综合处理后请提琴演奏家评定，他们无不赞赏其高超的音质。

琴瘾

已存入小提琴制做专集。谢谢！

老拙石

一篇很好的参考文献!

回来火车

【乐器】杂志上以前看到过,非常好的文章.但是.一直没有找到后续的一些研究进展.

auxint

为科学的探索试验叫好！ 搜一搜，按现代科学技术组织实施的研究在轻工部时代就进行得很深入了，早年的乙醇木材处理，研究试验的规模要大得多，结果较可信。前些年中音院和泰兴搞的微生物木材老化琴，商业炒作了一阵子，有点急功近利的感觉。现在可以动用的科技手段大大丰富了，可惜人心浮躁了。

左嗓子

看报

何乾忠

这个材料化学处理研究对声音的振动不起作用，路子走偏了。

leilei0611

以下是引用何乾忠在2012-1-4 15:44:00的发言：
这个材料化学处理研究对声音的振动不起作用，路子走偏了。

何时能跟何老师学学面背板的匹配问题！

ba5rw

材料化学处理对声音的振动不是一般二般的影响，而是重大的影响，我切不说云杉，就用纸巾比较就非常的显著，需要上图改天我拍一张图给大家瞧瞧。 么有处理过的纸巾软绵绵无法挺起，压根发不出弹击声，而处理过的纸巾则硬挺着，弹击之能发出显著的板音。 只是这种影响是否朝需要的方向走那还得看最终的成效的。

何乾忠

全世界的提琴制作学校对声音的研究都进入了一个很大的误区，包括乐器研究所和泰兴乐器公司，他们的研究方向是错误的，到头来没有任何效果，只能是竹篮打水一场空。这里面有巨大秘密，其深奥程度非比寻常，在这里不可明示。

左嗓子

坚决拥护并同意何大师理论!

北京乐器展肯定不去吧?

邦德他侄

除开急功进利，还是急功进利。一切的非自然手段 对材料都是有害无益的。材料的生命力会因为人为处理方法而窒息，失去生命活力。

邦德他侄

据说有一种方法：个人感觉略为靠谱一点。把基本干了的木料放在木碳中，或是草木灰中诸存。木料和木碳属性相生，对木质不会起到破坏作用。

ba5rw

以下是引用邦德他侄在2014-5-26 9:55:00的发言：
除开急功进利，还是急功进利。一切的非自然手段 对材料都是有害无益的。材料的生命力会因为人为处理方法而窒息，失去生命活力。

这个观点还有待商榷，即使斯特拉迪瓦里自己也对材料做了诸多处理，这个可是有文献资料的，只是我不能判断真假。但是从收藏价值上来说，当然越是自然的东西越贵，这是经济规律决定的，因为自然的材料偶然性太强，所以稀罕，物以稀为贵吧。 比如我最近喜欢琥珀，左思右想，不就是树脂吗？在我的概念里有机物很不稳定，所以生物化石基本上都失去了有机物的化学结构，要不石化要不碳化，但是唯有琥珀保持了一定的的树脂化学结构和特征，千万年的树脂化石（这个不确切，并没有化成石，呵呵）打磨起来还有松香味或煤油味，还存在挥发物质。但是人造琥珀无论物理还是化学稳定性都将胜过天然琥珀，可是就是卖不上价，除非搞欺骗，那是犯罪，原因就是天然的不可再生和复制，人造可以海量生产。

wq8019

以下是引用左嗓子在2014-5-26 4:28:00的发言：
坚决拥护并同意何大师理论!

北京乐器展肯定不去吧?

同问。

何乾忠

以下是引用左嗓子在2014-5-26 4:28:00的发言：
坚决拥护并同意何大师理论!

北京乐器展肯定不去吧?

已经实践证明他们的方法要不得，本人这里现在已经有非常好的办法，可以有效的解决声音上的难题，百分之百的可靠。

zhao668811

 研究的方向和目的明确，方法可行并取得好的效果，可以肯定。这是一篇研究简介，不是研究论文，因为缺少试验方法，分析评价方法，和实验结果的讨论，结论和参考文献等部分。从选用的几种化学处理剂看，选用数量较少。用甲醛或聚甲醛处理不可取，因这类化合物对人体有害或致癌。用硅烷处理较好，硅烷有疏水性，可以在木材表面形成一层憎水的涂层，减少木材的吸水性。