CC BY
21
УДК 630*811.112: 504.055
Е. Б. Темнова, П. М. Мазуркин, А. Р. Хабибуллина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ
Ключевые слова: музыкальные инструменты, ультразвук, резонансная древесина, ультразвуковые колебания.
Рассмотрен неразрушающий способ определения качества резонансной древесины, основанный на измерении скорости звука (на приборе «Пульсар-1.0»). Способ позволяет с высокой производительностью определять резонансные качества деталей музыкальных инструментов в процессе изготовления, а так же сертифицировать по резонансным свойствам колотый сортимент, высушенный после расколки резонансных кряжей.
Keywords: musical instruments, ultrasound, resonant wood, ultrasonic vibrations.
Considered a nondestructive method for determining the quality of the resonant wood, based on the measurement of the speed of sound (on the device "Pulsar-1.0"). The method makes it possible to determine with high performance resonant part quality musical instruments in the manufacturing process, as well as by certified vat on resonant properties of split assortment dried after the splitting of the resonance ridges.
Материалом для изготовления деталей музыкальных инструментов традиционно служит резонансная древесина ели и березы с высокими акустическими свойствами. При этом все мастера, изготовители уникальных инструментов, для единичного производства при ручной доводке до совершенства каждого музыкального инструмента, выбирали древесину по одним, только известным им признакам. Резонансная древесина должна обладать исключительными акустическими свойствами.
На заводах музыкальных инструментов, в условиях массового производства и разделения труда, качество материалов, для изготовления музыкальных инструментов, определяется, в большинстве случаев, визуально и по ГОСТ 6900 - 69 «Заготовки деревянные резонансные для музыкальных инструментов».
Оптимальная ширина годичных слоев в резонансной древесине ели лежит в пределах 1-4 мм; оптимальное значение содержания поздней древесины - в пределах 5-20%. При этом резонансная древесина должна быть с одинаковыми слоями (колебание в числе годичных слоев на двух соседних сантиметрах не должно превышать 30%). Между заболонью и спелой древесиной ели в акустическом отношении разницы нет. Крень, как и наклон волокон (снижение показатель на 6% при наклоне волокон 7%), снижает константу излучения вследствие повышения плотности и снижения модуля упругости.
Дальнейшее совершенствование музыкальных инструментов при массовом производстве во многом зависит от развития научной базы для обоснования отбора качественного сырья.
Для улучшения качества деталей и снижения трудоемкости поверки деталей, рассмотрим неразрушающий способ определения резонансной древесины, основанный на измерении скорости звука в тангенциальном направлении анизотропии древесины [1-7].
В ультразвуковых испытаниях применяются наконечники излучателя и приемника конусной формы. Важным является то, что объект измерения при повторных наблюдениях геометрически не меняется. При этом небольшое углубление наконечни-
ков датчиков ультразвуковых колебаний (УЗК), приемника и излучателя в древесину только повышает точность измерений за счет улучшения контакта [1]. Но надо учитывать фактор, что при внедрении конусных насадок в древесину происходит уплотнение материала в месте контакта, приводящее к повышению плотности, соответственно к замедлению скорости УЗК в этой точке. На малых длинах это сильно сказывается.
Точность ультразвукового метода зависит от геометрических размеров образца, частоты колебаний применяемых пьезокристаллических преобразователей, неоднородности строения древесины, акустического контакта и других факторов. В зависимости от поперечного сечения образца и частоты колебаний может произойти пространственная дисперсия (рассеивание) звуковых колебаний. Основным критерием оценки скорости распространения продольных ультразвуковых волн является отношение длины волны к поперечному сечению образца. Длина волны колебаний должна быть намного больше поперечного сечения образца.
Кроме того, конические наконечники можно ориентировать в зону ранней древесины (много годичных слоев или одногодичного слоя), что повышает точность оценки качества резонансных свойств у древесины колотых сортиментов по значениям скорости ультразвука.
Согласно данным проведенных экспериментов, тангенциальное направление древесины, как анизотропного материала, оказывается наименее вариабельным, по сравнению с радиальным и продольным [2]. Поэтому при нескольких измерениях одной детали (заготовки, образца, колотого сортимента и т.д.) получаются значения скорости УЗК с наименьшим разбросом определяемых значений.
При использовании конусных насадок возникает необходимость в вычислении времени прохождения УЗК в насадках для правильного определения времени прохождения волны в образце [3 - 5].
При ультразвуковых испытаниях древесины рассматривались детали музыкальных инструментов в Республике Беларусь на ОАО «Борисовское предприятие музыкальных инструментов».
Цель статьи - определение качества деталей и заготовок в процессе производства музыкальных инструментов из различных пород древесины (береза, ель) и из разных мест произрастания.
Измерения были выполнены на двух деталях - цимбал и пианино, разобранных в ходе исследований на составляющие заготовки.
Все измерения проводились при пяти повторах. Длины измеряемых участков фиксировали и измеряли время прохождения ультразвуковых колебаний (УЗК) с частотой 60 кГц на датчиках.
Контакт датчиков (излучатель и приемник) прибора «Пульсар-1.0» при плоской поверхности требует высокого качества формы и чистоты обработанной поверхности торцов отрезков. Поэтому, по патенту [1], применяли конусные насадки № 2 [2, 3], выбранные тарировкой на стандартном образце по ГОСТ 16483.31-74 [6] из ели. Насадки просты по конструкции и обеспечивают точечный контакт с неплоской поверхностью образцов.
Все наблюдения, с группировкой и последующим усреднением, учитывались при моделировании в программной среде Curve Expert и Table Curve 3D. Основной переменной является длина l, мм в точках измерения деталей. Показателями были приняты следующий ряд зависимых факторов (табл. 1): плотность р древесины по деталям, кг/м3; время
прохождения УЗК t0щ, мкс; время прохождения УЗК с вычетом на конусные насадки t мкс; скорость ультразвука С как отношение C = l /1; акустическая константа K как отношение K = C / р.
Таблица 1 - Табличная модель физико-акустических показателей деталей и заготовок
№ l, мм tобщ , мкс t, мкс С, м/с P, кг/м3 K , м4/(кг с) Q, кг/(м2 с) V, м3 m, г
Уголок фортепиано (древесина ели произрастающей на территории Беларусии) 510х256х10 мм
Продольное направление анизотропии
1 353, 8 86,1 0 70,5 0 4109, 175 473,3 46 8,681 1,95E +06 6,528 E-04 0,30 9
Радиальное направление анизотропии
1 352, 7 351, 8 336, 2 1049, 1 473,3 46 2,216 4,97E +05 6,528 E-04 0,30 9
Тангенциальное направление анизотропии
1 9,9 31,2 15,6 0 634,6 15 473,3 46 1,341 3,00E +05 6,528 E-04 0,30 9
Усилитель уголка фортепиано (древесина березы произрастающая на территории Беларусии) 440х34х24 мм
Продольное направление анизотропии
1 460, 2 107, 8 92,2 4991, 323 352,3 284 14,16 7 1,76E +06 8,486 E-04 299
Радиальное направление анизотропии
1 33,8 44,2 28,6 1181, 818 352,3 284 3,354 4,16E +05 8,486 E-04 299
Тангенциальное направление анизотропии
1 24,2 38,9 23,3 1038, 627 352,3 28 2,948 3,66E +05 8,486 E-04 299
Цимбал (верхний пласт с усиливающими ребрами); материал -ель сибирская 634х466х10 мм
Продольное направление анизотропии
1 813 172, 3 156, 7 5188, 258 291,2 57 17,81 3 1,51E +06 2,95E -03 860, 5
Радиальное направление анизотропии
1 464 310, 6 295, 0 1572, 881 291,2 57 5,400 4,58E +05 2,95E -03 860, 5
Тангенциальное направление анизотропии
1 5 26,8 11,2 446,4 29 291,2 57 1,533 1,30E +05 2,95E -03 860, 5
Причиной небольшого значения времени прохождения УЗК в тангенциальном направлении, может служить малая длина озвучиваемой ширины материала [7]. Так же надо учитывать то, что эти заготовки получены путем разбора деталей, что определяет остатки клея в местах соединения. При транспортировке древесных образцов до места исследования, были получены небольшие трещины на деталях. Все это может служить объяснением неравномерности показателей времени прохождения УЗК через образцы.
Составная деталь уголка для фортепиано, сделанная из ели произрастающей на территории Беларусии, имеет значительно меньший показатель акустической константы по сравнению с деталью, изготовленной из древесины березы, особенно в тангенциальном направлении.
Изменение времени прохожде- Изменение акустической кон-ния УЗК от нарастающей дли- станты от нарастающей длины ны измеряемых отрезков измеряемых отрезков
а) уголок пианино, ель, продольное направление анизотропии
142.6 180.8 219.0 257.2 295.4 333.6 371.8
б) уголок пианино, ель, радиальное направление анизотропии
457.3 463.1 468.9 474.6 480.4 486.2 492.0
в) уголок пианино, береза, продольное направление анизотропии
г) деталь цимбал, ель, продольное направление анизотропии
Рис. 1 - Изменение времени УЗК и акустической константы от длины детали
Графики на рисунке 1 показывает зависимость времени прохождения УЗК t и акустической константы K от длины детали в точке измерения на заготовках для уголка пианинного и верхней части цимбал.
По результатам графиков можно сделать вывод, что связь между длиной прозвучиваемого отрезка на детали и скорости прохождения УЗК имеют разную тесноту связи. Деталь цимбал имеет коэффициент корреляции k = 0,399, что обеспечивает слабую связь между рассматриваемыми факторами. Но при этом четко прослеживается экспоненциальный рост. В детали уголка пианино, четко выражен закон спада (гибели) при коэффициенте корреляции радиально - k = 0,723 и продольно k = 0,956, что утверждает сильную тесноту связи этих параметров.
Из-за малых размеров не во всех направлениях волокон можно фиксировать время УЗК для моделирования в программной среде Curve Expert. В связи с этим были проведены дополнительные моделирование программной среде Table Curve 3D.
Проанализировав показания на детали цимбал, состоящих из склеенных дощечек, можно заметить, что они примерно одинаковые по своим акустическим свойствам, что дает равномерную картину показателей.
Видно, что в тангенциальном направлении скорость прохождения звука выше, равномерна в местах прозвучивания (даже с учетом масштабного фактора), а коэффициент сопротивления материала ниже, что подтверждает лучшее прохождение УЗК в тангенциальном направлении.
Можно сделать вывод, что ель, произрастающая в Беларуси, из-за более широких годичных слоев, имеет более низкую скорость прохождения ультразвуковых колебаний, а также больший разброс значений. Следовательно, и более худшие акустические свойства.
Погрешность экспериментальной скорости по показаниям прибора, при внедрении конусных насадок в древесину, зависит от уплотнения древесины в месте контакта. Видно, чем меньше длина детали, тем больше погрешность. Это объясняется тем, что с увеличением длины влияние местного уплотнения древесины снижается, погрешность уменьшается, становятся точнее показания, а экспериментальная скорость по прибору приближается расчетной скорости.
Из всего выше сказанного ясно, что предложенный метод проверки качества деталей различных музыкальных инструментов, основан на высокой стабильности измеренных значений скорости ультразвука в тангенциальном направлении анизотропии древесины, по сравнению с продольным и
радиальным направлениями. Предлагаемый способ проверки позволяет на заводах музыкальных инструментов сертифицировать с высокой производительностью детали в межоперационном процессе сборки готовых музыкальных изделий.
Неразрушающий способ определения качества резонансной древесины, основанный на измерении скорости звука, может найти применение при проведении исследований древесных материалов, полученных в результате переработки древесных отходов. [8, 9, 10, 11, 12, 13].
Литература
1. Пат. РФ 2334984 (2006) МПК 001Ш3/46 №2006126506/12; опубл. 27.09.2008.
2. Е.Б. Темнова, Успехи современного естествознания, 8,. 8-15 (2009)
3. Е.Б. Темнова, Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 3. 42-48 (2011)
4. Е.Б. Темнова, Современные наукоемкие технологии, 1,. 25-32 (2011)
5. П.М. Мазуркин, Е.Б. Темнова Казанская наука, Казань 1, 23-28 (2010)
6. ГОСТ 16483.31-74. Москва. Изд-во стандартов, 8 (1974)
7. П.М. Мазуркин, Е.Б. Деревообрабатывающая промышленность. Москва. 4, 21-23 (2010)
8. Сафин, Р.Г. Комплексная переработка древесных отходов паровзрывным методом в аппарате высокого давления целлюлозы [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Д.Б. Просвирников, Р.Г. Сафин, Е.И. Байгильдеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №2. - С. 124-131.
9. Сафин, Р.Г. Исследование влияния высокотемпературный обработки на свойства продуктов, полученных методом паровзрывного гидролиза лигноцеллюлозного материала [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №12. - С. 58-66.
10. Сафин, Р.Г. Анализ современного состояния производства теплоизоляционных материалов и возможности создания новых материалов на основе отходов деревообработки [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Л.И. Левашко // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №18. - С. 63-68.
11. Сафин, Р.Г. Перспективы развития лесопромышленного комплекса РТ на базе научных разработок кафедр лесотехнического профиля КНИТУ [Текст]/ Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №3. - С. 22-27.
12. Сафин, Р.Г. Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе древесного наполнителя [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. -Т. 15. №11. - С. 90-92.
13. Сафин, Р.Г.Исследование высоконаполненных древес-но-полимерных композиционных материалов, получаемых экструзионным методом [Текст]/ Р.Г. Сафин, Г.И. Игнатьева, И.М. Галиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 16. №2. - С. 87-88.
© Е. Б. Темнова - к.т.н., доцент каф. природообустройства ПГТУ, [email protected]; П. М. Мазуркин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой природообустройства ПГТУ, [email protected]; А. Р. Хабибуллина - магистрант каф. ПДМ КНИТУ, [email protected].
© Е. B. Тешпоуа - candidate of technical sciences, associate professor of an environmental engineering PGTU, [email protected]; P. М. Ма/игкт - Doctor of Engineering, professor, head of the department of an environmental engineering PGTU, [email protected]; А. R. Khabibullina - undergraduate KNRTU, [email protected].
