木材学声学光学精选文档.ppt
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1、木材学声学光学本讲稿第一页,共四十一页6.4木材的热学性质木材的热学性质 用用比热、导热系数、导温系数比热、导热系数、导温系数等热物理参数来综等热物理参数来综合表征的。这些热物理参数,在木材加工的热处理合表征的。这些热物理参数,在木材加工的热处理(如原木的解冻、木段的蒸煮、木材干燥、人造板(如原木的解冻、木段的蒸煮、木材干燥、人造板板坯的加热预处理等)中,是重要的工艺参数;在板坯的加热预处理等)中,是重要的工艺参数;在建筑部门进行隔热、保温设计时,是不可缺少的数建筑部门进行隔热、保温设计时,是不可缺少的数据指标。据指标。本讲稿第二页,共四十一页6.4.1 木材的比热和热容量木材的比热和热容量6
2、.4.2 木材的导热系数木材的导热系数6.4.3 木材的导温系数木材的导温系数6.4.4 木材的蓄热系数木材的蓄热系数6.4.5 木材的热膨胀与热收缩木材的热膨胀与热收缩6.4.6 热对木材性质的影响热对木材性质的影响6.4.7 木材热物理参数的测量木材热物理参数的测量本讲稿第三页,共四十一页6.4.1 木材的比热和热容量木材的比热和热容量n热容量热容量:使某物体的温度变化使某物体的温度变化11所吸收或放出的热量称为该物体的所吸收或放出的热量称为该物体的热热容量容量。设。设0 0为初始温度,为初始温度,1 1为终了温度,为终了温度,Q Q为物体上升为物体上升(1-1-0)0)所吸收的热量,则热
3、容量用所吸收的热量,则热容量用Q Q/(kJ/)(kJ/)n热容量系数热容量系数:物体单位重量物体单位重量(1kg)(1kg)的热容量称为热容量系数。的热容量称为热容量系数。n设质量为设质量为m m(kg)(kg)的物体的热容量的物体的热容量Q Q/(kJ/)(kJ/),该物体热容量,该物体热容量系数系数C CkJ/(kg)kJ/(kg)如下:如下:n n n比热比热:为单位量为单位量(kg)的某种物质温度变化的某种物质温度变化1所吸收或放所吸收或放出的热量。出的热量。其单位为其单位为kJ/(kgK)。本讲稿第四页,共四十一页6.4.2 木材的导热系数木材的导热系数n导热系数表征物体传递热量的
4、能力。导热系数表征物体传递热量的能力。n导热系数(导热系数():以在物体两个平行的相对面之间的:以在物体两个平行的相对面之间的距离为单位,温度差恒定为距离为单位,温度差恒定为1时,单位时间内通过单时,单位时间内通过单位面积的热量。位面积的热量。单位为单位为W/(mK)。n传导的热量传导的热量Q:n A为垂直于热流方向的面积为垂直于热流方向的面积(m2);t为时间为时间(h);1和和2分别为低温面和高温面的温度分别为低温面和高温面的温度();d为两面间的为两面间的距离。距离。本讲稿第五页,共四十一页n影响木材导热系数的主要因子:影响木材导热系数的主要因子:n(1)木材密度的影响木材密度的影响 n
5、木材导热系数随着木材密度的增加木材导热系数随着木材密度的增加大致成比例地增加。大致成比例地增加。n原因:孔隙中空气的导热系数远小原因:孔隙中空气的导热系数远小于木材实体物质于木材实体物质。在室温、气干含水率条件下木材密度对导热系在室温、气干含水率条件下木材密度对导热系数的影响数的影响(自刘一星,(自刘一星,19941994)热流方向为弦向;热流方向为弦向;热流方向为径向热流方向为径向本讲稿第六页,共四十一页n(2)含水率的影响含水率的影响 因为水的导热系数比空气的导热系数高因为水的导热系数比空气的导热系数高23倍以上。随着木材含水倍以上。随着木材含水率的增加,木材的导热系数增大。率的增加,木材
6、的导热系数增大。n(3)温度的影响温度的影响 n导热系数随温度的升高而增大。导热系数随温度的升高而增大。n(4)热流方向的影响热流方向的影响 n同树种木材顺纹方向的导热系数明显大于横纹方向的导热系数。同树种木材顺纹方向的导热系数明显大于横纹方向的导热系数。径向导热系数大于弦向,平均约相差径向导热系数大于弦向,平均约相差12.7%。本讲稿第七页,共四十一页6.4.3 木材的导温系数木材的导温系数n导温系数又称热扩散率(导温系数又称热扩散率()。)。n是表征材料是表征材料(如木材如木材)在冷却或加热的非稳定状态过程中,各在冷却或加热的非稳定状态过程中,各点温度迅速趋于一致的能力点温度迅速趋于一致的
7、能力(即各点达到同一温度的速度即各点达到同一温度的速度)。n 导温系数导温系数(m2/s);n导热系数导热系数W/(mK);nC 比热比热kJ/(kgK);n密度密度(kg/m3);nC 体积热容量体积热容量kJ/(m3K)。导温系数在各树种间的差异不如导热系数那样显著。以弦向导温系数为例,它的变化范围为0.001180.0017510-4m2/s,55种木材的平均值为0.0014010-4m2/s。本讲稿第八页,共四十一页 木材的导温系数的影响因子木材的导温系数的影响因子:密度、含水率、温度和热流方向密度、含水率、温度和热流方向 (1)木材密度的影响)木材密度的影响 木材的导温系数通常随密度
8、的增加而略有减小。木材的导温系数通常随密度的增加而略有减小。(2)含水率的影响)含水率的影响 水的导温系数很小,比空气的导温系数小两个数量级,含水率水的导温系数很小,比空气的导温系数小两个数量级,含水率的增加,使得木材中部分空气被水所替代,则导致木材的导温系数的增加,使得木材中部分空气被水所替代,则导致木材的导温系数降低。降低。本讲稿第九页,共四十一页 (3)温度的影响)温度的影响 n温度对导温系数的影响幅度较小;在正温度温度对导温系数的影响幅度较小;在正温度(0100)下,绝下,绝干木材的导温系数随温度的上升而略有降低。干木材的导温系数随温度的上升而略有降低。(4)热流方向的影响)热流方向的
9、影响 n热流方向对木材导温系数的影响与它对导热系数的影响方式热流方向对木材导温系数的影响与它对导热系数的影响方式相同。相同。顺纹方向导温系数远大于横纹方向导温系数,顺纹方向导温系数远大于横纹方向导温系数,径向导温系数通常略大于弦向导温系数。径向导温系数通常略大于弦向导温系数。本讲稿第十页,共四十一页6.4.4 木材的蓄热系数木材的蓄热系数 蓄热系数(蓄热系数(S),是表征在周期性外施热作用下,),是表征在周期性外施热作用下,材料储蓄热量的能力的热物理参数。材料储蓄热量的能力的热物理参数。kJ/(m2hK)本讲稿第十一页,共四十一页 6.4.5 木材的热膨胀与热收缩木材的热膨胀与热收缩 热膨胀热
10、膨胀:固体的尺寸随温度升高而增大的现象。:固体的尺寸随温度升高而增大的现象。线热膨胀系数线热膨胀系数和体积热膨胀系数和体积热膨胀系数:n木材的热膨胀系数很小,一般可忽略其热膨胀效应。但是,当木材的热膨胀系数很小,一般可忽略其热膨胀效应。但是,当木材内部有温度梯度时,会因热膨胀产生内部应力可能造成木材内部有温度梯度时,会因热膨胀产生内部应力可能造成木材的变形。木材的变形。本讲稿第十二页,共四十一页6.4.6 热对木材性质的影响热对木材性质的影响n木材在受热条件下,吸湿性降低(由于吸湿性较强的多糖类的热分木材在受热条件下,吸湿性降低(由于吸湿性较强的多糖类的热分解所致);如继续延长热处理时间,就会
11、造成木材化学成分的热分解所致);如继续延长热处理时间,就会造成木材化学成分的热分解,导致木材力学性质降低。解,导致木材力学性质降低。n长期蒸煮处理可导致木材弹性模量减小、各种力学强度下长期蒸煮处理可导致木材弹性模量减小、各种力学强度下降,尤其是对冲击韧性的影响显著,其主要原因是长期蒸降,尤其是对冲击韧性的影响显著,其主要原因是长期蒸煮过程中半纤维素的过度降解和脱出。煮过程中半纤维素的过度降解和脱出。n适当温度、时间条件下的水煮或汽蒸处理,可以起到释放内部应适当温度、时间条件下的水煮或汽蒸处理,可以起到释放内部应力、降低吸湿性、固定木材变形的作用。力、降低吸湿性、固定木材变形的作用。本讲稿第十三
12、页,共四十一页6.5 木材的声学性质木材的声学性质 木材的声学性质,包括木材的振动特性、传木材的声学性质,包括木材的振动特性、传声特性、空间声学性质声特性、空间声学性质(吸收、反射、透射吸收、反射、透射)、乐、乐器声学性能品质等与声波有关的固体材料特性。器声学性能品质等与声波有关的固体材料特性。本讲稿第十四页,共四十一页6.5 木材的声学性质木材的声学性质6.5.1 木材的振动特性木材的振动特性6.5.2 木材的传声特性木材的传声特性6.5.3 木材声学性能品质评价简述木材声学性能品质评价简述6.5.4 木材的声传播、声共振与木材的声传播、声共振与 材质无损检测材质无损检测本讲稿第十五页,共四
13、十一页6.5.1 木材的振动特性木材的振动特性 共振共振是指物质在强度相同而周期变化的外力作用下,是指物质在强度相同而周期变化的外力作用下,能够在特定的频率下振幅急剧增大并得到最大振幅能够在特定的频率下振幅急剧增大并得到最大振幅的现象。的现象。共振现象对应的频率称为共振现象对应的频率称为共振频率或固有频率共振频率或固有频率。阻尼自由振动:阻尼自由振动:本讲稿第十六页,共四十一页6.5.1 木材的振动特性木材的振动特性6.5.1.1 木材的三种基本振动方式与共振频率木材的三种基本振动方式与共振频率 6.5.1.2 木材的声辐射性能和内摩擦衰减木材的声辐射性能和内摩擦衰减 6.5.1.3 木材的声
14、阻抗木材的声阻抗(特性阻抗特性阻抗)本讲稿第十七页,共四十一页 6.5.1.1 木材的三种基本振动方式与共振频率木材的三种基本振动方式与共振频率 振动方式:纵向振动、横向振振动方式:纵向振动、横向振 动动(弯曲振动弯曲振动)和扭转振动。和扭转振动。(1)纵向振动纵向振动 纵向振动是振动单元纵向振动是振动单元(质点质点)的位移方向与由此位移产生的介质的位移方向与由此位移产生的介质内应力方向相平行的振动。内应力方向相平行的振动。长度方向的声速长度方向的声速v:基本共振频率基本共振频率fr:木棒长度为木棒长度为L,密度为,密度为,弹性横量为,弹性横量为E本讲稿第十八页,共四十一页n(2)横向振动横向
15、振动 n 横向振动:横向振动:振动元素位移方向和引起的应力方向互振动元素位移方向和引起的应力方向互相垂直的运动。(木结构和乐器上使用)相垂直的运动。(木结构和乐器上使用)n横向振动包括弯曲运动。横向振动包括弯曲运动。n木棒横向振动的共振频率的影响因素:木棒横向振动的共振频率的影响因素:n 木材试样的几何形状、尺寸和声速,振动运动受到木材试样的几何形状、尺寸和声速,振动运动受到抑制的方式有关。抑制的方式有关。本讲稿第十九页,共四十一页n(3)扭转振动扭转振动 n 扭转振动:扭转振动:振动元素的位移方向围绕试件长轴进行回转,如振动元素的位移方向围绕试件长轴进行回转,如此往复周期性扭转的振动。此往复
16、周期性扭转的振动。n试件基本共振频率试件基本共振频率fr取决于该外加质量的惯性矩取决于该外加质量的惯性矩I、试件的尺寸、试件的尺寸和刚性模量和刚性模量Gn式中:式中:r为圆截面试件的半径;为圆截面试件的半径;L为试件的长度。为试件的长度。本讲稿第二十页,共四十一页6.5.1 木材的振动特性木材的振动特性6.5.1.1 木材的三种基本振动方式与共振频率木材的三种基本振动方式与共振频率 6.5.1.2 木材的声辐射性能和内摩擦衰减木材的声辐射性能和内摩擦衰减 6.5.1.3 木材的声阻抗木材的声阻抗(特性阻抗特性阻抗)本讲稿第二十一页,共四十一页6.5.1.2 木材的声辐射性能和内摩擦衰减木材的声
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