Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 5 Vol. 66, No. 2, 5-14 DOI: hBps://doi.org/10.26614/les-wood.2017.v66n02a01 AKUSTIČNE LASTNOSTI BUKOVINE PO HIDROTERMIČNI OBDELAVI ACOUSTIC PROPERTIES OF BEECH WOOD AFTER HYDROTHERMAL TREATMENT Ervin Žveplan1*, Aleš Straže1 Izvleček / Abstract Izvleček: Raziskali smo akus7čne lastnos7 bukovine (Fagus sylva7ca L.) po hidrotermični obdelavi. Iz dveh bukovih hlo- dov smo izžagali 10 parov radialno orien7ranih preizkušancev nominalnih dimenzij 500 mm × 160 mm × 12 mm ter jih naravno posušili. Preizkušance smo 1 uro tre7rali v nadtlačnem hidrotermičnem procesu pri temperaturi 135 °C. Po uravnovešenju pri 20 °C in 50 % zračni vlažnos7 smo preizkušancem določili gostoto, hitrost preleta ultrazvoka v posameznih anatomskih smereh ter barvo po CIELab sistemu. Pri impulznem prečnem mehanskem vzbujanju smo do- ločili še kazalnike akus7čne kakovos7. Določili smo akus7čni koeficient (K), dušenje zvoka (tan δ) in rela7vno učinko- vitost akus7čne pretvorbe (RACE). Po hidrotermični obdelavi smo potrdili zmanjšanje gostote bukovine ter povečanje hitros7 zvoka in togos7 v vseh anatomskih smereh. Mehanska anizotropija lesa se je po obdelavi zmanjšala. Celotne barvne spremembe so bile značilno linearno povezane s spremembo gostote in s tem ohranitvijo togos7 bukovine. Kazalniki akus7čne kakovos7 hidrotermično obdelane bukovine so se delno izboljšali. Potrdili smo višji specifični modul elas7čnos7 in akus7čni koeficient ter manjše dušenje prečnega nihanja hidrotermično obdelanega lesa. Ključne besede: les, bukev = Fagus sylva7ca, hidrotermična obdelava, mehanske lastnos7, akus7čne lastnos7 Abstract: We inves7gated the acous7c proper7es of beech wood (Fagus sylva7ca L.) a'er hydrothermal treatment. Two beech logs were cut into 10 pairs of radially oriented specimens with the dimensions 500 mm × 160 mm × 12 mm and air dried. Specimens were thermally treated for 1 hour in saturated vapour pressure atmosphere at 135 °C. A'er the treatment the specimens were condi7oned at 20 °C and 50 % RH and their wood density, speed of ultrasound in all di- rec7ons and colour proper7es in CIELab colour space were determined. Free flexural vibra7on tests were used a'erwards to determine the acous7c proper7es of wood. We defined acous7c coefficient (K), damping of sound (tan δ) and rela7ve acous7c conversion efficiency (RACE). The study confirmed a significant decrease of wood density a'er the hydrothermal processing. The increase in speed of ultrasound in hydrothermally-treated wood caused no change in the modulus of elas7city in all anatomical direc7ons. Mechanical anisotropy of wood decreased slightly a'er the treatment. The colour measurements of specimens showed a linear correla7on between the total colour change and change of wood density and s7ffness. The acous7c proper7es of hydrothermally treated beech wood were partly improved due to the increase in the specific modulus of elas7city and the acous7c coefficient combined with the decrease in vibra7on damping. Keywords: wood, beech, Fagus sylva7ca, hydrothermal treatment, mechanical proper7es, acous7c characteris7cs briranja lesne strukture pa je definirana s specifi- čnim modulom elasAčnosA (E/ρ) in z dušenjem ni- hanja materiala (tan δ) (Bremaud et al., 2012). To denimo pri iglavcih jasno potrjuje hkratno padanje E/ρ in naraščanje tan δ, z večanjem mikrofibrilnega kota v sekundarnem sloju celičnih sten traheid (Ono & Norimoto, 1983; Obataya, 2000). Na viskozne last- nosA lesa pomembno vplivata še zgradbi matriksa hemiceluloz in lignina (Olsson & Salmen, 1997) ter tudi inkrustracija ekstrakAvov v celične stene (Yano, 1994; Bremaud, 2011). V slovenskih gozdovih je navadna bukev (Fagus sylva7ca L.) najbolj razširjena drevesna vrsta. Bukov les je široko, prakAčno univerzalno uporaben in ga 1 UVOD 1 INTRODUCTION Les zaradi nepogrešljivih fizikalnih in mehanskih lastnosA uporabljamo za izdelavo različnih glasbenih inštrumentov. AkusAčne lastnosA lesnih vrst so v ve- liki meri definirane z njihovo anatomsko in kemijsko zgradbo v povezavi s homogenostjo strukture lesa na makroskopskem nivoju. Anatomija lesa vpliva na poroznost in s tem na gostoto (ρ) ter togost lesa, do- ločeno z modulom elasAčnosA (E). Sposobnost vi- 1 Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za le- sarstvo, Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana, Slovenija * e-pošta: ervin.zveplan@bf.uni-lj.si UDK 630*812.12 Izvirni znanstveni članek / Original scienAfic arAcle Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 Žveplan, E., & Straže, A.: AcousAc properAes of beech wood a.er hydrothermal treatment 6 uporabljamo za številne izdelke, med drugim za šol- sko pohištvo, krivljene elemente, furnir in razne ploščne kompozite (Čufar et al., 2017). Bukovina pa je slabo zastopana kot material za izdelavo glasbil. V glasbilih jo uporabljamo predvsem zaradi nad - povprečnih mehanskih lastnosA, vendar bolj v delih konstrukcij glasbil, kjer resonanca elementov ni os- novnega pomena. Razlogi za to so že na celičnem ni- voju, saj bukov les vsebuje dokaj velik delež parenhima. Pri bukovini je aksialni parenhim apo- trahealen, difuzen v agregaAh, trakovi pa so dveh velikostnih redov, 2 do 4-redni in nizki ter nad 10- redni in nad 1 mm visoki (Čufar, 2006). To ima za po- sledico visoke dušilne karakterisAke bukovine in s tem slabo radiacijo zvoka. V prid akusAčnim lastno- sAm bukovega lesa niso niA njene kemijske lastnosA, saj vsebuje velik delež bolj amorfnih in higroskopnih hemiceluloz (Fengel & Wegener, 1989). Nenazadnje ima bukovina tudi veliko prečno krčitveno anizotro- pijo (Gorišek, 1992). Pogosto vsebuje tenzijski les, rdeče srce in Ale v prevodnih elemenAh (Čufar, 2006; Gorišek, 2009), kar so vse negaAvne lastnosA z vidika uporabe bukovine za izdelavo glasbenih in- štrumentov. Navkljub našteAm inherentnim lastnosAm bu- kovega lesa in slabim predispozicijam z vidika aku- sAčnih lastnosA pa obstajajo tudi načini njihovega izboljšanja. Znani so poskusi nadomeščanja lesa ja- vorja pri izdelavi kitar z bukovino, toplotno obdelano v klimi pri znižani koncentraciji kisika ter pri blagih temperaturah, med 140 °C in 160 °C (Pfriem et al., 2015, Zauer et. al, 2015). Pri tem so velik delež du- šenja mehanskih vibracij pri bukovini uspešno zmanjšali in ga približali dušenju vibracij pri javorje- vem lesu. Ugodno so se pri tem zmanjšale tudi hi- groskopske lastnosA bukovine. Za izboljšanje akusAčnih lastnosA lesa listavcev in iglavcev je ak- tualna tudi kratkotrajna hidrotermična obdelava, s segrevanjem lesa pri temperaturah med 120 °C in 180 °C v nasičeni vodni pari pri 2 barih do 16 barov. PatenArani postopek podjetja Yamaha (Abe & Fujii, 2003) ugodno vpliva na delno razgradnjo amorfnih delov hemiceluloz. S tem se izboljša mreženje hemi- celulozno-ligninskega matriksa, dušenje mehanskih vibracij lesa pa se zmanjša. Glede na navedene poziAvne izsledke iz litera- ture smo pri bukovini želeli preveriA možnosA upo- rabe kratkotrajne hidrotermične obdelave pri povišanih temperaturah za izboljšanje njenih akusAč - nih lastnosA. V ta namen so nas posebej zanimale možnosA izboljšanja elastomehanskih lastnosA buko- vega lesa pri upogibnem in torzijskem nihanju, duše- nja teh nihanj ter izbranih akusAčnih kazalnikov. 2 MATERIAL IN METODE 2 MATERIALS AND METHODS 2.1 PRIPRAVA MATERIALA 2.1 MATERIAL PREPARATION Za potrebe hidrotermične obdelave smo prido- bili preizkušance iz dveh bukovih dreves (Fagus syl- va7ca L.), brez rdečega srca in s premerom 40 cm. Na prsni višini vsakega drevesa smo izžagali hlodiček dol- žine 50 cm. Hlodička smo v svežem stanju razcepili na četrAne, iz katerih smo nadalje izžagali radialno orienArane preizkušance dimenzij 500 mm × 160 mm × 15 mm. Izbranih je bilo 20 sorodnih parov preizku- šancev, ki smo jih osušili na prostem do vlažnosA u = 15 % ± 2 %. Preučevanje akusAčnih lastnosA smo opravili na preizkušancih končnih dimenzij 485 mm × 120 mm × 5 mm. Vsi kosi so bili obdelani na končne dimenzije po toplotni obdelavi in po uravnovešanju, saj je obstajala verjetnost, da bi se med postopkom pojavila veženja in spremembe dimenzij preizkušan- cev. Preizkušanci so bili uravnovešeni v laboratorij- skem sušilnem kanalu pri konstantnih pogojih, skladno s standardom EN 15251 (T = 20 °C, φ = 50 %). 2.2 HIDROTERMIČNA OBDELAVA 2.2 HYDROTHERMAL TREATMENT Hidrotermična obdelava spada v skupino toplo- tnih postopkov pri povišani temperaturi. Vrsto to- plotne obdelave definira medij, najpogostejši pa so postopki toplotne obdelave v atmosferi z malo ki- sika. Postopek v tej raziskavi je bil izveden pri povi- šanem tlaku v nasičeni atmosferi vodne pare. Obdelavo lesa s segrevanjem v nasičeni vodni pari (T = 135 °C ± 3 °C, P = 2,5 bar) smo izvajali po narav- nem sušenju lesa. Hidrotermični postopek (Slika 1) je bil sestavljen iz več faz; hitra začetna faza segre- vanja (ΔT/Δt = 135 °C/h), druga faza vzdrževanja temperature 135 °C in tlaka 2,5 bar v času 1 h, ter tretja faza ohlajanja sistema do sobne temperature. Postopku je sledilo 14-dnevno uravnovešanje kontrolnih in treAranih preizkušancev v laboratoriju (EN 15251). Podobno hidrotermično obdelavo sta uvedla tudi Abe & Fuijii (2003), kjer so proces upo- Žveplan, E., & Straže, A.: AkusAčne lastnosA bukovine po hidrotermični obdelavi Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 7 sondo z delovno frekvenco ultrazvočnega valovanja 54 kHz. Na vsakem preizkušancu smo izvedli po devet meritev, s tremi ponovitvami v posamični anatomski ravnini. Na zbranih podatkih smo določili povprečja ter izračunali osnovne staAsAčne parametre. 2.4 AKUSTIČNE LASTNOSTI BUKOVINE 2.4 ACOUSTIC PROPERTIES OF BEECH WOOD 2.4.1 Mehansko vzbujanje preizkušancev 2.4.1 Mechanical excitation of specimens Bukove preizkušance smo mehansko elasAčno vzbudili v prečno upogibno nihanje. Preizkušanci so bili vzdolžno-radialno orienArani in elasAčno podprA na 22,4 % njihove dolžine. Impulzno elasAčno vzbu- janje smo izvedli na prosto ležečem kraku preizku- šanca, in sicer v geometrijski osi za analizo upogibnega nihanja, ter v vogalu za analizo torzij- skega nihanja (Slika 2). Na nasprotnem kraku preiz- kušanca smo zrcalno namesAli kondenzatorska mikrofona PCB 130D20. Zvočni signal smo zajemali z merilno karAco NI-9234, pri 51 kHz frekvenci os- veževanja. S hitro Fourierjevo transformacijo signala (FFT) smo pri obeh načinih vzbujanja v program- skem okolju LabView določili frekvenčni odziv ter z izračunom logaritemskega dekrementa določili še dušenje zvoka (tan δ). rabili za izboljšanje akusAčnih lastnosA lesa za zvoč - nice kitar, le da so bili pogoji toplotne obdelave tam še ostrejši. 2.2.1 Določanje barve 2.2.1 Colour analysis Proces hidrotermične obdelave bukovine smo spremljali tudi z merjenem barve preizkušancev. V ta namen smo uporabili spektrofotometer SP62, proizvajalca X-Rite GmbH-OptronikTM. Vsakemu pre- izkušancu smo pred in po toplotni obdelavi izmerili tri barvne koordinate po CIELab sistemu za vredno- tenje barv (L*, a*, b*). Razlike v barvi preizkušancev pred in po postopku hidrotermične obdelave smo ovrednoAli s celotno spremembo barve ΔE. 2.3 MEHANSKA ANIZOTROPIJA 2.3 MECHANICAL ANISOTROPY Za določanje mehanske anizotropije lesa smo merili hitrosA preleta ultrazvoka (v) v vseh anatom- skih smereh lesa (L, R, T), kjer smo iz znane zveze z gostoto (ρ) lesa (E = ρ × v2) izračunali module ela- sAčnosA (EL, ER, ET). Razmerja vrednosA modulov elasAčnosA smo uporabili za kazalnike mehanske anizotropije lesa. Meritve hitrosA preleta signala smo izvedli z na- pravo Pundit PL-200, proizvajalca Proceq, Schwerzen- bach (CH). Uporabili smo sprejemno in oddajno Slika 1. Potek hidrotermične obdelave bukovine s fazo segrevanja (I.), z delovno fazo (II.) in fazo ohlajanja (III.). Figure 1. Process of hydrothermal treatment with the hea7ng phase (I.), working phase (II.) and cooling phase (III.). Za vrednotenje prečnega upogibnega nihanja preizkušancev smo uporabili Timoshenkov model ni- hanja (Enačba 1), ki upošteva tudi strižne napetosA v preizkušancu. Za določitev upogibnega dinami- čnega modula elasAčnosA v 1. nihajnem načinu in Slika 2. Princip eksperimentalne postavitve za prečno vzbujanje bukovih preizkušancev z leseno togo kroglico. Figure 2. Experimental setup of acous7c radia7on measurements for flexural excita7on of specimens. Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 Žveplan, E., & Straže, A.: AcousAc properAes of beech wood a.er hydrothermal treatment 8 strižnega modula smo pri tem uporabili Bordonne- jevo rešitev (Enačba 2) (Brancheriau & Bailléres, 2002). …(1) Oznake: EX - upogibni modul elasAčnosA [Pa], IGZ - vztrajnostni moment prereza [m4], v - amplituda nihanja [m], ρ - gostota [kg/m3], GXY - strižni modul [Pa], KN - geometrijska konstanta (KN = 5/6 … za pravokotne prereze), x - razdalja v vzdolžni smeri preizkušanca [m], A - prečni prerez [m2], t - čas [s]. …(2) Oznake: EX - upogibni modul elasAčnosA [Pa], GXY - strižni modul [Pa], IGZ - vztrajnostni moment prereza [m4], fn - frekvenca nihanja preizkušanca v i-tem nihajnem načinu, Pn - parameter za rešitev Bernoullijeve konstante (m), odvisne od nihajnega načina (n), ρ - gostota preizkušanca [kg/m3], A - prečni prerez [m2], KN - geometrijska konstanta (KN = 5/6 … za pravokotne prereze). 2.4.2 Akustični kazalniki 2.4.2 Acoustic indicators Z izmerjenimi elastomehanskimi in dušilnimi karakterisAkami preizkušancev (Enačba 2) smo do- ločili še nekatere pomembne akusAčne kazalnike za vrednotenje t.i. resonančnega lesa. Vpliv razlik v go- stoA lesa na mehansko togost smo izključili z dolo- čitvijo specifičnega modula elasAčnosA (ESP = E⁄ρ) ter tudi akusAčnega koeficienta ( ). Aku- sAčni koeficient je eden najpomembnejših kazalni- kov za izbiro dobrih zvočnih plošč. Z njim ocenjujemo dušenje vibracij plošče v primerjavi z ra- diacijo zvoka. V primeru zvočnih plošč, na primer godal in brenkal, si želimo čim glasnejšo ploščo, kar E E K G QF m AL I f P AL I f P QF mX X N XY Gz n n Gz n n             2 2 4 2 2 4 2 1 4 4 1    E I v x I E K G v x t I K G v t X Gz Gz X N XY Gz N XY                  4 4 4 2 2 2 4 4 1  A v t    2 2 0 K = E / 3 pomeni, da mora biA njena amplituda nihanja vi- soka (Wengst, 2006). Dodatno smo določili še kazal- nik relaAvne učinkovitosA akusAčne pretvorbe (ang. RelaAve AcousAcal Conversion Efficiency) (RACE= ), ki predstavlja čisto radiacijo zvoka na stopnjo njegovega dušenja in glede na ra- ziskave Obataya et al. (2000), neposredno odraža vpliv materialne mikrostrukture na radiacijo zvoka. 3 REZULTATI IN RAZPRAVA 3 RESULTS AND DISCUSSION 3.1 HITROST ZVOKA, MEHANSKE LASTNOSTI IN SPREMEMBA BARVE LESA 3.1 SPEED OF SOUND, MECHANICAL PROPERTIES AND CHANGE OF WOOD COLOUR Meritve z ultrazvokom so potrdile do 10 % po- večanje hitrosA ultrazvoka pri hidrotermično obde- lani bukovini, največ prečno na lesna vlakna (Preglednica 1). HkraA smo po hidrotermični obdelavi potrdili pričakovano, vendar staAsAčno neznačilno zmanjšanje gostote bukovine v povprečju iz 713 kg/m3 na 695 kg/m3 (Δρ = - 2,5 %) (Slika 3). PoziAvne razlike v hitrosA zvoka ob hkratni izgubi lesne mase bukovine po obdelavi so omogočile ohranitev me- hanske togosA lesa v vseh anatomskih smereh. Pov- prečne vrednosA modulov elasAčnosA so bile pri hidrotermično obdelani bukovini sicer nekoliko večje, vendar so bile razlike staAsAčno neznačilne. Povpre- čno izboljšanje hitrosA zvoka prečno na lesna vlakna E / / tan   Slika 3. Gostota naravne (N) in hidrotermično obdelane (M) bukovine. Figure 3. Density of untreated (N) and hydrothermally-treated (M) beech wood. Žveplan, E., & Straže, A.: AkusAčne lastnosA bukovine po hidrotermični obdelavi Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 9 pa je pri hidrotermično obdelani bukovini povzročilo rahlo zmanjšanje akusAčne in mehanske anizotropije. Pogoji toplotne in hidrotermične obdelave lesa, sočasno z njegovimi inherentnimi strukturnimi ali zgradbenimi značilnostmi in kemijskimi lastnostmi značilno vplivajo na lastnosA lesa po procesih. Stamm (1956) je odkril, da je termična degradacija materiala večja v sistemu z vodo ali vodno paro. Tudi kasnejše raziskave (Windeisen et al., 2007, Windei- sen et al., 2008) so pri hidrotermični obdelavi lesa pri povišanih temperaturah potrdile večjo razgrad- njo hemiceluloz, ki so toplotno bolj občutljive in pri listavcih predstavljajo okoli 30 % strukture. Obenem je tudi znano, da so listavci po večini manj termično stabilni od iglavcev (Fengel et al., 1989). V našem procesu toplotne obdelave lesa se je poleg značil- nega zmanjšanja mase in s tem gostote zmanjšala tudi ravnovesna lesna vlažnost, merjena v vzpored- nih tesAranjih (Straže, 2015), kar nakazuje pomem- bno razgradnjo hemiceluloz. * MOD: Obdelani preizkušanci / Hydrothermally-treated samples **NEMOD: Naravni preizkušanci / Untreated samples Preglednica 1. Hitrost ultrazvoka, modul elas7čnos7 ter akus7čna in mehanska anizotropija bukovine pred in po hidrotermični obdelavi. Table 1. Speed of ultrasound, modulus of elas7city, acous7c and mechanic anisotropy of beech wood before and a'er the hydrothermal treatment. Hitrost zvoka / Speed of sound [m/s] Modul elastičnosti / Modulus of elasticity [GPa] Anizotropija hitrosti zvoka / Anisotropy of the speed of sound Anizotropija modula elastičnosti / Anisotropy of the modulus of elasticity vL vR vT EL ER ET vL/vR vL/vT vR/vT EL/ER EL/ET ER/ET *MOD KV (%) ANOVA (p) 4564 1.57 % 0,0432 1733 5,24 % 0,0321 780 8,61 % 0,1569 14,5 4,39 % 0,7800 2,1 9,53 % 0,075 0,43 16,74 % 0,277 2,64 6,20 % 0,1378 5,89 8,69 % 0,2817 2,24 9,40 % 0,9288 6,99 12,31 % 0,1499 34,92 18,36 % 0,3142 5,04 19,06 % 0,9047 **NEMOD KV (%) 4493 1,66 % 1634 6,07 % 735 9,52 % 14,4 5,01 % 1,9 11,97 % 0,39 18,73 % 2,76 7,05 % 6,16 9,64 % 2,25 12,77 % 7,65 13,87 % 38,32 19,50 % 5,12 26,17 % Slika 4. Odvisnost rela7vne spremembe gostote lesa in celotne barvne spremembe (levo) ter modula elas7čnos7 vzdolž lesnih vlaken (EL) ter celotne barvne spremembe bukovega lesa po hidrotermični obdelavi (desno). Figure 4. The dependence of the rela7ve change in the wood density and the total colour change (le'). The dependence of modulus of elas7city along the wood fibres (EL) and the total colour change of beech wood a'er the hydrothermal process (right). Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 Žveplan, E., & Straže, A.: AcousAc properAes of beech wood a.er hydrothermal treatment 10 Raziskava pa je potrdila tudi pomembno pove- zavo med spremembami gostote lesa v procesu hi- drotermične obdelave in barvnimi spremembami. Potrdili smo linearno odvisnost relaAvne spre- membe gostote lesa ter celotne spremembe barve (ΔE) po postopku obdelave (Slika 4), in zabeležili dokaj dobro ujemanje (R2 = 0,72). Podoben trend, z nekoliko šibkejšo korelacijo (R2 = 0,47), se je izkazal tudi pri odvisnosA modula elasAčnosA vzdolž lesnih vlaken (EL) od spremembe barve bukovine po hidro- termični obdelavi. Povezanost fizikalnih in mehanskih sprememb v postopkih toplotne obdelave so obravnavale tudi druge študije. Johansson et al. (2006) niso potrdili staAsAčne povezave med spremembo barve in upo- gibno trdnostjo brezovega lesa pri različnih stopnjah toplotne obdelave. Obratno pa Patzelt et al. (2003) omenjajo poziAvno korelacijo med izgubo mase in spremembo barve lesa med toplotno obdelavo. 3.2 AKUSTIČNI KAZALNIKI 3.2 ACOUSTIC PARAMETERS Podobno kot pri meritvah z ultrazvokom smo iz- boljšanje togosA hidrotermično treArane bukovine potrdili tudi pri prečnem vzbujanju preizkušancev. Povišanje sta izkazala tako upogibni modul elasA- čnosA, kot tudi strižni modul (Slika 9). Ker je bila go- stota bukovine po hidrotermi čni obdelavi nižja od gostote neobdelanega lesa, sta se ob tem povišala tudi specifična modula (ESP = E⁄ρ) in (GSP = G⁄ρ), slednji staAsAčno neznačilno (Slika 5). Oba specifična modula sta neposredno pove- zana z akusAčnimi kazalniki, predstavljenimi v nada- ljevanju. Njuno izboljšanje je šibko, s čimer ne moremo z gotovostjo napovedaA izboljšanja kako- vosA akusAčnih lastnosA hidrotermično obdelane bukovine po tem postopku. S tem procesom pa kot kaže značilno vplivamo na strukturne značilnosA materiala, ki pa v tej raziskavi niso bile raziskane. Po- višanje modulov tako najverjetneje lahko pripišemo t.i. večji strukturni povezanosA materiala. Obstaja namreč domneva, da se med postopkom hidroter- mične, kot tudi pri postopkih drugih toplotnih ob- delav, hemiceluloze razgradijo ter hkraA skupaj z ligninom presežejo temperaturo steklastega pre- hoda, kar kasneje ob ohlajanju povzroči delno za- mreženje in s tem znižanje deleža amorfnih- in povišanje deleža kristaliničnih delov osnovnih lesnih komponent lesa (Windeisen et al., 2007). Dušenje vibracij lesa v glasbenih inštrumenAh je eden ključnih dejavnikov (Bremaud et al., 2011, Straže et al., 2015), ki določa namen uporabe kosa lesa v posameznem glasbenem inštrumentu. Glede na vrsto inštrumenta uporabljamo tudi različne lesne vrste, konstrukcijske posebnosA in oblike ma- teriala. Vsak kos lesa ima namreč drugačne vibracij- ske značilnosA zaradi heterogenosA materiala. Z raziskavo smo ugotovili, da se je dušenje upogib- Slika 5. Specifični modul elas7čnos7 (levo) in specifični strižni modul (desno) (N – naravna bukovina; M – hidrotermično obdelana bukovina). Figure 5. Specific modulus of elas7city (le') and specific shear modulus (right) (N – untreated beech wood, M – hydrothermally-treated beech wood). Žveplan, E., & Straže, A.: AkusAčne lastnosA bukovine po hidrotermični obdelavi Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 11 nega kot tudi torzijskega nihanja preizkušancev po hidrotermični obdelavi pri obeh načinih nihanja ne- koliko zmanjšalo, vendar ne staAsAčno značilno (Slika 6). Pomembno pa je hidrotermična obdelava vplivala na homogenost rezultatov, kjer je bil raztros rezultatov po obdelavi manjši kot pri naravni buko- vini. Specifični modul elasAčnosA kot tudi dušenje, naj bi bila po navedbah Obataya et al. (2000) precej povezana s strukturo lesa. Pri iglavcih so tako de- nimo potrdili, da z večanjem mikrofibrilnega kota specifični modul elasAčnosA upada, narašča pa dušenje. Pri izbiri materialov za izdelavo glasbenih inštru- mentov se namesto specifičnega modula elasAčnosA pogosteje upošteva akusAčni koeficient (K), ki v praksi pove, da je kos lesa, ki je bolj glasen, tudi bolj trden na enoto mase (Wegst, 2006). Za doseganje op- Amalnega resoniranja delov in komponent glasbenih inštrumentov torej izbirajo kose lesa s čim višjim K in z ustreznimi lastnimi frekvencami. Pri hidrotermično Slika 6. Koeficient dušenja prečnega (levo) in torzijskega nihanja (desno) naravne (N) in hidrotermično obdelane bukovine (M). Figure 6. Damping coefficient of transverse (le') and torsional vibra7on (right) of untreated (N) and hydrothermally-treated beech wood (M). Slika 7. Akus7čni koeficien7 prečnega upogibnega (levo) in torzijskega nihanja (desno) naravne (N) in hidrotermično obdelane bukovine (M). Figure 7. Acous7c coefficients of cross bending (le') and torsional vibra7on (right) of untreated (N) and hydrothermally-treated beech (M). Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 Žveplan, E., & Straže, A.: AcousAc properAes of beech wood a.er hydrothermal treatment 12 obdelanih preizkušancih smo ugotovili značilno povi- šanje K pri upogibnem nihanju ter neznačilno pove- čanje akusAčnega koeficienta pri torzijskem nihaju (Slika 7). V splošnem predstavlja akusAčni koeficient mero radiacije zvoka materiala glede na njegovo no- tranje trenje, zatorej imajo preizkušanci po treAranju močneje izražene frekvence upogibnega nihanja. Za pojasnitev vpliva strukture lesa na njegovo zvočnost so Obataya et al. (2000) predstavili tudi faktor relaAvne učinkovitosA akusAčne pretvorbe (RACE), ki naj bi direktno odražal mikrostrukturne lastnosA lesa. Pri tem kazalniku smo potrdili le majhno povečanje vrednosA RACE pri torzijskem ni- hanju hidrotermično obdelanih bukovih preizkušan- cev (Slika 8). Slednji rezultat sovpada tudi s strižnim modu- lom (Slika 9), ki je bil višji pri hidrotermično obdelani bukovini. Že kazalnik K je pokazal, da je ostala radia- cija zvoka torzijskega nihanja prakAčno nespreme- njena glede na prečno nihanje. Zaključimo lahko, da je hidrotermična obdelava poziAvno vplivala tudi na torzijsko nihanje bukovine. 4 ZAKLJUČKI 4 CONCLUSIONS Hidrotermična obdelava lesa je poziAvno vpli- vala na hitrost preleta zvoka v vzdolžni in radialni anatomski smeri bukovega lesa, kar je vplivalo na ohranitev modulov elasAčnosA. HkraA tudi ugota- vljamo, da je ob blagih pogojih in pri kratkotrajnem postopku hidrotermične obdelave izguba mase in s tem gostote lesa relaAvno majhna. Pri merjenju barve lesa pred in po hidrotermi- čni obdelavi smo ugotovili, da je sprememba barve značilno povezana s spremembami nekaterih fizikal- nih in mehanskih lastnosA. Potrdili smo linearno po- vezanost spremembe gostote s celotno spremembo barve lesa. Podobna povezanost z barvo je bila po- trjena tudi pri spremembi modula elasAčnosA v vzdolžni smeri lesa. Slika 8. Rela7vna učinkovitost akus7čne pretvorbe (RACE) prečnega (levo) in torzijskega nihanja (desno) naravne (N) in hidrotermično obdelane bukovine (M). Figure 8. Rela7ve acous7c conversion efficiency transforma7on (RACE) for transverse (le') and torsional vibra7on (right) of untreated (N) and hydrothermally-treated beech wood (M). Slika 9. Strižni modul naravne (N) in hidrotermično obdelane bukovine (M). Figure 9. Shear modulus of untreated (N) and hydrothermally-treated beech wood (M). Žveplan, E., & Straže, A.: AkusAčne lastnosA bukovine po hidrotermični obdelavi Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 13 Po hidrotermični obdelavi bukovine so imeli pre- izkušanci v vzdolžni in radialni smeri večji specifični modul elasAčnosA v primerjavi z naravnim lesom. V tangencialni smeri pa spremembe niso bile staAsA- čno značilne. Po hidrotermični obdelavi se je pri bu- kovini zmanjšalo dušenje zvoka v vzdolžni in prečni smeri. To je poziAvno vplivalo na povečanje akusA- čnega koeficienta pri hidrotermično obdelani buko- vini, ki pa je navkljub vsemu še vedno relaAvno nizek. Na osnovi sprememb akusAčnih lastnosA ugo- tavljamo, da hidrotermična obdelava povzroča struk- turne spremembe v bukovini, ki pa jih posebej nismo proučevali. To potrjuje tudi zmanjšanje akusAčne in mehanske anizotropije bukovine po hidrotermični obdelavi, kar nakazuje izboljšanje nehomogene in anizotropne strukture bukovega lesa. 6 POVZETEK 6 SUMMARY Beech has favourable mechanical properAes and is one of the most used domesAc wood species in Slovenia. Due to the prevalence of this species, we invesAgated opAons to increase the use of beech wood in the construcAon of musical instruments. However, one deficiency of beech wood is its signi- ficant damping of mechanical vibraAons. The rea- sons for the poor vibraAonal and tone quality of beech wood are derived from its non-homogeneous anatomical structure, with a large proporAon of xylem ray parenchyma. The frequent occurrence of tension wood, large transverse shrinkage aniso- tropy, presence of tyloses in the vessels and occur- rence of red heart also have negaAve effects on the wood’s acousAc properAes. In spite of the less suitable inherent structural characterisAcs of beech wood, its subcellular proper- Aes can be changed, which thus affects the physico- mechanical properAes of wood. There is potenAal for improving the elasto-mechanical and viscoelasAc properAes of beech wood, in parAcular, with the use of heat treatment in an atmosphere with inert gases, in a vacuum, and in unsaturated and saturated va- pour atmospheres. The laBer are hydrothermal treat- ments, and depend on temperature, pressure and duraAon. These treatments especially contribute to the decomposiAon of the amorphous parts of wood hemicelluloses and the cellulose, and improve the networking of the hemicellulose-lignin matrix. We studied the use of a short-term hydrother- mal treatment for changing the acousAc properAes of beech wood. Ten pairs of radially oriented speci- mens with the nominal dimensions of 500 x 160 x 12 mm were cut off from two beech logs and air dried. The 1-hour hydrothermal treatment of the specimens followed in a saturated vapour atmo- sphere at a temperature of 135 °C and pressure of 2.5 bars. A.er condiAoning at 20 °C and 50 % rela- Ave humidity (RH), the density of specimens was de- termined, as well as ultrasound velocity in individual anatomical direcAons of wood and the wood colour in the CIELab system. In the radial, tangenAal and longitudinal direcAons of the wood, the moduli of elasAcity as well as mechanical and acousAc aniso- tropy were also determined. The specimens were then mechanically excited in transverse-bending mode and in torsional mode of vibraAon. From the frequency response of the specimens we determi- ned the bending and torsion sAffness, the damping of vibraAon, and some acousAc quality parameters. A.er hydrothermal processing, we confirmed a minimum reducAon in the density of beech wood (-2.5 %). The speed of ultrasound increased up to 10 % in beech wood a.er hydrothermal treatment, and did so most in the transverse direcAon, which also contributed to the improvement of wood sAff- ness. Mechanical anisotropy also decreased favou- rably due to major changes in the transverse direcAon of the wood. The results also confirmed a characterisAc change in the total colour of the wood, i.e. mostly a reducAon of colour lightness, which was characterisAcally and linearly related to the change in wood density and sAffness along the grain. The shear modulus of the beech also impro- ved a.er the treatment. The acousAc quality para- meters of hydrothermally-treated beech wood were parAally improved. We confirmed a larger specific modulus of elasAcity and acousAc coefficient, as well as a lower damping of transverse bending vi- braAons and of torsional vibraAons of hydrother- mally-treated beech wood. ZAHVALA ACKNOWLEDGEMENT Raziskovalni program št. P4-0015 je sofinanci- rala Javna agencija za raziskovalno dejavnost Repu- blike Slovenije iz državnega proračuna. Les/Wood, Vol. 66, No. 2, November 2017 Žveplan, E., & Straže, A.: AcousAc properAes of beech wood a.er hydrothermal treatment 14 VIRI REFERENCES Abe, H., & Fujii, H. (2003). Method for manufacturing of modified wood. US patent No. 6.667.429 B2, Washington, U.S. patent of- fice, 23.12.2003. Brancheriau, L., & Bailléres, H. (2002). Natural vibraAon analysis of clear wooden beams: A theoreAcal review. Wood Science and Technology, 36, 347–365. Bremaud, I., Amusant, N., Minato, K., Gril, J., & Thibaut, D. (2011). Effect of extracAves on vibraAonal properAes of African Padauk (Pterocarpus soyauxii Taub.). Wood Science and Technology, 45, 735–754. Bremaud, I., El Kaim, Y., Guibal, D., Minato, K., Thibaut, B., & Gril, J. (2012). CharacterisaAon and categorisaAon of the diversity in viscoelasAc vibraAonal properAes between 98 wood types. An- nals of Forest Service, 69. 373–386. Bucur, V. (2006). AcousAcs of wood. Berlin, Springer Verlag, 393 str. Čufar, K. (2006). Anatomija lesa. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo, 185 str. Čufar, K., Gorišek, Ž., Merela, M., Kropivšek, J., Gornik Bučar, D., & Straže, A. (2017). LastnosA bukovine in njena raba. Les/Wood, 66, 27–39. Divos, F., Tanaka, T., Nagao, H., & Kato, H. (1998). DeterminaAon of shear modulus on construcAon size Amber. Wood Science and Technology, 32, 393–402. Fengel, D., & Wegener, G. (1989). Wood: Chemistry, Ultrastructure, ReacAons. Walter De Gruyter. Gorišek, Ž. (1992). Vpliv prečne krčitvene anizotropije lesa na su- šenje in stabilnost (Dokt. disertacija). Ljubljana, Univerza v Lju- bljani, Biotehniška fakulteta. Gorišek, Ž. (2009). Les: Zgradba in lastnosA: Njegova variabilnost in heterogenost. Ljubljana, Biotehniška fakulteta, Oddelek za le- sarstvo. Johansson, D., & Moren, T. (2006). The potenAal of colour measu- rement for strength predicAon of thermally treated wood. Holz als Roh- und Werkstoff, 64, 104–110. Mitkovski, B. (2013). Strukturne in akusAčne lastnosA lesa za tol- kala. Dipl. projekt. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za lesarstvo. Obataya, E., Ono, T., & Norimoto, M. (2000). VibraAonal properAes of wood along the grain. J Mater Sci, 35, 2993–3001. Olsson, A.M., & Salmen, L. (1997). The effect of lignin composiAon on the viscoelasAc properAes of wood. Nordic Pulp and Paper Resource Journal, 3, 140–144. Ono, T., & Norimoto, M. (1983). Study on Young's modulus and in- ternal fricAon of wood in relaAon to the evaluaAon of wood for musical instruments. Japanese Journal of Applied Physics, 22, 611–614. Patzelt, M., Emsenhuber, G., & SAngl, R. (2003). Colour Measure- ment as means of Quality Controlof Thermally Treated Wood. In: Proceedings of the first European conference on wood mo- dificaAon. Ghent, Belgium. April 3–4 2003, 213–218. Pfriem, A., Wagenführ, A., Ziegenhals, G., & Eichelberger, K. (2005). Use of wood performed by heat-treatment for musical instru- ments. In: Proceedings of the Second European Conference on Wood ModificaAon, GöCngen, 390–397. Stamm, A.J. (1956). Thermal degradaAon of wood and cellulose. In- dustrial and Engineering Chemistry, 48 (3),39–44. Straže, A., Mitkovski, B., Tippner, J., Čufar, K., & Gorišek, Ž. (2015). Structural and acousAc properAes of African padouk (Pterocar- pus soyauxii) wood for xylophones. European Joournal of Wood and Wood Products, 73, 235–243. Straže, A. (2015). THM treatment causes similar changes of wood properAes as wood aging. Osebna komunikacija. Yano, H. (1994). The changes in the acousAc properAes of Western red cedar due to methanol extracAon. Holzforschung, 48, 491– 495. Wegst, U. (2006). Wood for sound. American Journal of Botany, 93,1439–1448. Windeisen, E., Strobel, C., & Wegener, G. (2007). Chemical changes during the producAon of thermo-treated beech wood. Wood Science and Technology, 41, 523–536. Windeisen, E., Bächle, H., Zimmer, B., & Wegener, G. (2008). Rela- Aons between chemical changes and mechanical properAes of thermally treated wood. Holzforschung, 63, 773–778. Zauer, M., Kowalewski, A., Sproβman, R., Stojanek, H., & Wagen- führ, A. (2015). Thermal modificaAon of European beech at re- laAvly mild temperatures for the use in electric bass guitars. European Journal of Wood Products, 74, 43–48.