全 文 ：第 51 卷 第 11 期
2 0 1 5 年 11 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 51，No. 11
Nov．，2 0 1 5
doi:10．11707 / j．1001-7488．20151112
收稿日期: 2014 － 12 － 30; 修回日期: 2015 － 05 － 25。
基金项目: 国家“十二五”科技计划课题“家装材与室外材增值制造技术研究与示范”(2012BAD24B02 )。
* 彭立民为通讯作者。
腐朽木材的吸声性能*
王 东 彭立民 傅 峰 宋博骐 刘美宏
(中国林业科学研究院木材工业研究所 木材科学与技术国家林业局重点实验室 北京 100091)
摘 要: 【目的】分析腐朽木材吸声性能与腐朽程度之间的关系，为腐朽木材的利用提供新思路。【方法】采用
阻抗管法比较不同腐朽程度杨木(横切面)与正常材的法向吸声系数大小，并借助扫描电镜和压汞仪分析不同腐朽
程度杨木木材孔隙的变化情况，解释其吸声性能提高的机制。【结果】3 种不同腐朽程度杨木木材的平均吸声系数
分别为 0. 35，0. 27 和 0. 24，随着腐朽程度增加，其平均吸声系数提高。不同腐朽程度杨木木材的最大吸声系数分
别为 0. 58(1 600 Hz)，0. 45(3 150 Hz)和 0. 43(4 000 Hz)，随着腐朽程度增加，吸收峰值增大并向低频方向移动。腐
朽杨木木材的微观结构表明: 腐朽木材细胞壁上纹孔膜被分解，闭塞纹孔重新打开，木射线等薄壁细胞被分解，甚
至厚壁细胞壁也形成细小的裂纹。闭塞纹孔重新打开以及细胞壁上细小的裂纹增加了木材内部孔隙率和孔隙之
间的连通性，当声波入射到腐朽木材表面时，大量的声波可以沿着这些细小的孔隙进入木材内部，木材的吸声性能
提高。压汞仪测试结果表明: 密度为 0. 23 g·cm － 3的腐朽杨木木材与正常材相比，313 ～ 2 513 nm 范围内的孔隙腐
朽木材比正常材多 1. 25 mL·g － 1，并且 9 535 ～ 45 290 nm 范围内的孔隙，腐朽木材也比正常材多，但差异不明显，密
度为 0. 23 g·cm － 3的腐朽杨木木材孔隙率提高 24%，内部孔隙比表面积是正常材的 3 倍。腐朽木材与正常材相比，
孔隙差距主要集中在几百纳米到几微米范围内，而这些小孔隙的增加导致木材的连通性提高，使更多的声波可以
传入木材内部，声波通过木材内部孔隙时，由于黏性阻力声能转换为热能。小孔隙的增加导致木材内表面积增加，
木材内部空气与细胞壁的接触增多，导致声波与细胞壁之间的黏性损耗增加，木材吸声性能提高。【结论】由于微
生物的分解作用，木材内部形成许多微小孔隙，导致木材的孔隙率提高，木材内部孔隙比表面积增加，使得更多的
声波可以进入木材内部，声波与细胞壁之间的黏性损耗增加，木材的吸声性能提高。
关键词: 腐朽木材; 吸声性能
中图分类号: S781. 38 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2015)11 － 0091 － 06
Sound Absorption Property of Decayed Wood
Wang Dong Peng Limin Fu Feng Song Boqi Liu Meihong
(Key Laborary of Wood Science and Technology of State Forestry Administration
Ｒesearch Institute of Wood Industry，CAF Beijing 100091)
Abstract: 【Objective】Decayed wood utilization is significantly important due to environment pressure be growing with
increasing the quantity of decayed wood． Analysis of the relationship between sound absorption property and decayed
degree was to provide a way for decayed wood utilization．【Method】The impedance tube was used to measure normal sound
absorption coefficient of cross section for different decay degree woods and health wood． The changes in the microstructure
of decayed wood were examined using field emission scanning electron microscope ( SEM )，and mercury intrusion
porosimetry(MIP) was used to analyze pore size and distribution for decayed wood． According to the changes of micro-
voids，the mechanism of improving sound absorption property was explained．【Ｒesult】The average of sound absorption
coefficients for three kinds of decayed woods were 0． 35，0． 27 and 0． 24，and the maximum sound absorption coefficients
were 0． 58(1 600 Hz)，0． 45(3 150 Hz) and 0． 43 (4 000 Hz)，respectively． With the increase of decay degree，the
average and maximum of sound absorption coefficient were both larger，and the maximum sound absorption coefficient
moved to low-frequency range． The phenomenon that the destroyed and reopened in pit membrane，the broken down in
parenchyma cells and the crack in cell wall were observed for decayed wood． Those microstructure changes led to the
porosity and pores connectivity increasing． So much more sound waves could enter into wood when sound wave impacted
林 业 科 学 51 卷
against the wood surface，and resulted in acoustic attenuation increasing． The results of mercury intrusion porosimetry
measurement indicated that the range of 313 － 2 513 nm pores of decayed wood was more than 1． 25 mL·g － 1 compared with
health wood，however，no significant difference in the range of 9 535 － 45 290 nm pores of decayed wood were found． The
porosity was increased 24% in decayed wood and the inner pores specific surface areas were three times than those of
health wood． The differences of pore distribution for decayed wood were ranged from several hundred nanometers to a few
microns compared with health wood． Those micro-voids led to wood pores connectivity increasing，what’s more，the pores
specific surface area also increased，resulting in internal friction between sound wave and cell wall and acoustic attenuation
increasing．【Conclusion】Those micro-voids because of microorganism decomposition improved the connectivity，porosity
and pore specific surface area of wood inter-cells，and let more sound waves into wood，increased viscosity loss． So the
sound absorption property of decayed wood was better than that of health wood．
Key words: decayed wood; sound absorption property
随着人民生活水平不断提高，室内装修与木制
品的更新换代越来越快，由此产生大量的废旧木材
会造成一定的环境污染;而且，长期的自然作用，木
材会受到霉菌、虫害等侵蚀，纤维素、半纤维素、木质
素三大组分会发生不同程度降解(池玉杰，2005)，
木材细胞结构也会发生变化 ( Takemoto et al．，
2008)，孔隙率增加，孔隙之间的连通性增加，导致
木材密度和机械性能降低，渗透性提高 (Blanchette
et al．，1985; Padhiar et al．，2011; 2012)。目前废旧
腐朽木材的利用主要有 4 种途径: 1) 作为燃料; 2)
作为人造板生产的原料; 3) 提取生物质能源原料
(废旧腐朽木材经过气化或液化处理，提取酒精、氢能
等能源物质); 4) 经过热解等处理制备活性碳或者
木炭。如 Sheth 等(2010)和 Wu 等(2006)采用高温
蒸汽气化处理废旧腐朽木材，提取废旧腐朽木材中的
氢能; Tsang 等(2007)采用磷酸法炭化废旧木质板
材，通过控制磷酸的注入量和活化时间来控制活性炭
内部孔隙结构，形成具有不同结构的活性炭。有效利
用废旧腐朽木材，既可以延长木材使用周期、节约木
材、保护环境，也是发展可持续经济的重要举措。
木材在纵向主要由导管和木纤维(阔叶材)、管
胞(针叶材)、轴向薄壁细胞等纵向排列的细胞组
成，而在横向主要由木射线细胞等横向排列的细胞
组成，并且构成木材的细胞都是中空的，所以木材是
一种天然多孔性材料;但由于木材细胞结构和生长
应力的作用，导致木材内部孔隙之间连通性、木材渗
透性和吸声性能较差。木材吸声性能差是因为木材
内部绝大多数孔隙是封闭的，声波作用在木材表面
时多数声波会被反射。Kobayashi 等(1998)对木材
进行微生物处理，纹孔膜等细胞结构被分解，提高了
木材渗透性。Kang 等(2008)对木材进行脱木质素
处理，木材纵向吸声性能显著提高，木材经过腐朽之
后，处理材在整个频段上吸声性能与未处理材相比
提高 20% ～ 30%。Wang 等(2014)通过微波蒸汽处
理樟子松(Pinus sylvestris var． mongolica)木材，结果
表明处理材内部闭塞纹孔重新打开，最大吸声系数
提高了 0. 4。本文研究自然状态下腐朽木材的吸声
性能，通过木材微观结构和孔隙变化分析腐朽木材
吸声性能提高的机制，为腐朽木材的利用提供新
思路。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
腐朽杨木(Populus)采自陕西旬邑县废弃木结
构横梁，2 个横梁腐朽程度不同，直径约为 15 cm，气
干密度分别为 0. 23 g·cm － 3和 0. 35 g·cm － 3(密度越
低腐朽程度越大，以密度的大小反映腐朽程度)。
木材两端各去掉 50 cm，中间部分用于吸声性能评
价和分析。对照组选择直径约为 15 cm 的杨木原
木，气干密度为 0. 40 g·cm － 3。
1. 2 吸声性能测试方法
用腐朽木材横切面法向吸声系数评价腐朽杨木
木材的吸声性能。测试按照声学 －阻抗管中吸声系
数和声阻抗的测量第二部分: 传递函数法 ( GB /T
18696. 2—2002)。1 /3 倍频程的法向系数测量采用
北京声望公司的四 通道 阻抗 管 系统 ( SW422，
SW477)。大管( SW422)测量 63 ～ 1 600 Hz 频率范
围内的法向吸声系数，试件直径为 100 mm，厚度为
10 mm;小管(SW477)测量 1 000 ～ 6 300 Hz 频率范
围内的法向吸声系数，试件直径为 30 mm，厚度为
10 mm。每组 3 个试件，每个试件测量 3 次，测量时
紧贴刚性壁，不留空腔。
1. 3 腐朽木材微观孔隙表征
通过扫描电镜(日本 Hitachi S-4800)观察腐朽
程度较大的杨木木材(0. 23 g·cm － 3 )和对照组木材
的微观孔隙变化。2 个标准的径切面和弦切面，大
29
第 11 期 王 东等: 腐朽木材的吸声性能
小为 5 mm × 5 mm × 0. 5 mm(径向 /弦向 ×纵向 ×厚
度)。压汞仪(美国 AutoporeTM IV 9500)用于定量
分析腐朽木材中的孔隙变化，在密度 0. 23 g·cm － 3
的腐朽杨木木材和 0. 40 g·cm － 3对照材吸声试件中
心取一圆柱 (Φ5 mm × 10 mm)作为压汞仪测试试
件，试件在(103 ± 2)℃下干燥直至绝干，试件质量
分别为 0. 045 g 和 0. 079 g。根据压汞仪的测量原
理，通过一定的压力将汞压入木材中，开始阶段压力
增加较快，随着压力增大，压力的增长速率越来越
小。压入木材中的汞体积与木材中孔隙体积相等，
孔隙分布大小根据 Washburn 方程( r = － γcosθ /P )
得到，式中，P 为加压压力，cosθ 为接触角余弦值，γ
为汞的表面张力(Lowell et al．，2004)。
2 结果与分析
2. 1 腐朽杨木木材的解剖结构变化
图 1 腐朽木材解剖结构变化(SEM)
Fig． 1 The changes of anatomical structure for decayed wood ( SEM)
图 1 所示为腐朽杨木木材的解剖结构变化。从
图 1a 可以看出，木材受到霉菌和虫子侵蚀后，出现
虫眼，木射线等薄壁细胞被分解，甚至木射线与导
管、木纤维交叉位置的厚壁细胞也被分解。从图 1b
可以看出，菌丝附着在导管细胞壁的内侧，细胞壁物
质被分解，出现细小的裂纹和凹陷部分，菌丝通过纹
孔向相邻的细胞腔蔓延，木材由外向里逐渐被破坏
(图 1c)。并且由于腐朽菌的作用，细胞壁上的纹孔
膜也被分解(图 1d，e)，与 Takemoto 等 (2008)的研
究结果相似。由于腐朽杨木木材纹孔膜的破坏，以
及细胞壁物质分解出现裂纹，形成了许多小孔隙，相
邻细胞之间的联通性增加。腐朽杨木木材内部结构
的变化，增加了木材内部相互连通的孔隙，声波作用
于腐朽木材表面时，使更多的声波可以进入木材内
部; 木材内部孔隙的比表面积也增加，进入木材的
声波与木材内空隙壁的接触增多，黏滞阻力相应增
大，所以腐朽木材孔隙的增加和内表面积的增加都
有助于其吸声性能的提高。
39
林 业 科 学 51 卷
2. 2 腐朽杨木木材孔隙的变化
表 1 所示为压汞仪测量腐朽木材孔隙的变化。
密度为 0. 23 g·cm － 3腐朽木材总的压入汞体积为
2. 02 mL·g － 1，是正常材的 2 倍。密度为 0. 23 g·
cm － 3腐朽杨木木材的孔隙率为 63. 73%，对照组的
孔隙率为 39. 00%。腐朽杨木木材中由于微生物的
作用，产生了许多孔隙，使木材中孔隙数量增加，孔
隙率增加，该结果也验证了图 1 中腐朽杨木木材结
构的变化。孔隙率是衡量多孔性材料的一个重要指
标，0. 23 g·cm － 3的腐朽木材与正常材相比，孔隙率
提高 24. 73%，孔隙表面积由 2. 040 m2·g － 1增加到
6. 321 m2·g － 1，导致空气和木材内表面的摩擦增加，
有更多的声波能量转化为热能，提高了木材的吸声
性能。通过比较中孔直径和平均直径 2 个参数，腐
朽木材比正常材小，也表明腐朽木材中有许多小孔
隙产生。
表 1 压汞仪测量腐朽木材孔隙的变化
Tab. 1 MIP test results of different densities of wood
不同密度腐朽材
Decayed
wood /
( g·cm － 3 )
压入汞的体积
Total intrusion
volume /
(mL·g － 1 )
孔面积
Total pore
area /
(m2·g － 1 )
中孔孔径(体积)
Median pore
diameter( volume) / nm
平均孔径
Mean pore
diameter / nm
体密度
Bulk density /
( g·cm － 3 )
孔隙率
Porosity(% )
0. 23 2. 020 0 6. 321 2 148. 2 1 278. 2 0. 235 5 63. 725 3
0. 40 0. 974 1 2. 040 7 263. 1 1 909. 5 0. 400 4 39. 001 1
图 2 所示为腐朽杨木木材累积孔体积与孔隙直
径的关系。孔径 313 ～ 2 513 nm 范围内的孔隙，腐
朽木材比正常材多 1. 25 mL·g － 1，对于 0. 23 g·cm － 3
的腐朽木材，313. 2 ～ 2 513. 7 nm 范围内的孔隙约占
总孔隙的 62% ; 3. 1 ～ 313. 2 nm 范围内的孔隙，腐
朽木材的累计孔体积为 0. 05 mL·g － 1，正常材为
0. 06 mL·g － 1，二者差距很小，表明腐朽木材与正常
材相比，3. 1 ～ 313. 2 nm 范围内的孔隙没有明显差
距，与表 1 的结果相类似; 9 535. 9 nm ～ 400 μm 之
间的孔隙，腐朽木材也比正常材多，但是二者的差异
不大。图 3 所示为累积孔体积随孔径的对数微分值
与孔径的关系，可以看出，在 313 ～ 2 513. 7 nm 和
10 658 ～ 40 291 nm范围内孔隙的数量，腐朽木材大
于正常材。结合图 2、图 3 和图 1 可以看出，腐朽木
材和正常材相比，在 313 ～ 2 513 nm 范围内的孔隙
数量差别较大。腐朽木材中小孔隙越多，木材内部
的连通性越好，孔隙率越高，腐朽木材内部的比表面
越大。
2. 3 腐朽杨木木材的吸声性能
图 4 所示为不同腐朽程度杨木木材的吸声性能
与频率的关系。腐朽杨木木材满足一般多孔性材料
的吸声特性，即在低频吸声性能差、高频吸声性能优
异，从低频到高频随频率增加吸声性能提高。3 种
不同腐朽程度杨木木材的平均吸声系数分别为
0. 35，0. 27 和 0. 24，随着腐朽程度增加，木材的平均
吸声系数提高; 3 种不同腐朽程度杨木木材最大吸
声系数分别为 0. 58(1 600 Hz)，0. 45(3 150 Hz)和
0. 43(4 000 Hz)，随着腐朽程度增加，吸收峰值增大
并向低频方向移动。在小于 325 Hz 的低频频段，对
图 2 腐朽杨木木材累积孔体积与孔隙
直径的关系
Fig． 2 The relationship between cumulative pore
volume and pore diameter for decayed wood
图 3 腐朽杨木木材累积孔体积随孔径的
对数微分值与孔径的关系
Fig． 3 Log differential intrusion as a function of the
pore diameter of decayed wood
49
第 11 期 王 东等: 腐朽木材的吸声性能
于不同腐朽程度杨木木材的吸声性能没有显著差
异。0. 23 g·cm － 3的腐朽杨木木材在 750 Hz 出现吸
收峰谷，0. 35 g·cm － 3的腐朽杨木木材和对照组在
500 Hz 出现峰谷，这与其固有频率有关，因为当声
波频率接近材料的固有频率时，产生共振能量加强，
所以吸声性能达到最低值;但在1 000 ～ 4 000 Hz 的
中高频段，随着腐朽程度增加，木材的吸声性能显著
提高，并且随着腐朽增加或者密度减小，吸收峰值增
加，共振频率向高频移动，与马大猷 (2002)的研究
结果相类似。
图 4 不同腐朽程度木材的吸声性能与频率的关系
Fig． 4 The relationship between the sound absorption
coefficient of varying decayed degrees wood and frequency
表 2 所示为不同腐朽程度木材和吸声性能之间
的相关性检验，其置信度为 0. 95。从表 2 中可以看
出在这个频段上，不同腐朽程度杨木木材之间的吸
声性能差异显著，并且随着腐朽程度增加，腐朽木材
的平均吸声系数增大。在小于 315 Hz 的低频频段，
随着腐朽程度增加，木材的吸声性能降低; 在
1 000 ～ 4 000 Hz 的中高频段，密度较小的腐朽木材
吸声性能要远大于密度大的。这主要是因为密度越
小木材流阻越小，低频吸声对较高流阻有选择性，而
中高频段吸声对较低的流阻具有选择性。
表 2 不同腐朽程度木材和吸声性能之间的相关性检验①
Tab. 2 The correlation test of different decayed wood and
mean of sound absorption coefficient
不同密度腐朽材
Decay wood /( g·cm － 3 )
自由度
Freedom
平均吸声系数
Mean of sound absorption coefficient
0. 23 9 0. 347A(0. 026)
0. 35 9 0. 274B (0. 013)
0. 40 9 0. 237C (0. 027)
① 字母“A、B、C”表示 3 个不同密度之间的腐朽木材吸声系数
具有显著性差异(置信区间为 0. 95) ; 括弧中的数字表示数据标准
差。The letters “A，B，C” stand for significant differences between
different densities of decayed wood’s sound absorption property ( 95%
confidence interval ) ; the figures show that the standard deviation in
parentheses．
根据图 1 可以看出，由于腐朽木材纹孔膜的破
坏以及细胞壁物质分解出现裂纹，使得相邻细胞之
间的连通性增加，形成更多的小孔隙。当声波作用
在木材表面时，绝大多数声波通过孔隙进入木材内
部，这样更多的声波通过木材内部。声波进入木材
后引起木材内部空气振动，由于空气和木材之间的
黏性阻力将更多的声波能量转化成热能，提高了木
材的吸声性能; 其次，孔隙之间的连通性增加，会有
更多的声波通过细胞上的间隙穿过木材内部，从而
提高木材的吸声性能。从图 3 和图 4 可以看出，在
313. 2 ～ 2 513. 7 nm 和 10 658 ～ 40 291 nm 范围内孔
隙的数量，腐朽木材明显大于正常材。与正常材相
比，孔隙率提高 24%，腐朽木材内部孔隙的比表面
积是正常材的 3 倍，当声波作用在木材表面时，由于
腐朽木材孔隙率较高，较多的声波可以传入木材内
部，只有一少部分被返回，当声波传入木材内部之
后，由于小孔隙的作用，使得声波在孔隙内部产生更
多的反射，声波与木材细胞壁多次发生非弹性碰撞，
声波能量损失转化为热能。同时腐朽木材内部比表
面积增加，声波引起的振动空气与木材内表面摩擦
增多，使更多的声波动能克服摩擦转化为热能。
3 结论
1) 腐朽木材的吸声性能明显高于正常材，特别
在中高频段，平均吸声系数比正常材提高 0. 24。
2) 腐朽木材的微观结构表明: 腐朽木材细胞
壁上纹孔膜被分解，纹孔重新打开，木射线等薄壁细
胞被分解，甚至厚壁细胞形成裂纹。纹孔重新打开
以及细胞壁上的裂纹增加了木材的孔隙率和木材内
部孔隙的连通性，使得木材的吸声性能提高。
3) 压汞仪测试结果表明: 腐朽木材 (0. 23 g·
cm － 3)与正常材相比，木材的孔隙率提高 24%，腐朽
木材内部孔隙的比表面积是正常材的 3 倍，腐朽木
材中 313 ～ 2 513 nm 范围内的孔隙比正常材多 1. 25
mL·g － 1，9 535. 9 nm ～ 400 μm 之间的孔隙，腐朽木
材也比正常材多，但是二者的差异不大。小孔隙增
加导致木材的连通性提高，更多的声波可以传入木
材内部，木材内表面积增加，木材的吸声性能提高。
参 考 文 献
池玉杰 ． 2005. 6 种白腐菌腐朽后的山杨木材和木质素官能团变化
的红外光谱分析 ． 林业科学，41(2) : 136 － 140．
(Chi Y J． 2005． FTIＲ analysis on function groups of david poplar wood
and lignin degraded by 6 species of wood white-rot fungi． Scientia
Silvae Sinicae，41(2) : 136 － 140． ［in Chinese］)
马大猷 ． 2002． 噪声与振动控制工程手册 ． 北京: 机械工业出版社 ．
59
林 业 科 学 51 卷
(Ma D Y． 2002． Control engineering handbook of noise and vibration．
Beijing: Machinery Industry Press．［in Chinese］)
Blanchette Ｒ A，Otjen L， Effland M J， et al． 1985． Changes in
structural and chemical components of wood delignified by fungi．
Wood Science and Technology，19(1) : 35 － 46．
Kang C，Kang W，Chung W． 2008． Changes in anatomical features，air
permeability and sound absorption capability of wood induced by
delignification treatment． Journal of the Faculty of Agriculture，53
(2) : 479 － 483．
Kobayashi Y， Iida I， Imamura Y， et al． 1998． Improvement of
penetrability of sugi wood by impregnation of bacteria using sap-flow
method． Journal of Wood Science，44(6) : 482 － 485．
Lowell S，Shields J E，Thomas M A，et al． 2004． Pore size and surface
characteristics of porous solids by mercury porosimetry．
Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area，Pore
Size and Density，16: 189 － 212．
Padhiar A，Albert S． 2011． Anatomical changes in Syzygium cumuini
Linn． wood decayed by two white rot fungi Schizophyllum commune
Fries． and Flavodon flavus ( Klotzsch ) Ｒyvarden． Journal of the
Indian Academy of Wood Science，8(1) : 11 － 20．
Padhiar A，Albert S． 2012． Anatomical studies on decaying wood of
Mangifera indica by two white rot fungi Schizophyllum commune and
Flavadon flavus． Journal of the Indian Academy of Wood Science，9
(2) : 143 － 153．
Sheth P N，Babu B V． 2010． Production of hydrogen energy through
biomass ( waste wood ) gasification． International Journal of
Hydrogen Energy，35(19) : 10803 － 10810．
Takemoto S， Hwang W J， Takeuchi M， et al． 2008． Anatomical
characterization of decayed wood in standing light red meranti and
identification of the fungi isolated from the decayed area． Journal of
Wood Science，54(3) :233 － 241．
Tsang D C W，Hu J，Liu M Y，et al． 2007． Activated carbon produced
from waste wood pallets: adsorption of three classes of dyes． Water，
Air，and Soil Pollution，184(1 /4) : 141 － 155．
Wang D，Peng L，Zhu G，et al． 2014． Improving the sound absorption
capacity of wood by microwave treatment． BioＲesources，9 ( 4 ) :
7504 － 7518．
Wu W，Kawamoto K，Kuramochi H． 2006． Hydrogen-rich synthesis gas
production from waste wood via gasification and reforming technology
for fuel cell application． Journal of Material Cycles and Waste
Management，8(1) : 70 － 77．
(责任编辑 石红青)
69