Fafizika 7. elıadás Akusztikai és optikai tulajdonságok Prof. Dr. Molnár Sándor NYME, FMK, Faanyagtudományi Intézet
Akusztikai faanyagjellemzık Gyakorlati szerepe A hang sebessége a fában Akusztikai ellenállás, sugárzáscsillapítás Hangelnyelés, hangszigetelés A hangszerfák jellemzıi
Optikai tulajdonságok Gyakorlati szerepe A faanyag rajzolata A faanyag színe és mérése A faanyag színének megváltozása Fényabszorpciós és reflexiós tulajdonságok
Bevezetés
A hang: mechanikai rezgések által keltett hullám, amely szilárd testekben, folyadékokban, gázokban halad. A hanghullámok longitudinálisak, és sőrősödési és ritkulási helyekbıl állnak. A rezgések száma alapján megkülönböztetünk: infrahangokat (f<20 Hz), a fül által érzékelhetı normál hangokat (f = 2020000 Hz), ultrahangokat (f = 20 kHz-10 MHz) és hiperhangokat (f>10 MHz). A fának is fontos anyagjellemzıje a hangsebesség. A fatestben terjedı hanghullámokat is jellemzi a visszaverıdés, a törés, a csillapodás, a rezonancia, stb.
Gyakorlati jelentısége
Különbözı faépítmények kialakítása szempontjából fontos figyelembe venni a lég- és testhang gátlás, a hangelnyelés, hangvisszaverés jellemzıit. A hang terjedésének és a rugalmassági jellemzıknek a kapcsolata szolgáltatja az alapot az akusztikai elven mőködı roncsolásmentes anyagvizsgálatokhoz. Az akusztikai faanyagjellemzık ismerete rendkívül fontos a hangszerfák minısítése, gyártása szempontjából. A faanyagban ébredı belsı mechanikai feszültségek (pl. zsugorodáskor) hanghullámokat gerjesztenek, és ennek mérése lehetıséget teremt a szárítási folyamatok szabályozására. Az intenzív ultrahanggal történı faanyagkezelés elısegítheti a faanyag jobb telíthetıségét.
A hang sebessége a fában
A hanghullámok terjedési sebességét hangsebességnek nevezik. ĺgy felírható: C=λ·F A fára jellemzı longitudinális rezgéseknél a hang terjedési sebessége (C) [m/s]:
E C= ρ
A hang sebessége a fában rostirányban 3500-5500, rostokra merılegesen 800-3000 m/s. A sugár- és a húrirányok között mindössze 20-30% különbség tapasztalható.
A hangterjedés sebessége néhány fafajnál Fafaj
Sőrőség (u = 12%) kg/m3
Rugalmassági modulusz MPa ||
⊥
Hangsebesség m/s || ⊥
Lucfenyı Erdeifenyı Jegenyefenyı
470 520 460
11000 12000 11000
550 460 490
4790 4760 4890
1072 932 1033
Hegyi juhar Bükk Tölgy
630 730 690
9400 16000 13000
915 1500 1000
3826 4638 4304
1194 1420 1193
Akusztikai ellenállás, sugárzáscsillapítás
A hang terjedésével szemben az anyagok ellenállást (Z) fejtenek ki. Ez egyenes arányban van a sőrőséggel (ρ) és a hangsebességgel (C) [kg/m2s ]: E Z = ρ⋅C = ρ ρ
A sőrőség hatása a hangsebességére
Akusztikai ellenállás értékek néhány fafaj (rostirány) és egyéb anyag esetén Fafaj, anyag
Akusztikai ellenállás kg/m2s
Lucfenyı
23 . 105
Jegenyefenyı
23 . 105
Erdeifenyı
25 . 105
Vörösfenyı
28 . 105
Tölgy
30 . 105
Bükk
34 . 105
Bronz
168 . 105
Levegı
4,3 . 102
víz
14 . 105
Gumi
10 . 105
Acél
395 . 105
Sugárzás csillapítása a hangellenállás függvényében
Hangelnyelés, hangszigetelés
A porózus fatest esetében a levegıben áramló hanghullámok az üregeken keresztül a sejtfalakba ütköznek, és kétféle hatást válthatnak ki:
a rezgı mozgás egy része hıvé alakul, és/vagy a vékony sejtfal lemezkék a hanghullámok hatására rezgésbe jönnek (rezonálnak).
Az elsı esetben inkább a nagyobb frekvenciájú, magas hangok, a második esetben a kisebb frekvenciájú, mély hangok kerülnek elnyelésre. A hangelnyelés (abszorpció) foka:
W2 α= ⋅ 100 W1
A hangelnyelés függ
a faanyag sőrőségétıl, nedvességtartalmától, szöveti inhomogenitásától, anyagvastagságától és a frekvenciától.
A kemény, kis porozitású anyagok kevés hangenergiát abszorbeálnak. A hangelnyelés általában növekszik a vastagsággal, a hımérséklettel és a frekvenciával.
Az épületszerkezetekben rendkívül fontos jellemzı a szerkezetek hanggátlása, hangszigetelése. A levegıben terjedı hangok esetében léghanggátlásról beszélünk (pl. ajtó, ablak), ha a keltett hangenergia szilárd testen halad végig, akkor pedig testhanggátlásról („lépéshanggátlásról”. A hangszigetelés mértéke szorosan összefügg a hang abszorpcióval és a hang visszaveréssel. Egy-egy épületelemre vonatkozóan a hangszigetelés (R) mértéke [dB]: P1 R = 10 ⋅ lg P2
A hangszerfák jellemzıi
A különbözı hangszerekhez felhasználnak nyír, bükk, gyertyán, hárs, körte, kıris, ében, stb. fafajokat. A rezonáns fa (fenék) pl. a hegedő esetében átveszi a rezgéseket, felerısíti az amplitúdókat és a faanyag jellemzıitıl is függı hangmagasságot ill. hangszínt biztosítja. Tehát alapvetı követelmény a sőrő, egyenletes évgyőrőszerkezet. A faanyag elıkészítése során rendkívül fontos a 3-5 évig tartó, lassú, természetes szárítás. A hangszerfák objektív jellemzésére a vizuális minısítés mellett felhasználják az ún. akusztikai állandót (KA) [m4/kg s].
KA =
E
ρ
3
=
C
ρ
A hangszerfák minısítésére alkalmas faanyag jellemzık Fafaj
Sőrőség kg/m3
Rugalmassági modulusz MPa
Hangsebességek Akusztikai állandó hányadosa C||/C⊥ m4/kg . s
Lucfenyı (rezon.)
420
11000
4,47
12,0
Erdeifenyı
500
15000
5,11
11,0
Kıris
700
15000
3,69
6,5
Bükk
750
14000
3,27
6,0
Nyír
630
14000
2,36
7,5
Mezei juhar
700
11000
3,21
5,8
A faanyag optikai tulajdonságai
A faanyag optikai tulajdonságai alatt a fatest és a különbözı fényhullámok kapcsolatát értjük. Így foglalkozunk a fa színével, a fafelületek rajzolataival (textúrájával) a fa színének modifikálásával, és röviden a fényabszorpciós ill. reflexiós faanyagjellemzıkkel. A tulajdonságok fizikai szempontból a fa felületéhez kapcsolódnak, és alapvetı szerepük van a fatermékek esztétikai megjelenésében.
Gyakorlati szerepe
A belsıépítészeti fatárgyak, eszközök értékét jelentıs részben esztétikai megjelenésük határozza meg. Kiemelkedı szerepe van a fa színének és rajzolatának. A faanyagok színének különbözı módszerekkel történı megváltoztatása (modifikálása) lehetıvé teszi a jellegtelen színő és rajzolatú fából elınyösebb megjelenéső termékek gyártását. A faanyag színmérési módszereinek tökéletesítése hozzájárulhat a vizuális faanyag osztályozás korszerősítéséhez, a fatermékek színének stabil, pontos reprodukálásához, a faanyag degradációs fokának egzakt meghatározásához. A különbözı spektroszkópiai módszerek betekintési lehetıséget adnak a faanyag mikroszerkezetébe, kémiai összetételébe.
A faanyag rajzolata I.
A fa rajzolata (textúrája) nem más, mint a fatest makroszkópos részeinek a különbözı anatómiai irányokban történı átvágása révén kialakult kép. A faanyagok rajzolatát három tényezıcsoport határozza meg: a fafaj a vágási sík iránya, és a növekedéssel, valamint a fahibákkal összefüggı szöveti sajátosságok. A fatermékek esztétikai megjelenése szempontjából a húr- és sugárirányú vágássíkok a fontosabbak. A sugármetszeten az évgyőrő- és pászta határok párhuzamos csíkokat eredményeznek, húrmetszeten pedig parabolikus, dekoratív rajzolatokat. Értékes termékek készítésekor, furnér- és főrészipari technológiáknál tudatosan megtervezik a különbözı vágásirányokat (pl. bútor frontfelületek, parketták).
A faanyag rajzolata II.
A fafajok, fafajcsoportok hatását vizsgálva megállapítható, hogy a fenyıknél általában egyszerő a rajzolat.: Az egészséges, finom göcsök „életet” adnak a fának. A lombosfák közül a győrőslikacsúaknál markáns csíkozottság látható a sugár-, és dekoratív rajzosság a húrmetszeten. A nagy bélsugarak jól láthatók mind a sugár-, mind a húrmetszeteken. A sugármetszeten jelentkezı béltükrök jellegzetes tükrös rajzolatot adnak a tölgynek, platánnak, bükknek, kisebb mértékben a juharoknak és a szilnek. A sugárirányú metszetet ezért „tükrös vágásnak” is hívják. A húrmetszeten a nagyobb bélsugarak általában sötétebb, orsó alakú foltok formájában láthatók. Ez adja a bükknek a húrirányú „cirmosságát”.
A faanyag színe és mérése
Fiziológiai szempontból a szín a fény által a szemünkben kiváltott inger (színinger). A szín, mint fizikai jelenség a visszavert fénynek bizonyos hullámhosszokra esı tartománya. A színinger alapján megkülönböztetünk semleges (fehér, szürke, fekete) és spektrális színeket. A spektrális színeknek három alapjellemzıjük van:
színezet (színárnyalat)
alapszínek: vörös, zöld, kék közbülsı színek: az alapszínekbıl additív úton keverhetık ki
világosság: a szemünkbe jutó fény intenzitásától függ telítettség: annál nagyobb fokú, minél kisebb a spektrális szín fehértartalma.
A természetes fa színárnyalatai a sárga-vörös tartományba esnek.
A faanyag színe és mérése
A színérzékenység személyenként eltérı, de az emberi szem szelektíven érzékeny a vörös, zöld, kék színekre. Ezen alapulnak a különbözı színmérési rendszerek. A színmérı rendszer lényege, hogy az a*, b*, L* színkoordinátákat egy térbeli koordinátarendszerben helyezi el. Az X,Y,Z színösszetevıket spektrofotométer segítségével határozzák meg. Ezekbıl számíthatók a színkoordináták. a* = 500 [(X/X0)1/3 - (Y/Y0)1/3] b* = 200 [(Y/Y0)1/3 - (Z/Z0)1/3] L* = 116 (Y/Y0)1/3 -16 a térbeli koordinátarendszerben egy adott színpont színezete: h*ab = arc tg (b*/a*) A telítettség: C*ab = [(a*)2 + (b*)2]1/2
A színinger különbséget (∆E*) a két színpont távolsága alapján: ∆E* = [(∆a*)2+ (∆b*)2 + (∆L*)2]1/2
Emberi szem színérzékenységi görbéi
Fafajok színjellemzıi X
Y
Z
a*
b*
L*
h*ab
C*ab
Kıris
61,76
60,67
49,02
5,27
20,17
82,20
75,35
20,84
Hárs
59,52
59,07
42,31
3,80
25,81
83,33
81,62
26,08
Aningeri
55,50
54,59
40,32
4,94
23,72
78,86
78,23
24,22
Nyár
55,00
54,30
39,86
4,42
23,96
78,64
79,54
24,36
Avodir
44,27
43,19
31,34
5,84
22,61
71,63
75,51
23,35
Körte
46,50
44,29
29,79
8,76
26,13
72,42
71,46
27,55
Bükk
44,58
42,31
33,12
9,09
19,28
71,08
64,75
21,31
Vörösfenyı I. (késelt)
44,58
41,93
27,48
13,07
26,72
70,82
63,93
29,74
Cseresznye I.
44,59
42,82
30,08
7,61
23,14
71,43
71,49
24,35
Tölgy
39,86
37,85
25,49
8,69
24,74
67,91
70,64
26,22
Csertölgy
40,66
38,44
27,90
9,28
21,83
68,34
66,96
23,72
Vörösfenyı II. (hámozott)
36,52
33,14
19,54
13,71
28,64
64,27
64,41
31,75
Afrormosia
29,40
27,73
17,53
8,58
24,56
59,64
70,70
26,01
Cseresznye II.
30,13
27,35
19,06
12,83
20,97
59,30
58,54
24,58
Dió II.
24,01
22,60
17,50
8,23
16,03
54,66
62,82
18,01
Mutenye
21,71
20,14
12,37
9,38
22,99
52,00
67,80
24,82
Dió I.
20,41
19,53
15,55
6,21
14,32
51,30
66,55
15,60
Mahagóni
16,47
14,65
10,61
12,28
15,89
45,15
52,30
20,08
Kókuszdió
12,57
11,69
10,17
7,62
9,50
40,72
51,26
12,17
Fafaj
A faanyag színét befolyásoló tényezık
A különbözı színbeli árnyalatok, sajátosságok egy-egy fafajnál a gesztesítı anyagok berakódásának eredményei. A termıhelyi viszonyok szintén hatással vannak a fa színére. A színkülönbségek a talajjal is összefüggésben állnak. A színváltozás a korral is kapcsolatban áll, az idısebb fák általában sötétebb színőek. A napsugárzás ultraibolya tartománya, a levegı oxigénje a frissen feldolgozott faanyag felszínén barnulást, szürkülést okoz. A vízben tárolt faanyagnál szintén jelentıs színváltozások figyelhetık meg. A nagy csersavtartalmú fák a mechanikai megmunkálás, az acélszerszámokkal való érintkezés során foltosodhatnak. A világos színő, értékes fák (pl. bükk, nyír) konvekciós szárításakor gyakran elıfordul a faanyag erıs sárgulásabarnulása.
A fák színének megváltoztatása
A faanyag gızölése évszázados módszer a fák színének megváltoztatására. Megállapították, hogy a gızölés okozta elváltozások miatt megszőnik a lineáris kapcsolat a világossági mutató és a színezeti szög között. A mőszeres színmérés lehetıséget teremtett a gızölési menetrendek optimalizálására. A fák színét modifikálhatjuk ammóniás kezeléssel Ezenkívül számos módszert alkalmaznak a kedvezı színhatások elérésére, így megemlítjük a furnérok teljes keresztmetszető mélyfestését, a színes mőgyantákkal való telítést. Természetesen a legáltalánosabban használt színmodifikálási módszerek a pácolás, és a festés. A faanyagok felülete lehet fényes, csillogó, vagy pedig matt.
Gızölés hatása az akác világossági mutatójára
Fényabszorpciós és reflexiós tulajdonságok
A faanyagok a felületükre jutó fény jelentıs részét elnyelik, egy részét pedig visszaverik. A fotonok behatolási mélysége elsısorban a fény hullámhosszától függ. A reflexiós színkép (R) egy olyan függvény, amely megadja, hogy a minta felületére esı fénysugár teljesítménynek hány százaléka jut a detektorra a diffúz visszaverıdés folyamán, a hullámhossz és a frekvencia függvényében. A faanyag reflexiós színképe különösen az infravörös tartományban jellegzetes. Az infravörös (IR és NIR) spektroszkópia így felhasználható:
ragasztóanyag és faapríték keverékekben a ragasztóanyagok mennyiségi és minıségi elemzésére, a lignin és cellulóz lebontás tanulmányozására a farontó gombák által károsított faanyagban, a faanyag felületi degradációjának mérésére, a faanyag nedvességtartalmának, higroszkópos tulajdonságainak vizsgálatára (NIR spektroszkópia).
I214 olasz nyár diffúz reflexiós színképe IR tartományban
Köszönöm a figyelmet!
