提琴木材的化學處理

鄭荃

　　編者按：1989年至1991年，中央音樂學院提琴制作研究中心在霍英東科研基金和文化部科研基金的支持下，用三年的時間，進行了提琴木材化學處理的研究工作。本文是研究工作結束時所作的工作小結。1992年，這篇小結翻譯成英文，作為大會報告在中國第2屆國際音樂聲學會議上發表。 　　雖然時間已經過去了整整10年，但這項研究工作一直在進行，從來就沒有中斷過。這項研究的成果，已經用于創作出若干優秀的提琴作品，用于參加國際提琴制作比賽的作品。在比賽中多次獲獎(包括1990年在柴科夫斯基國際音樂比賽中獲金獎的中提琴和其他兩把獲獎的小提琴)。1999～2002年中央音樂學院提琴制作研究中心與科院聲學所，中科院力學所，北京航天航空大學振動實驗室在國家自然科學基金會資助的合作研究中，從聲學和振動兩個方面的實驗中充分肯定了這項研究的成果。今本刊特將此文刊出以饗讀者。 　　

一、影響提琴聲音的主要因素 　　

提琴是一座文化和科學的迷宮。它的外觀和聲音如此純凈美麗，決非其他樂器所能及。300多年前，由意大利克雷蒙那的阿瑪蒂、斯特拉地瓦里、瓜奈里三大家族及其弟子們制造的音色優美、音量洪亮、音質高超的小提琴，已經失傳，至今無人能仿制。他們的制琴秘訣隨著他們的死亡而消失。幾百年來，人們花費不少精力，努力去尋找這種造型優美、聲音洪亮的樂器的秘密。 　　

控制提琴類樂器的音色及音量是一項具有挑戰性的艱難工作，影響此類樂器音色、音量的因素是很多的。例如：琴型的選擇、選用的材料的性能、音板的形狀和厚度、裝配、弦的直徑和張力、琴碼的材料及形狀、音柱的材料及位置、以及油漆的性能等等。在這眾多的因素中，我們認為材料、尺寸和結構、油漆，是影響提琴音色、音量的三項最主要的因素。其中材料的性能是提琴制作工作中基礎的基礎。因此我們有必要來簡要闡述一下有關提琴材料聲學品質的各項參數和它們與提琴材料的聲學品質之間的關系。 　　

與提琴材料有關聲學特性的主要參數有：動彈性模量、密度、傳聲速度、聲輻射品質常數、聲衰減、聲阻抗等等。優良的提琴用材需要具有：動彈性模量要大、木材的密度要小、傳聲速度高、聲輻射品質常數大、數衰減量低和聲阻抗小等特性。要達到樂器音響特性的要求，這些參數之間的關系是：傳聲速度與密度的商要大、傳聲速度與密度的乘積要小。對數衰減量和聲阻抗都是表示聲波在傳播過程中的消耗量，消耗量大，產生的聲音就細弱。反之，則產生的聲音便洪亮強大。因此，對數衰減量低的和聲阻抗小的木材，可用于制作樂器的振動音板。適宜制作樂器音板的木材還需具有較高的楊氏彈性模量與密度的比值以及較低的內阻抗，也就是說，具有較低內阻抗值的木材是適用于樂器制作的。利用聲學品質常數的值可以較正確地評估木材是否適合制作樂器。 　　

我們之所以把研究工作的重點放在制作提琴使用的材料上，一方面是因為它是上文所提到的三個因素中的一個重要的基本因素。提琴在制造過程中，在設計音板的弧形和厚度尺寸時必須考慮材料的性能。而油漆的選用和涂刷必須考慮對白琴的聲音的調整，與材料的選用也有很大的關系；另一方面是因為在木材的聲學品質的改善方面已經有許多科學家進行過大量的研究，找到了一些可以客觀描述的規律。在這些研究的基礎上開展工作比較有可能取得進展。 　　我們采用意大利克雷莫那生產的盧奇牌木材傳聲速度測試儀測量試樣的傳聲速度、聲學品質常數等數值。沿著木樣軸心的縱、橫向聲波傳播速度。在實際操作中，測量縱、橫向聲速是很方便的。先輸入木材樣品的長度，再從聲波木樣的一端激發，在另一端接受，便可以檢測出聲音通過木材樣品花費的時間，從而得出樣品的傳聲速度。利用傳聲速度和密度的值便可得到木材聲學品質的值。 　　

二．國際上對提琴材料的化學特性方面進行的研究 　　

提琴制作大師們經過經驗積累，選用杉木為面板，槭木為底板和側板，并在各林產區對各樹種進行篩選。篩選后得來的木材，相對地已經具有較好的音響品質和物化性能。但近現代制作的提琴和意大利古琴的聲學性能相比尚有差距。因此，各國提琴制作者以及有關的科學工作者，紛紛應用現代的分析測試方法，對古代提琴進行各種物化性能、聲學特性等研究，發表了許多著作、論文。同時，現代的科學研究對木材的基本結構、化學分析、以及通過某種方法可以改變木材的哪些性質，也有過不少論述。我們在總結前人的經驗和根據現有的情況下，采取化學處理方法來改變提琴用木材的某些物化特性，使現代的木材能具有古老木材的特性，進而使現代的提琴能接近古琴的聲音。 　　

木材的比重、彈性，以及其他各項物理性能不是均一的。每塊木材的性質取決于許多因素包括樹木生長地的土壤性質，經歷的氣候條件，甚至生長地的空氣的組分等等。木材也是活的天然物質，即使不受人類的干預，也無時不在進行大小不同的化學變化。任何化學變化都會引起物理性能的變化（特別是機械性能），反過來也是如此。最大最重要的變化是發生在木材采伐之后的最初的一段時期，這個變化需要幾個月甚至幾年。許多現代提琴制作家們認為優質的木材經過10年到50年的老化過程，使其成熟、變干，就可以成為具有優良音調的木材。長期存放的木材，可獲得較好的共鳴性、較佳的彈性，以及抗溫度、濕度變化等性能。但是，使用經過長期自然干燥的木材，仍不能制得能與斯特拉地瓦里或其他克雷蒙那大師相比的提琴。因此，科學家紛紛尋找改進木材聲學性能的方法，使其適用于制造高質量樂器。 　　

首先，科學家們對意大利古琴的木樣做了大量盼分析測試工作，獲得下列幾方面的資料。 　　

* 共鳴板木材的灰分中，鈣、鎂含量增加。 　　

* 發現意大利古琴中含有硫酸酮(Cu So4)、明礬[KAL(S04)2]以及鹽(Nacl)。 　　

* 發現硅(Si)及碳酸鉀(K2CO3)的含量增加，推測古代提琴制作者用水玻璃(硅酸鉀)處理提琴木料。 　　

* 用X光譜儀（EDAX）進行分析斯特拉地瓦里的提琴及火山灰，兩者的鋁、硅、磷、硫、鉀、鈣、銻、錳、氟含量幾乎相同。 　　

* 古老琴木燃燒后的灰份高達1.28%，一般提琴木料的灰份是0.81-0.45%。 　　

* 意大利古琴木材中，細胞壁開孔較多，明顯的有真菌的絲狀體以及細菌存留，含鹽量也特高。 　　

這些分析資料使科學家們認為意大利古琴的木材可能是經過人工處理的，或曾經歷過微生物酶的降解作用。 　　

按現代的知識基礎，化學處理木材的方法大致可分為： 　　

1、物理化學方法——如熱處理，用光照射等等。

2、生物化學方法——用細菌、真菌、霉菌的酶在水中處理。

3、化學處理方法——用化學試劑涂刷、浸漬或氣薰方法。 　　

上述三種方法，如果使用得當，對改善木材的音質都可以有一定的效果。 　　

三．中央音樂學院提琴制作研究中心在提琴材料化學處理方面的研究 　　

我們認為，雖然關于提琴材料的聲學品質的參數都是木材的物理性能的參數，但是它們與木材的化學性能有著密不可分的關系。通過化學處理方法能提高達到優化提琴用材料的音響性質的目的。我們采用的化學處理方法，主要是設法減少空氣濕度對木材的影響，使它接近古老木材的特性，從而提高提琴的音響特性。另一方面，從木材的物化性能和它的音響特性關系中，我們知道如果提高木材的密度，會損傷它的音響特性。因此，我們選用的處理方法，必須以不提高或少提高木材的密度為前提。 　　

古老木材的主要特性，是同樣在潮濕的條件下，它的吸水率要低于新木材。古琴對空氣溫、濕度的相關性要比現代新琴小。優良的聲學木材具有較高的楊氏模量，較低的比重、較快的傳聲速度以及較低的吸水率，楊氏模量和比重隨著木材的含水率不同而變化。含水率越高，楊氏彈性模量越小，而比重則越大。木材的動彈性模量與它的含水量成反比，木材的密度則與含水量成正比。木材的含水量高，會損傷它的音響特性，此外，作為聲學木材在相對濕度變化的環境里，木材的吸水率也是一個極重要的條件，木材的含水率與相對濕度下，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長期存放的木材，而古老木材則最低。 　　

木材的吸水性能是由于它們含有果膠酸(Pectic Acids)及半纖維素(Hemicellulose)，它們的吸水性很強，在松木(Spruce)及槭木(Maple)中含達25～33％。要提高木材的聲學性能就要改變這些物質，改變其吸水性能。人們采用的物理化學處理方法，生物化學處理方法，以及化學處理方法，都為了一個共同的目的——改變吸水性，并保持其密度低和透氣性好的優良性能。木材中纖維素和半纖維素中含有游離羥基，羥基是極性基團，易于形成氫鍵結合，吸附極性的水分子，隨著吸水量的增加，引起纖維素的膨脹和纖維素之間氫鍵的破裂，產生新的游離羥基，繼續吸附水分子。纖維素是由鏈分子高度整齊排列的結晶區和無定形區兩部分構成的，它們之間纖維素的結晶度的比率一般在70％左右。通過X光射線圖測定，水的吸附只發生在纖維素的無定形區，結晶區內沒有吸附的水分子，結晶區內的氫鍵也沒有破壞，鏈分子的有序排列也沒有改變。木材細胞壁上的聚合物能通過它的羥基和酚基與有機化學品鉸鏈相結合。在溫和的反應條件下，化學藥品與羥基，酚基形成穩定的化學鏈。通過化學處理減少木材纖維素無定形區的游離羥基、以及其他組分中的游離羥基，可以改善木材的吸水率。因此，許多活潑的化學藥品已被用于木材改性。 　　

減少游離羥基的化學處理方法很多，但要以不明顯提高木材的密度為前提， 必須選擇分子量小，官能度大的處理劑。我們在實驗中所采用的處理劑都是根據這要求而確定的。 　　

考慮到處理后的木材密度要求，我們采用高鉸鏈度和低分子量的化學報告，并盡量降低其使用量，我們選用的化學藥品是硅烷(Silane)及甲醛(Formaldehyde)。關于這些處理劑，也有資料報導，但有的用量過多，有的反應條件太強烈，破壞了木材的某些性能。例如：用甲醛處理時，用強酸作催化劑，破壞了木材的強度和硬度。我們采用較溫和的反應條件，使用較低濃度的酸。 　　

我們采用的試驗方法為： 　　

將試樣分成二組(200mm×16mm×7mm)，每組3支，一組作處理試驗，一組作為對比。在真空烘箱1O0℃烘4小時經過化學處理，然后在75％相對濕度下放置48小時，測定含水率。比較二組木樣的吸水率，計算處理后吸水率減少的數據，并在不同的含水率情況下，測定傳聲速度，求得含水率與傳聲速度之間的關系。在這個階段的實驗中，我們共采用了十余種化學處理劑，對數10個試樣進行了9個方面的試驗，求得了幾百個數據。選擇其中較好的處理方法，在三把提琴(白琴)上試用，取得了初步效果。茲將實驗結論和處理效果分述如下： 　　

1．杉木的傳聲速度，隨含水率不同而改變。含水率增加1％，傳聲速度下降67米／秒。 　　

2．杉木經IO0℃熱處理l5小時后，在含水率相同時，傳聲速度增加l30米／秒。 　　

3．杉木用#19處理劑處理后在含水率相同的情況下，傳聲速度增加l60米／秒。 　　

4．#2處理劑的處理效果。在75％相對濕度及室溫條件下，杉木吸水率下降25％，槭木下降41.6%。在含水率相同的情況下，杉木傳聲速度增加l50米／秒，槭木增加l40米／秒。 　　

5．木材經l50℃處理4小時，在75％相對濕度及室溫下，杉木含水率下降8．4％，槭木含水率下降l3．4％。 　　

6．各種處理劑在玻璃板上成膜試驗。#4處理劑成膜情況尚好，#7、#12處理劑成膜良好，膜透明清晰，附著力較理想。 　　

7．各種處理劑對木材吸水率的影響(在相同的溫濕度下)列表如下： 　　

表1．木材含水率與傳聲速度的關系：

        杉木木樣一組　　含水率　　　　平均傳聲速度 

        干木　　                                　6440米／秒 

        試樣　　　　　　1．77％ 　　　6380米／秒 

        試樣 　　     　　5．45％　　　 6130米／秒 　　

結論：含水率增加1％，傳聲速度下降67米／秒 　　

表2．杉木經硅烷處理后，傳聲速度的變化：

        杉木木樣二組　　       木樣含水率　　 　傳聲速度 

        處理前　　　　　       4．4％　　　　    6070米／秒 

        處理后干木　　　　 　　　　　         　 6550米／秒        　　　　

        室溫48小時       　       1．27％　　　　 6470米／秒

        75％相對濕度48小時 　4．86％　　　 　6210米／秒 

用回歸法計算處理木樣在含水率4．44％時，傳聲速度為6210米／秒。 　　

結論：處理后木樣的傳聲速度每減少1％含水量，增快176米／秒。 　　

表3．不同木材經化學處理后，放置在75％相對濕度，室溫下48小時，含水率的變化：

        處理劑　　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％ 

        硅酸鉀　　　　　    +42．9％　　　　-18．3％ 　　

結論：處理后木樣的吸水率明顯下降，只有一例用硅酸鉀處理的例外。 　　

應該指出由于篇幅的限制上面的表格只列出了一部分數據。 　　

根據上述試驗結果，選擇效果較好的處理劑及處理方法應用于三把白琴上。 　　

#l及#2白琴：用#8、#l1號處理劑綜合處理。 　　

#3白琴：用#15、#2及#l7號處理劑綜合處理后請提琴演奏家評定，他們無不贊賞其高超的音質。

（說明：原雜志上表格無法復制。自制表格上傳后又變成了文字形式。只好重新排列一下，作成無框樣式。大家能看明白就是了。）