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2015年10月 第26卷第5期研究与设计
收稿日期: 2015-05-21
作者简介: 王军锋（1986—），男，在读博士。
基金项目: 广西林科院基本科研业务费专项（林科201429号）和广
西林业科技项目（桂林科研〔2015〕第14号）项目共同
资助。
轻木木材微观解剖结构对吸声性能的影响
王军锋1，黄善忠1，彭立民2，雷福娟1，林家纯1
（1.广西林业科学研究院，南宁 530002；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）
摘要：以世界上密度最小的木材轻木为研究对象，采用阻抗管通过传递函数法对三切面木材的吸声性
能进行测试和表征，将其吸声性能与密度为0.36g/cm3的杉木、密度为0.59g/cm3的檫树相比，表明密度
为0.19g/cm3的轻木有较好的吸声性能。进一步采用光学显微镜和扫描电镜观察轻木木材横切面、径切
面和弦切面的微观解剖结构，研究其微观结构与其吸声性能的相关性。结果表明：从不同密度的三种
树种来看，轻木三切面的吸声系数均大于杉木和檫树，相对杉木和檫树具有较好的吸声性能；从轻木
木材微观结构来看，以材料表面与内部相连孔隙的数量和面积计，横切面最大、弦切面次之、径切面
最小，而三切面的吸声系数表现为横切面（0.4053）＞弦切面（0.3043）＞径切面（0.2794），吸声
系数与其微观结构密切相关，呈现出材料表面与内部相连孔隙的数量越多、面积越大，吸声性能越好
的趋势。
关键词：轻木；解剖结构；吸声性能
DOI编码：10.13594/j.cnki.mcjgjx.2015.05.011
中图分类号：S781 文献标识码：A 文章编号：1001-036X(2015)05-0034-04
Effects of microstructure of balsa wood on sound absorption properties
WANG Jun-feng1, HUANG Shan-zhong1, PENG Li-min2,
LEI Fu-juan1, LIN Jia-chun1
(1. GuangXi Forestry Research Institute, Nanning 530002; 2.Research Institute of Wood Industry,
Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091)
Abstract: Taking balsa as a research object, the sound absorption coeffi cients of three dimensional sections were measured
with impedance tubes in transfer function method. The results showed that the absorption coefficients of balsa with
density of 0.19g/cm3 were better than those of Chinese Fir and sassafras whose density were 0.36 g/cm3 and 0.59 g/cm3,
separately. The correlation between microstructure and sound absorption properties were further studied by observations
of microscopic anatomy in three dimensional sections by SEM and optical microscope. The comparison results of
three species showed that the lowest density wood species obtain highest sound absorption coeffi cients. From the balsa
microstructure perspective, the number and area of pores interconnected to the surface in radial section were largest,
small in tangential section and smallest in transverse section. The average sound absorption coeffi cients in descending
order were radial section (0.4053), tangential section (0.3043) and transverse section (0.2794). Consequently, the sound
absorption coeffi cients of balsa was closely related to the microstructure that the interconnected pores is more and the
sound absorption performance is better.
Key words: balsa wood；anatomical structure; sound absorption performance
小的树种[1]。具有成熟期短、干缩变形小、材质轻和加
工性能好等优点。轻木密度低、孔隙率非常高，满足
多孔性吸声材料的必备条件，是较有潜力的实木吸声
材料。
目前，对于吸声材料的研究已有较多的成果，但对
于各向异性、结构复杂、材性变异大的木材吸声特性缺
轻木原产于热带美洲和西印度群岛，在我国广
西、广东、云南、台湾等地均有引种，是世界上密度最
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2015年10月 第26卷第5期 研究与设计
表1 3种不同种类木材三切面平均吸声系数比较
树种 密度（g/cm3） 含水率（%）
平均吸声系数
横切面 径切面 弦切面
轻木 0.19 18.0 0.4053 0.2794 0.3043
杉木 0.36 16.1 0.2535 0.1601 0.2289
檫树 0.59 18.8 0.1779 0.1479 0.1763
乏系统的研究[2]。木材作为四大建筑材料中唯一可再生
的资源，具有美丽的花纹和亲近的自然感等优点，在建
筑及室内装修等领域越来越受欢迎，因此，研究实木本
身的吸声性能以及通过微波预处理[3]、蒸汽爆破[4]等处
理方式提高木材吸声性能，将在木材应用领域中占有越
来越重要的地位。本文以世界上密度最小的木材轻木为
研究对象，探究轻木木材横切面、径切面和弦切面微观
结构与吸声性能的相关性，为实木作为吸声材料的应用
提供一定的借鉴。
1 材料与方法
1.1 材料
选取纹理通直，无缺陷的轻木木材进行实验，气干
密度为0.19g/cm3；购于市场，产地为南美洲厄瓜多尔。
1.2 仪器和设备
1）阻抗管，型号：UA-1630，丹麦Bruel&Kjar公
司；
2）扫描电镜，型号：KYKY-EM3200，北京中科科
仪技术发展有限责任公司；
3）木材显微成像系统，型号：Leica DM1000，德国
徕卡。
1.3 方法
1.3.1 试样制备
利用高速切割机将材料加工成具有标准的横、
径、弦切面的试件，进一步制备出厚度为10mm，直径
分别为100mm、29mm的圆形试件，并调节含水率到
16%～18%，用于测量吸声系数；制备轻木木材三切面切
片，用于光学显微镜观察轻木微观结构；制备具有标准
三切面的规格为5mm×5mm×5mm试件并喷金，用于扫
面电镜观察其微观结构。
1.3.2 性能测量
根据GB/T 18696.2-2002《阻抗管中吸声系数和
声阻抗的测量 第2部分：传递函数法》测试标准，测
试设备为阻抗管，本次试验测试环境为半消音室，温
度为13℃，湿度为26%，大气压为1021hPa，测量范围为
50～6400Hz，每隔4Hz测量一个值。
2 结果与分析
2.1 轻木木材平均吸声系数比较
从吸声的影响因素看，与材料的结构因子、孔隙
率、空气流阻、密度、厚度、纹理角有关[5]。木材的吸声
性能与密度成反比，即密度小的木材吸声性能比密度大
的木材好[2]，由表1可见，在含水率为18%左右时，轻木、
杉木、檫树这三种木材的吸声系数表现出密度越小，吸
声系数越大的趋势，且横切面＞弦切面＞径切面。轻木
密度为0.19g/cm3，是世界上密度最小的树种之一，在声
学方面也表现出较好的吸声性能。由于轻木木材细胞类
型、数量、排列等，形成了轻木木材的特有构造特征，决
定了其较好的吸声性能。
2.2 轻木解剖构造
木材在横、径、弦三个切面上表现出各向异性，这是
由于木材组织呈现三维结构所致。从宏观观察木材的
横切面，年轮是以髓心为中心作同心圆分布，导管、木纤
维、轴向薄壁组织等轴向排列，木射线辐射状排列；径
切面和弦切面具有不同的特征。从木材的微观解剖结
构来看，木材细胞均呈现各向异性，各个组织在大小、
面积、密度上存在一定差异。由图1和图2可见，木材导
管横切面圆形或卵圆形，单管孔或短径列复管孔（2～3
个），散生，分布略均匀。侵填体丰富。单穿孔，管间纹
孔式互列。轴向薄壁组织甚丰富，主要为弦向带状，星
散-聚合，少数环管束状。轴向薄壁组织横切面为多角
形，比纤维大得多，纤维壁甚薄，分隔木纤维未见，单
独或成组散布于轴向薄壁组织间。由图3和图4可见，木
射线非叠生，每毫米2～5根。单列射线略少，宽18～53微
米，高1～10个细胞（93～780微米）或以上。多列射线宽
2～7个细胞（46～155微米），有时2或3列部分与单列部
分等宽，高7～50个细胞（176～2600微米）或以上，多数
15～40细胞（800～1750微米），同一射线内偶尔2次多列
部分。由图5和图6可见，射线组织异形II及I型。直立或
方形射线细胞比横卧射线细胞略高或高得多；横卧射
线细胞为圆形及卵圆形，具多角形轮廓；瓦状细胞似翻
白叶型。射线细胞少数含树胶，晶体未见，端壁节状加
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图1 横切面解剖构造
图5 径切面解剖构造
厚可见，水平壁纹孔不明显。射线-导管间纹孔式为大
圆形，稀刻痕状。胞间道未见。
2.3 轻木木材三切面吸声系数比较
吸声系数是评价材料吸声作用的主要指标。声波入
射到材料表面时，如图7所示，入射声能（Ei）一部分被
反射，一部分被材料吸收（Er），被吸收部分所占的比率
用α表示：
图7 吸声示意图
吸声系数越大，材料的吸声性能越好；反之，吸声
系数越小，材料的吸声性能越差。一般把吸声系数＞0.2
的材料称为吸声材料[7]。
轻木木材气干密度为0.19g/cm3，木材内部具有许
多孔隙，孔隙绝大部分是细胞腔，其次是细胞之间的胞
间隙以及细胞壁上的纹孔。这些微小空隙部分相互连
通并通向材料的表面，当声波入射到这些开孔的材料
表面时，部分声波会透入材料的内部，另一部分声波在
材料的表面反射。透入材料的声波在缝隙和小孔中传
播时，空气运动会产生黏滞和摩擦作用，同时小孔中空
气受压缩时温度升高，稀疏时温度降低，以及材料的热
图2 100X横切面微观构造
图3 弦切面解剖构造
图4 100X弦切面微观构造
图6 100X径切面微观构造
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传导效应，从而使声能逐渐转变成热能并消耗，这种能
量的转变是不可逆的，因此材料就有了吸声作用。其吸
声性能与小孔的大小、数量、构造形式等有关。由图8可
知，轻木木材横、径、弦切面的法向吸声系数在相同条件
下数值有所不同，吸声特性曲线也存在一定的区别。在
50～1000Hz范围，吸声系数径切面＞横切面＞弦切面；
在1000～1500Hz范围，吸声系数横切面＞径切面＞弦切
面；在1500～6400Hz范围，吸声系数横切面＞弦切面＞
径切面；总体而言，轻木木材吸声系数表现为吸声系数
横切面＞弦切面＞径切面。
图8 轻木木材吸声曲线
频率（Hz）
吸
声
系
数
2.4 轻木木材三切面微观结构对其吸声系数的影响
轻木的明显特点是多孔性和各向异性。无论是宏
观、微观还是超微结构上均显示出多孔性，同时在横切
面、弦切面和径切面上孔隙的大小、形状、分布密度也
存在各向异性，因此，轻木木材吸声性能也表现出明显
的各向异性，总体表现为吸声系数横切面＞弦切面＞径
切面。原因分析为：木材由许多细胞组合而成，细胞由
细胞腔和细胞壁组成，且组成木材的细胞大多数是纵
向排列，所以木材的横切面形似蜂窝状的结构，微细孔
隙多，而且通过相互连接的细胞腔连通到木材内部，而
声波为纵波，其传播方向与轻木木材管孔、轴向薄壁组
织同向，大量的与内部相连通的空隙可以使更多的声波
直接进入木材内部而被吸收，从而提高了吸声系数[8]。
径、弦切面是纵向细胞的长轴方向，微细孔隙少。对于入
射声波的吸收，横切面明显大于径切面、弦切面，声波
在1500～6400Hz范围，横切面的吸声系数明显大于径、
弦切面。由图3和图4可见，在弦切面主要为导管槽、薄壁
细胞壁和木射线细胞腔，由图5和图6可见，在径切面主
要为导管槽和薄壁细胞壁，缺乏与木材内部相连通的
空隙通道。可见，径切面、弦切面吸声系数差异主要决
定于木射线，木射线是唯一沿径向排列的细胞，弦切面
是木射线细胞的断面，它的存在增加了弦切面的与木材
内部相通的微细孔隙，在1500～6400Hz范围内，弦切面
的吸声系数比径切面大。而在50～1000Hz范围，吸声系
数为径切面＞横切面＞弦切面；在1000～1500Hz范围，
吸声系数为横切面＞径切面＞弦切面。笔者认为在这
50～1500Hz范围内，声波能量的损耗主要由于多孔性吸
声机理和共振吸声机理共同贡献，共振吸声贡献的多少
与导管槽和轴向薄壁细胞壁等的厚度、面积大小、粘弹
性等有关，因此在50～1000～1500Hz这两个频段范围内
呈现出不同的吸声效果。
3 结论
1）在含水率相近的条件下，轻木（0.19g/cm3）、杉
木（0.36g/cm3）、檫树（0.59g/cm3）三种木材，横切面
吸声系数分别为0.4053、0.2535、0.1779，弦切面吸声系
数分别为0.3043、0.2289、0.1763，径切面吸声系数为
0.2794、0.1601、0.1479，三种木材的三切面吸声系数均
表现密度越小吸声系数越大的趋势，即吸声系数轻木＞
杉木＞檫树。
2）在声波频率为50～6400Hz范围内，轻木横切
面在1500Hz和5500Hz附近表现出2个吸收峰；弦切面
1800Hz、6300Hz附近表现出吸收峰；径切面在800Hz、
1800Hz、5800Hz附近表现出3个吸收峰。
3）从轻木木材微观结构来看，以材料表面与内
部相连孔隙的数量和面积计，横切面最大、弦切面次
之、径切面最小，三切面的平均吸声系数表现为横切面
（0.4053）＞弦切面（0.3043）＞径切面（0.2794），吸声
系数与其微观结构密切相关，呈现出材料表面与内部相
连孔隙的数量越多、面积越大，吸声性能越好的趋势。
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