郑荃大师的报告文章《提琴木材的化学处理》

提琴木材的化学处理

郑荃

　　编者按：1989年至1991年，中央音乐学院提琴制作研究中心在霍英东科研基金和文化部科研基金的支持下，用三年的时间，进行了提琴木材化学处理的研究工作。本文是研究工作结束时所作的工作小结。1992年，这篇小结翻译成英文，作为大会报告在中国第2届国际音乐声学会议上发表。 　　虽然时间已经过去了整整10年，但这项研究工作一直在进行，从来就没有中断过。这项研究的成果，已经用于创作出若干优秀的提琴作品，用于参加国际提琴制作比赛的作品。在比赛中多次获奖(包括1990年在柴科夫斯基国际音乐比赛中获金奖的中提琴和其他两把获奖的小提琴)。1999～2002年中央音乐学院提琴制作研究中心与科院声学所，中科院力学所，北京航天航空大学振动实验室在国家自然科学基金会资助的合作研究中，从声学和振动两个方面的实验中充分肯定了这项研究的成果。今本刊特将此文刊出以飨读者。 　　

一、影响提琴声音的主要因素 　　

提琴是一座文化和科学的迷宫。它的外观和声音如此纯净美丽，决非其他乐器所能及。300多年前，由意大利克雷蒙那的阿玛蒂、斯特拉地瓦里、瓜奈里三大家族及其弟子们制造的音色优美、音量洪亮、音质高超的小提琴，已经失传，至今无人能仿制。他们的制琴秘诀随着他们的死亡而消失。几百年来，人们花费不少精力，努力去寻找这种造型优美、声音洪亮的乐器的秘密。 　　

控制提琴类乐器的音色及音量是一项具有挑战性的艰难工作，影响此类乐器音色、音量的因素是很多的。例如：琴型的选择、选用的材料的性能、音板的形状和厚度、装配、弦的直径和张力、琴码的材料及形状、音柱的材料及位置、以及油漆的性能等等。在这众多的因素中，我们认为材料、尺寸和结构、油漆，是影响提琴音色、音量的三项最主要的因素。其中材料的性能是提琴制作工作中基础的基础。因此我们有必要来简要阐述一下有关提琴材料声学品质的各项参数和它们与提琴材料的声学品质之间的关系。 　　

与提琴材料有关声学特性的主要参数有：动弹性模量、密度、传声速度、声辐射品质常数、声衰减、声阻抗等等。优良的提琴用材需要具有：动弹性模量要大、木材的密度要小、传声速度高、声辐射品质常数大、数衰减量低和声阻抗小等特性。要达到乐器音响特性的要求，这些参数之间的关系是：传声速度与密度的商要大、传声速度与密度的乘积要小。对数衰减量和声阻抗都是表示声波在传播过程中的消耗量，消耗量大，产生的声音就细弱。反之，则产生的声音便洪亮强大。因此，对数衰减量低的和声阻抗小的木材，可用于制作乐器的振动音板。适宜制作乐器音板的木材还需具有较高的杨氏弹性模量与密度的比值以及较低的内阻抗，也就是说，具有较低内阻抗值的木材是适用于乐器制作的。利用声学品质常数的值可以较正确地评估木材是否适合制作乐器。 　　

我们之所以把研究工作的重点放在制作提琴使用的材料上，一方面是因为它是上文所提到的三个因素中的一个重要的基本因素。提琴在制造过程中，在设计音板的弧形和厚度尺寸时必须考虑材料的性能。而油漆的选用和涂刷必须考虑对白琴的声音的调整，与材料的选用也有很大的关系；另一方面是因为在木材的声学品质的改善方面已经有许多科学家进行过大量的研究，找到了一些可以客观描述的规律。在这些研究的基础上开展工作比较有可能取得进展。 　　我们采用意大利克雷莫那生产的卢奇牌木材传声速度测试仪测量试样的传声速度、声学品质常数等数值。沿着木样轴心的纵、横向声波传播速度。在实际操作中，测量纵、横向声速是很方便的。先输入木材样品的长度，再从声波木样的一端激发，在另一端接受，便可以检测出声音通过木材样品花费的时间，从而得出样品的传声速度。利用传声速度和密度的值便可得到木材声学品质的值。 　　

二．国际上对提琴材料的化学特性方面进行的研究 　　

提琴制作大师们经过经验积累，选用杉木为面板，槭木为底板和侧板，并在各林产区对各树种进行筛选。筛选后得来的木材，相对地已经具有较好的音响品质和物化性能。但近现代制作的提琴和意大利古琴的声学性能相比尚有差距。因此，各国提琴制作者以及有关的科学工作者，纷纷应用现代的分析测试方法，对古代提琴进行各种物化性能、声学特性等研究，发表了许多著作、论文。同时，现代的科学研究对木材的基本结构、化学分析、以及通过某种方法可以改变木材的哪些性质，也有过不少论述。我们在总结前人的经验和根据现有的情况下，采取化学处理方法来改变提琴用木材的某些物化特性，使现代的木材能具有古老木材的特性，进而使现代的提琴能接近古琴的声音。 　　

木材的比重、弹性，以及其他各项物理性能不是均一的。每块木材的性质取决于许多因素包括树木生长地的土壤性质，经历的气候条件，甚至生长地的空气的组分等等。木材也是活的天然物质，即使不受人类的干预，也无时不在进行大小不同的化学变化。任何化学变化都会引起物理性能的变化（特别是机械性能），反过来也是如此。最大最重要的变化是发生在木材采伐之后的最初的一段时期，这个变化需要几个月甚至几年。许多现代提琴制作家们认为优质的木材经过10年到50年的老化过程，使其成熟、变干，就可以成为具有优良音调的木材。长期存放的木材，可获得较好的共鸣性、较佳的弹性，以及抗温度、湿度变化等性能。但是，使用经过长期自然干燥的木材，仍不能制得能与斯特拉地瓦里或其他克雷蒙那大师相比的提琴。因此，科学家纷纷寻找改进木材声学性能的方法，使其适用于制造高质量乐器。 　　

首先，科学家们对意大利古琴的木样做了大量盼分析测试工作，获得下列几方面的资料。 　　

* 共鸣板木材的灰分中，钙、镁含量增加。 　　

* 发现意大利古琴中含有硫酸酮(Cu So4)、明矾[KAL(S04)2]以及盐(Nacl)。 　　

* 发现硅(Si)及碳酸钾(K2CO3)的含量增加，推测古代提琴制作者用水玻璃(硅酸钾)处理提琴木料。 　　

* 用X光谱仪（EDAX）进行分析斯特拉地瓦里的提琴及火山灰，两者的铝、硅、磷、硫、钾、钙、锑、锰、氟含量几乎相同。 　　

* 古老琴木燃烧后的灰份高达1.28%，一般提琴木料的灰份是0.81-0.45%。 　　

* 意大利古琴木材中，细胞壁开孔较多，明显的有真菌的丝状体以及细菌存留，含盐量也特高。 　　

这些分析资料使科学家们认为意大利古琴的木材可能是经过人工处理的，或曾经历过微生物酶的降解作用。 　　

按现代的知识基础，化学处理木材的方法大致可分为： 　　

1、物理化学方法——如热处理，用光照射等等。

2、生物化学方法——用细菌、真菌、霉菌的酶在水中处理。

3、化学处理方法——用化学试剂涂刷、浸渍或气薰方法。 　　

上述三种方法，如果使用得当，对改善木材的音质都可以有一定的效果。 　　

三．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 　　

我们认为，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)及甲醛(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：用甲醛处理时，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3支，一组作处理试验，一组作为对比。在真空烘箱1O0℃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10个试样进行了9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，在三把提琴(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IO0℃热处理l5小时后，在含水率相同时，传声速度增加l30米／秒。 　　

3．杉木用#19处理剂处理后在含水率相同的情况下，传声速度增加l60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l50米／秒，槭木增加l40米／秒。 　　

5．木材经l50℃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l3．4％。 　　

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1．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2．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3．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l　　　　　　   -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把白琴上。 　　

#l及#2白琴：用#8、#l1号处理剂综合处理。 　　

#3白琴：用#15、#2及#l7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。

（说明：原杂志上表格无法复制。自制表格上传后又变成了文字形式。只好重新排列一下，作成无框样式。大家能看明白就是了。）