Спосіб коректування механічних та акустичних властивостей деревини шляхом обробки ферочастинками

Реферат: Спосіб коректування механічних та акустичних властивостей деревини шляхом обробки ферочастинок, при якому зразок розташовують в установку, оброблюють речовиною та проводять вимірювання. Зразок розташовують в установці з електромагнітами, що вмикають почергово, а обробку зразка речовиною здійснюють заповненням судин ксилеми протягом доби частинками карбонільного заліза 5-35 нм, причому їх ретельно перемішують у 0,1% розчині олеїнової кислоти протягом 2 год. до переходу у зважений стан. Додатково проводять вимірювання хвильового імпедансу. UA 89149 U (12) UA 89149 U UA 89149 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі створення способів обробки деревини, використовуваної для виготовлення елементів музичних інструментів, коректування акустичних і механічних властивостей дерев'яних заготовок. Як відомо, основними механічними властивостями деревних волокон є щільність та модуль 0,7 пружності, які для листяних порід пов'язані між собою співвідношенням Е=121,1ρ , де Ε модуль пружності, ρ - щільність [Wood Handbook: wood as an engineering material. General Technical Report 113. - Madison. - 1999.]. Ці показники визначають більшість акустичних 1/2 властивостей деревини. Так, швидкість звуку визначається як с=(Е/р) . У цілому швидкість звуку в деревині зменшується з підвищенням температури або вологості й пропорційно впливу цих змінних на модуль пружності та щільності. Вона дещо знижується зі збільшенням частоти та 1/2 амплітуди вібрації. Хвильовий імпеданс z=(Ep) так само, як і швидкість звуку, напряму зв’язаний з модулем пружності та щільністю матеріалу. Цей параметр є важливим при передачі вібраційної енергії від одного носія з хвильовим імпедансом z1 до іншого носія з імпедансом z2. Основна частота f=c/, де  - довжина хвилі, обумовлена розмірами вібруючого об'єкта, або 1/2 f=(Ε/ρ) /. Тим не менш, при виготовленні музичних інструментів застосовують деревину з різними варіаціями значень цих показників [Wegst, U. G. К. Wood for sound / U. G. К. Wegst // American Journal of Botany. - 2006. - Vol 93(10). - P. 1439-1448.]. Так, наприклад, матеріал для 3 виготовлення струнних інструментів повинен мати високе значення щільності (1200-1400 кг/м ) 3 та низьке модуля пружності (5 ГПа), швидкості звуку (2-2,510 м/с). На відміну від матеріалу для 3 виробництва смичків, у яких значення модуля Юнга (20-40 ГПа), щільності (900-1200 кг/м ), швидкості звуку (5-5,5·1000 м/с) деревини має дуже високі значення. В свою чергу середні 3 значення Ε (10-20 ГПа) та ρ (600-1000 кг/м ) використовуються при виготовленні ксилофонів, деталей скрипок, піаніно та духових інструментів. Це свідчить про те, що не лише підвищуючи, але й знижуючи значення деяких параметрів деревини можна покращувати її акустичні властивості. Добре відомо, що для отримання добрих акустичних характеристик у широкому діапазоні частот необхідно, щоб відношення модуля пружності матеріалу до його щільності було якомога вище. На цій закономірності ґрунтується розробка конструкційного композиційного матеріалу, 11 що складається з дуже тонких графітових ниток з модулем пружності 1,810 Па та щільністю 3 3 менше 2 г/см , пов'язаних між собою полімерним матеріалом з щільністю 0,15-1 г/см (патент США 4,364,990 Inventors: Haines; Daniel W. (Columbia, SC), Assignee: The University of South Carolina (Columbia, SC), Family ID: 24250295, Appl. No.: 05/563,387, Filed: March 31, 1975.). Однак такий матеріал при всіх своїх високих показниках щодо атмосферостійкості є досить дорогим і не забезпечує еквівалентні резонансні характеристики у всьому частотному діапазоні. Також добре відомий спосіб обробки деревини шляхом вакуумування з наступною обробкою мономером (патент США 4,678,715 Inventors: Giebeler; Eberhard (Mulheim, DE), Wilhelm; Gerhard (Ladenburg, DE), Assignee:Ruetgerswerke Aktiengesellschaft (Frankfurt, DE), Family ID: 6262407, Appl. No.: 06/817,932, Filed: January 10, 1986). У цьому винаході пластини звичайної деревини (сосна, ялина, тополя тощо) вакуумувалися в камері, до якої подавалися пари мономера (фурфурол, фенол, формальдегід) до насичення ним поверхневого шару деревини. На другій стадії процесу деревина знову вакуумувалася. Потім у камері створювали надлишковий тиск інертного газу (наприклад, азоту) 0,3-1,5 МПа та підвищену температуру 140-200 °С протягом 0,5-8 год. Автори патенту 4,678,715 стверджують, що в результаті утворення термореактивного полімеру на стінках капілярів відбувається збільшення щільності деревини на 2 % та збільшення модуля пружності на 10-20%. Для обробленої таким чином деревини чинник акустичних втрат є дещо вищим, ніж у необробленої деревини. Відношення модуля пружності до щільності у необробленої деревини 27,1-27,4, а в обробленої є дещо вищим - 28,3-28,7. Недоліками аналога є те, що процес обробки є тривалим і багатостадійним, у процесі використовуються екологічно небезпечні речовини, а отриманий ефект щодо покращення акустичних характеристик є незначним. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованої корисної моделі є патент №2185283, МПК В27К3/15, В27К3/34, В27М3/16, №2000100656/04, от 10.01.2000, публ. 20.07.2002, Заявитель: Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Авторы: Гавриленко И.Б.; Ерузин А.А.; Цой Ю.И.; Лукин В.Г.; Онегин В.И.; Удалов Ю.П.,"Способ обработки древесины для музыкальных инструментов". На поверхні заготовки деки з деревини (ялини чи клена) створюється композиційний ґрунтувальний шар із власних волокон деревини, скріплених між собою вуглецевим матеріалом, отриманим за рахунок полімеризації ацетилену в плазмі тліючого розряду. Автори встановили, що після нанесення вуглецевого покриття маса зразків практично не змінювалася (за рахунок видалення 1 UA 89149 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 летючих компонентів деревини при обробці в вакуумі). Зразок шліфується та очищується від -2 пилу, оброблюється в плазмі тліючого розряду після досягнення тиску 310 Па. При цьому збільшуються значення всіх акустичних показників: резонансної частоти на 0,5%, константи випромінювання Андреева (Ка) на 0,6%, константи Римського-Корсакова (Кр) на 11%, втрати звукової енергії на внутрішнє тертя зменшилися на 8%. Як вважають автори, таке покращення акустичних характеристик відбувається за рахунок різкого збільшення модуля пружності поверхневого композитного шару з вуглецевим полімером. Недоліком прототипу є необхідність використання дорогого обладнання, зміна кольору зразка. Модуль пружності збільшується при зниженні щільності матеріалу, причому безповоротно. Автори не вказують зміну хвильового імпедансу, що є важливим показником акустичних властивостей. У зв'язку з цим залишаються не розробленими способи коректування акустичних характеристик деревини, спрямовані на одночасне збільшення модуля пружності, щільності та хвильового імпедансу. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу коректування механічних та акустичних властивостей деревини шляхом обробки ферочастинками, використання яких дає збільшення модуля пружності, щільності, хвильового імпедансу й основної частоти зразків, а також можливість коректування швидкості звуку в зразку. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб коректування механічних та акустичних властивостей деревини шляхом обробки ферочастинками, при якому зразок розміщують в установку, оброблюють речовиною й проводять вимірювання, згідно з корисною моделлю, зразок розміщують в установці з електромагнітами, які вмикають почергово, а обробку зразка речовиною здійснюють заповненням судин ксилеми протягом доби частинками карбонільного заліза 5-35 нм, при чому їх ретельно перемішують в 0,1% розчині олеїнової кислоти протягом 2 год. до переходу у зважений стан, додатково провівши вимірювання хвильового імпедансу. Використовують метод просторової локалізації магнітозрідженого шару [Хиженков П.К., Макмак И.М., Миронова Г.И. Саморассеивание и пространственная локализация магнитоожиженного слоя. 2 // Магнит, гидродинамика. - 1996. - Т. 34. - №3. - С. 372-374]. Експериментальна реалізація способу здійснюється на лабораторній установці (кресл.), що складається з двох співвісно розташованих електромагнітів 1, які живляться через підсилювач 3, від генератора Г6-27 4. На кресл. зображено установку для послідовної в часі черговості ввімкнення електромагнітів, підключених до ланцюга живлення паралельно й через діоди. Приклад конкретного виконання. Перший зразок деревини, з радіальних зрізів, розміром 71,50,5 см (усього 5 шт.) розміщують в установку з електромагнітами й туди ж вносять наночастинки карбонільного заліза 5-35 нм (розмір обумовлений тим, що частинки більше 35 нм не створюють магнітний колоїд) у тетрахлорметані, стабілізовані олеїновою кислотою. Електромагніти вмикають почергово, наночастинки втягуються в міжполюсний простір, переміщуються від полюса одного магніту до полюсу іншого, проникають вглиб зразка та заповнюють судини ксилеми. Обробку магнітним колоїдом здійснюють протягом доби. Вимірюють модуль пружності, щільність та власну частоту, обчислюють хвильовий імпеданс [Wood Handbook: wood as an engineering material. General Technical Report 113. - Madison. - 1999.]. Вимірювання основної частоти вібрації зразків здійснюють у нульовому та постійному магнітному полі Н0 = 2 КЕ. У результаті об'ємна вага обробленої деревини виросла на 5%, а модуль пружності збільшився на 3,5%. Основна частота зразків зросла на ~1,5% при накладенні Н 0 з паралельним або перпендикулярним напрямом силових ліній до судин ксилеми. Хвильовий імпеданс збільшився на ~4% порівняно з необробленим зразком. Водночас зросли модуль пружності та щільність деревини (див. табл.). 2 UA 89149 U Таблиця Акустичні характеристики зразка до і після обробки Параметр швидкість звуку (м/с) 4 хвильовий імпеданс (ГНкг/м ) власна частота (Гц) 3 щільність (кг/м ) 2 модуль пружності (ГН/м ) акустична константа 5 До обробки 0,1423 102,13 1500 718 14,5 0,0001982 с z f Ρ Ε К Після обробки 0,1413 106,47 1522,5 754 15,04 0,0001875 Різниця, % -0,72 4,07 1,48 4,76 3,38 -5,45 Таким чином, поставлену мету цієї корисної моделі досягнуто: завдяки обробці зразка магнітним колоїдом в установці з електромагнітами отримано можливість коректування акустичних і механічних властивостей виробів з деревини. Використання такого способу обробки, наприклад, дозволяє розширити сировинну базу при виготовленні музичних інструментів, використовувати заготовки в акустиці, знижуючи чи підвищуючи акустичні властивості. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб коректування механічних та акустичних властивостей деревини шляхом обробки ферочастинок, при якому зразок розташовують в установку, оброблюють речовиною та проводять вимірювання, який відрізняється тим, що зразок розташовують в установці з електромагнітами, що вмикають почергово, а обробку зразка речовиною здійснюють заповненням судин ксилеми протягом доби частинками карбонільного заліза 5-35 нм, при чому їх ретельно перемішують у 0,1 % розчині олеїнової кислоти протягом 2 год. до переходу у зважений стан, додатково проводячи вимірювання хвильового імпедансу. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3