Fafizika 7. elıad. Akusztikai és s optikai tulajdonságok NYME, FMK,

Átírás

1 Fafizika 7. elıad adás Akusztikai és s optikai tulajdonságok Prof. Dr. Molnár r SándorS NYME, FMK, Faanyagtudományi nyi Intézet

2 Akusztikai faanyagjellemzık Gyakorlati szerepe A hang sebessége a fábanf Akusztikai ellenáll llás, sugárz rzáscsillapítás Hangelnyelés, hangszigetelés A hangszerfák k jellemzıi Optikai tulajdonságok Gyakorlati szerepe A faanyag rajzolata A faanyag színe és s mérésem A faanyag színének nek megváltoz ltozása Fényabszorpciós és s reflexiós s tulajdonságok

3 Bevezetés A hang: mechanikai rezgések által keltett hullám, amely szilárd testekben, folyadékokban, gázokban g halad. A hanghullámok longitudinálisak, lisak, és s sőrősödési s si és s ritkulási helyekbıl állnak. A rezgések száma alapján n megkülönb nböztetünk: infrahangokat (f<20 Hz), a fül f által érzékelhetı normál l hangokat (f = Hz), ultrahangokat (f = 20 khz-10 MHz) és hiperhangokat (f>10 MHz). A fának f is fontos anyagjellemzıje a hangsebesség. g. A fatestben terjedı hanghullámokat is jellemzi a visszaverıdés, s, a törés, t a csillapodás, s, a rezonancia, stb.

4 Gyakorlati jelentısége Különbözı faépítm tmények kialakítása szempontjából l fontos figyelembe venni a lég-l és s testhang gátlg tlás, a hangelnyelés, hangvisszaverés s jellemzıit. A hang terjedésének és s a rugalmassági gi jellemzıknek a kapcsolata szolgáltatja ltatja az alapot az akusztikai elven mőködım roncsolásmentes smentes anyagvizsgálatokhoz. Az akusztikai faanyagjellemzık k ismerete rendkívül l fontos a hangszerfák k minısítése, se, gyárt rtása szempontjából. A faanyagban ébredı belsı mechanikai feszülts ltségek (pl. zsugorodáskor) skor) hanghullámokat gerjesztenek, és s ennek mérése lehetıséget teremt a szárítási si folyamatok szabályoz lyozására. Az intenzív v ultrahanggal törtt rténı faanyagkezelés s elıseg segítheti a faanyag jobb telíthet thetıségét. t.

5 A hang sebessége a fában A hanghullámok terjedési sebességét hangsebességnek gnek nevezik. ĺgy felírhat rható: C = λ F A fára jellemzı longitudinális lis rezgésekn seknél a hang terjedési sebessége (C) [m/s]: C = E ρ A hang sebessége a fában f rostirányban , 5500, rostokra merılegesen m/s. A sugár- és s a húrirh rirányok között k mindössze 20-30% különbsk nbség g tapasztalható.

6 A hangterjedés sebessége néhányny fafajnál Fafaj Sőrőség (u = 12%) Rugalmassági modulusz MPa Hangsebesség m/s kg/m 3 Lucfenyı Erdeifenyı Jegenyefenyı Hegyi juhar Bükk Tölgy

7 Akusztikai ellenáll llás, sugárz rzáscsillapítás A hang terjedésével szemben az anyagok ellenáll llást (Z) fejtenek ki. Ez egyenes arányban van a sőrőséggel (ρ) és a hangsebességgel ggel (C) [kg/m 2 s ]: E Z = ρ C = ρ ρ A sőrőség hatása a hangsebességére

8 Akusztikai ellenáll llás értékek néhányny fafaj (rostirány) és egyéb anyag esetén Fafaj, anyag Lucfenyı Jegenyefenyı Erdeifenyı Vörösfenyı Tölgy Bükk Bronz Levegı víz Gumi Acél Akusztikai ellenállás kg/m 2 s ,

9 Sugárz rzás s csillapítása sa a hangellenáll llás függvényében

10 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 m esetben a kisebb frekvenciájú,, mély m hangok kerülnek elnyelésre. A hangelnyelés s (abszorpció) ) foka: α = W W

11 A hangelnyelés függ a faanyag sőrőségétıl, nedvességtartalm gtartalmától, szöveti inhomogenitásától, anyagvastagságától és a frekvenciától. A kemény ny, kis porozitású anyagok kevés hangenergiát abszorbeálnak lnak.. A hangelnyelés általában növekszik a vastagsággal ggal,, a hımérséklettel és a frekvenciával val.

12 Az épületszerkezetekben rendkívül fontos jellemzı a szerkezetek hanggátl tlása, hangszigetelése se. A levegıben terjedı hangok esetében léghanggátlásról beszélünk (pl. ajtó, ablak), ha a keltett hangenergia szilárd testen halad végig, akkor pedig testhanggátl tlásról ( lépéshanggátlásról. A hangszigetelés mértéke szorosan összefügg a hang abszorpcióval és a hang visszaveréssel ssel. Egy-egy épületelemre vonatkozóan an a hangszigetelés (R) mértéke [db]: P1 R = 10 lg P 2

13 A hangszerfák jellemzıi A különbözı hangszerekhez felhasználnak lnak nyír, bükk, gyertyán, hárs, körte, kıris, ében, stb. fafajokat. A rezonáns ns fa (fenék)) pl. a hegedő esetében átveszi a rezgéseket seket, felerısíti az amplitúdókat és a faanyag jellemzıit itıl is függı hangmagasságot got ill. hangszínt nt biztosítja tja. Tehát alapvetı követelmény a sőrő, egyenletes évgyőrőszerkezet. A faanyag elıkész szítésese során rendkívül fontos a 3-53 évig tartó, lassú, természetes szárítás. A hangszerfák objektív jellemzésére a vizuális minısítés mellett felhasználj lják az ún. akusztikai állandót (KA) [m 4 /kg s]. E K A = = 3 ρ C ρ

14 A hangszerfák minısítésére alkalmas faanyag jellemzık Fafaj Sőrőség kg/m 3 Rugalmassági modulusz MPa Hangsebességek hányadosa C /C Akusztikai állandó m 4 /kg. s Lucfenyı (rezon.) ,47 12,0 Erdeifenyı ,11 11,0 Kıris ,69 6,5 Bükk ,27 6,0 Nyír ,36 7,5 Mezei juhar ,21 5,8

15 A faanyag optikai tulajdonságai A faanyag optikai tulajdonságai alatt a fatest és a különbözı fényhullámok kapcsolatát értjük. Így foglalkozunk a fa színével vel,, a fafelületek letek rajzolataival (textúrájával)) a fa színének nek modifikálásával val, és röviden a fényabszorpciós ill. reflexiós faanyagjellemzıkkel kkel. A tulajdonságok fizikai szempontból a fa felület letéhez kapcsolódnak dnak, és alapvetı szerepük van a fatermékek esztétikai tikai megjelenésében ben.

16 Gyakorlati szerepe A belsıépítészeti szeti fatárgyak rgyak, eszközök értékét jelentıs részben esztétikai tikai megjelenésük határozza meg. Kiemelkedı szerepe van a fa színének nek és rajzolatának nak. A faanyagok színének nek különbözı módszerekkel történı megváltoztat ltoztatása (modifikálása) lehetıvé teszi a jellegtelen színő és rajzolatú fából elıny nyösebb megjelenéső termékek gyárt rtását. A faanyag színm nmérési módszereinek tökéletesítésese hozzájárulhat a vizuális faanyag osztályoz lyozás korszerősítéséhez hez, a fatermékek színének nek stabil, pontos reprodukálásához hoz,, a faanyag degradáci ciós fokának egzakt meghatároz rozásához. A különbözı spektroszkópiai piai módszerek betekintési lehetıséget adnak a faanyag mikroszerkezetébe be, kémiai összetételébe.

17 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 nya, és a növekedéssel, valamint a fahibákkal összefüggı szöveti sajátoss tosságok. A fatermékek esztétikai tikai megjelenése szempontjából a húr- és sugárir rirányú vágássíkok a fontosabbak. A sugármetszeten az évgyőrő- és pászta határok párhuzamos csíkokat eredményeznek nyeznek, húrmetszeten pedig parabolikus, dekoratív rajzolatokat. Értékes termékek készítésekor, furnér- és főrészipari technológi giáknál tudatosan megtervezik a különbözı vágásirányokat (pl. bútor frontfelületek letek, parketták).

18 A faanyag rajzolata II. A fafajok, fafajcsoportok hatását vizsgálva megállap llapítható, hogy a fenyıkn knél általában egyszerő a rajzolat.: Az egészs szséges, finom göcsök életet adnak a fának. A lombosfák közül a győrőslikacs slikacsúaknál markáns csíkozotts kozottság 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 nnak, bükknek, kisebb mértékben a juharoknak és a szilnek.. A sugárir rirányú 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.

19 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 nya. A színinger alapján megkülönb nböztetünk semleges (fehér, szürke rke, fekete) és spektrális színeket neket.. A spektrális színeknek három alapjellemzıjük van: színezet (színárnyalat) alapszínek nek: vörös, zöld, kék közbülsı színek nek: az alapszínekb nekbıl additív úton keverhetık ki világoss gosság: : a szemünkbe jutó fény intenzitásától függ telítetts tettség: annál nagyobb fokú, minél kisebb a spektrális szín fehértartalma rtartalma. A természetes fa színárnyalatai a sárga-vörös tartományba esnek.

20 A faanyag színe és mérése A színérz rzékenység személyenk lyenkéntnt eltérı,, de az emberi szem szelektíven érzékeny a vörös, zöld, kék színekre nekre. Ezen alapulnak a különbözı színm nmérési rendszerek. A színm nmérı rendszer lényege, hogy az a*, b*, L* színkoordin nkoordinátákatkat egy térbeli koordinátarendszerben helyezi el. Az X,Y,Z színösszetev sszetevıket spektrofotométer ter segíts tségével határozz rozzák meg. Ezekbıl számíthat thatók a színkoordin nkoordináták. 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 t koordinátarendszerben egy adott színpont színezete: h* ab = arc tg (b*/a*) A telítetts tettség: C* ab = [(a*) 2 + (b*) 2 ] 1/2

21 A színinger különbséget ( E*) a két színpont távolsága alapján: E* = [( a*) 2 + ( b*)( 2 + ( L*)( 2 ] 1/2 Emberi szem színérzékenységi görbéi

22 Fafajok Fafajok sz színjellemz njellemzıi 12,17 51,26 40,72 9,50 7,62 10,17 11,69 12,57 Kókuszdió 20,08 52,30 45,15 15,89 12,28 10,61 14,65 16,47 Mahagóni 15,60 66,55 51,30 14,32 6,21 15,55 19,53 20,41 Dió I. 24,82 67,80 52,00 22,99 9,38 12,37 20,14 21,71 Mutenye 18,01 62,82 54,66 16,03 8,23 17,50 22,60 24,01 Dió II. 24,58 58,54 59,30 20,97 12,83 19,06 27,35 30,13 Cseresznye II. 26,01 70,70 59,64 24,56 8,58 17,53 27,73 29,40 Afrormosia 31,75 64,41 64,27 28,64 13,71 19,54 33,14 36,52 Vörösfenyı II. (hámozott) 23,72 66,96 68,34 21,83 9,28 27,90 38,44 40,66 Csertölgy 26,22 70,64 67,91 24,74 8,69 25,49 37,85 39,86 Tölgy 24,35 71,49 71,43 23,14 7,61 30,08 42,82 44,59 Cseresznye I. 29,74 63,93 70,82 26,72 13,07 27,48 41,93 44,58 Vörösfenyı I. (késelt) 21,31 64,75 71,08 19,28 9,09 33,12 42,31 44,58 Bükk 27,55 71,46 72,42 26,13 8,76 29,79 44,29 46,50 Körte 23,35 75,51 71,63 22,61 5,84 31,34 43,19 44,27 Avodir 24,36 79,54 78,64 23,96 4,42 39,86 54,30 55,00 Nyár 24,22 78,23 78,86 23,72 4,94 40,32 54,59 55,50 Aningeri 26,08 81,62 83,33 25,81 3,80 42,31 59,07 59,52 Hárs 20,84 75,35 82,20 20,17 5,27 49,02 60,67 61,76 Kıris C* ab h* ab L* b* a* Z Y X Fafaj

23 A faanyag színét befolyásol soló tényezık A különbözı színbeli árnyalatok, sajátoss tosságok egy-egy fafajnál a gesztesítı anyagok berakódásának eredményei nyei. A termıhelyi viszonyok szintén hatással vannak a fa színére re. A színk nkülönbségek a talajjal is összefüggésben állnak. A színv nváltozás a korral is kapcsolatban áll, az idısebb fák általában sötétebbtebb színőek ek. A napsugárz rzás ultraibolya tartománya nya,, a levegı oxigénje a frissen feldolgozott faanyag felszínén barnulást st, szürk rkülést okoz. A vízben tárolt faanyagnál szintén jelentıs színv nváltozások figyelhetık meg. A nagy csersavtartalmú fák a mechanikai megmunkálás, az acélszersz lszerszámokkal való érintkezés során foltosodhatnak. A világos színő, értékes fák (pl. bükk, nyír) konvekciós szárításakor sakor gyakran elıfordul a faanyag erıs sárgulása- barnulása sa.

24 A fák színének nek megváltoztat ltoztatása A faanyag gızölése évszázadoszados módszer a fák színének nek megváltoztat ltoztatására. Megállap llapították, hogy a gızölés okozta elváltoz ltozások miatt megszőnik a lineáris kapcsolat a világoss gosságigi mutató és a színezeti szög között. A mőszeres színm nmérés lehetıséget teremtett a gızölési menetrendek optimalizálására ra. A fák színét modifikálhatjuk ammóni niás kezeléssel Ezenkívül számos módszert alkalmaznak a kedvezı színhat nhatások elérésére re, így megemlítj tjük a furnérok rok teljes keresztmetszető mélyfestését,, a színes mőgyantákkal való telítést st. Természetesen a legáltal ltalánosabban használt színmodifik nmodifikálási módszerek a pácolás, és a festés. A faanyagok felülete lete lehet fényes, csillogó, vagy pedig matt.

25 Gızölés s hatása az akác c világoss gossági gi mutatójára

26 Fényabszorpciós és reflexiós tulajdonságok A faanyagok a felület letükre jutó fény jelentıs részét elnyelik, egy részét pedig visszaverik. A fotonok behatolási mélysége elsısorban sorban a fény hullámhossz mhosszától függ. A reflexiós színk nkép (R) egy olyan függvény, amely megadja, hogy a minta felület letére esı fénysugár teljesítm tménynek hány százal zaléka jut a detektorra a diffúz visszaverıdés folyamán,, a hullámhossz és a frekvencia függvényében. A faanyag reflexiós színk nképe különösen az infravörös tartományban jellegzetes. Az infravörös (IR és NIR) spektroszkópia pia így felhasználhat lható: ragasztóanyag anyag és faapríték keverékekben kekben a ragasztóanyagok anyagok mennyiségi és minıségi elemzésére re, a lignin és cellulóz lebontás tanulmányoz nyozására a farontó gombák által károsított faanyagban, a faanyag felületi leti degradáci ciójának mérésére, a faanyag nedvességtartalm gtartalmának, higroszkópos tulajdonságainak vizsgálat latára (NIR spektroszkópia pia).

27 I214 olasz nyár r diffúz z reflexiós s színk nképe IR tartományban

28 Köszönöm m a figyelmet!