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Study on the Relationships between Longitude and Radial Sound Vibration Parameters of Genus Picea

云杉属木材纵向和径向声振动特性参数关系的研究


采集7种我国具有代表性的云杉属木材及1种作对比用的美国产西加云杉试件,通过纵、横向木材试件在高次振动模式下的试验,测量木材各项声振动参数。研究发现:纵向材与径向材振动参数比之间存在着一定的相关性,据此可以选择各向异性适中,韧性好,纵向、径向振动受剪切影响小的木材制作乐器的音板。

Longitude sawn timber usually was used as studying the properties of instrument vibration board. As radial sawn timber was also selected to be vibration board in real production, it is very important to evaluation the properties of the vibration board in the round especially when radial sawn timber sound radiation character and its relationship to longitude sawn timber have been studied. Up till now, for the nation and international experts, radial sawn timber has not been studied on its role and its function in sound radiation. This paper deals with seven important Spruce species that grow up in Sichuan and Heilongjiang Province of China and a Picea sitchensis specimen from America. Under the high mode bending vibration, MOE and other parameters of longitude and radial wood are tested. The results showed that there are some relationships between the vibration properties of longitude and radial wood. This research can be helpful to select the proper anisotropy, good toughness, and weakness in shear of longitude and radiation vibration timber to be musical instrument wood.


全 文 :第 wu卷 第 v期
u s s y年 v 月
林 业 科 学
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云杉属木材纵向和径向声振动特性参数关系的研究
沈 隽
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 采集 z种我国具有代表性的云杉属木材及 t种作对比用的美国产西加云杉试件 o通过纵 !横向木材试件
在高次振动模式下的试验 o测量木材各项声振动参数 ∀研究发现 }纵向材与径向材振动参数比之间存在着一定的
相关性 o据此可以选择各向异性适中 o韧性好 o纵向 !径向振动受剪切影响小的木材制作乐器的音板 ∀
关键词 } 云杉属木材 ~纵向 ~径向 ~声振动特性
中图分类号 }≥z{t1v{ 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsv p ssut p sw
收稿日期 }ussw p sw p tx ∀
基金项目 }国家自然科学基金kssztsszstxl o东北林业大学创新项目资助 ∀
3 本文是在东北林业大学刘一星教授指导下完成的 o谨此致谢 ∀
Στυδψ ον τηε Ρελατιονσηιπσ βετωεεν Λονγιτυδε ανδ Ραδιαλ Σουνδ ςιβρατιον Παραµετερσ οφ Γενυσ Πιχεα
≥«¨ ± ∏±
k Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } ²±ª¬·∏§¨ ¶¤º±·¬°¥¨µ∏¶∏¤¯ ¼¯ º¤¶∏¶¨§¤¶¶·∏§¼¬±ª·«¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶²©¬±¶·µ∏°¨ ±·√¬¥µ¤·¬²± ¥²¤µ§q „¶µ¤§¬¤¯ ¶¤º±
·¬°¥¨µº¤¶¤¯¶²¶¨¯¨ ¦·¨§·²¥¨ √¬¥µ¤·¬²± ¥²¤µ§¬±µ¨¤¯ ³µ²§∏¦·¬²±o¬·¬¶√¨ µ¼¬°³²µ·¤±··² √¨¤¯∏¤·¬²±·«¨ ³µ²³¨µ·¬¨¶²©·«¨ √¬¥µ¤·¬²±
¥²¤µ§¬±·«¨ µ²∏±§ ¶¨³¨¦¬¤¯ ¼¯ º«¨ ±µ¤§¬¤¯ ¶¤º±·¬°¥¨µ¶²∏±§µ¤§¬¤·¬²±¦«¤µ¤¦·¨µ¤±§¬·¶µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³·² ²¯±ª¬·∏§¨ ¶¤º±·¬°¥¨µ«¤√¨
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©∏±¦·¬²±¬±¶²∏±§µ¤§¬¤·¬²±q ׫¬¶³¤³¨µ§¨¤¯¶º¬·«¶¨√¨ ± ¬°³²µ·¤±·≥³µ∏¦¨ ¶³¨¦¬¨¶·«¤·ªµ²º ∏³¬± ≥¬¦«∏¤± ¤±§ ‹ ¬¨¯²±ª­¬¤±ª
°µ²√¬±¦¨ ²© ≤«¬±¤ ¤±§¤ Πιχεα σιτχηενσισ ¶³¨¦¬°¨ ± ©µ²° „°¨ µ¬¦¤q ˜±§¨µ·«¨ «¬ª« °²§¨ ¥¨ ±§¬±ª √¬¥µ¤·¬²±o ’∞ ¤±§²·«¨µ
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Κεψ ωορδσ} ª¨ ±∏¶ Πιχεα º²²§~ ²¯±ª¬·∏§¨ §¬µ¨¦·¬²±~µ¤§¬¤¯ §¬µ¨¦·¬²±~¶²∏±§√¬¥µ¤·¬²± ³µ²³¨µ·¬¨¶
木材和其他具有弹性的材料一样 o在冲击性或周期性外力的作用下 o能够产生声波或进行声波振动传
播 o这种对外力振动的反应是木材产生声音效果的源泉k刘一星 ot||{l ∀木材是制作乐器共鸣板的重要材
料 o乐器的质量不仅决定于制作的工艺条件 o也有赖于选用材料的声学特性k韩桐光 ot||ul o因而开展木材振
动性能研究 o对乐器制作 !提高产品质量具有重要意义 ∀多年来国内外学者对木材振动性能开展了大量研
究 o通过分析找到了描述木材振动特性的方法 o这些为客观评价乐器用木材找到了科学依据k李坚 ot||wl ∀
木材是各向异性的材料 o由于木材细胞的形状 !排列方式 !次生壁 ≥u 层微纤丝排列方向等构造因素具有
明显的方向性和规律性 o所以木材纵向和径向物理力学性能差异很大k李坚 ot||wl ∀木材的声学性能也不例
外 o评价木材声学性能的优劣也应从这 u个方向综合考虑 ∀
乐器共鸣板一般以纵向材作为研究对象 o具有比较高比动弹性模量 !声辐射阻尼系数和较低内摩擦系数
的纵向木材 o振动特性优良k刘松龄 ot|{w ~冈野 健等 ot||x ~小野晃明 ot|{v ~外崎真理雄 ot|{vl ∀但实际生产
中 o大多数音板锯制得到的面包括径向材 o这就要求与纵向相垂直的径向材也应具有良好的振动特性 ∀目
前 o国内外学者对径向材在发音中的角色 !作用研究得较少 o径向材的发音特性及其与纵向材振动参数之间
的关系 o对于综合评价木材声学性能具有重要作用 ∀
本文采集了 z种我国具有代表性的云杉属木材及 t种作对比用的美国产西加云杉k Πιχεα σιτχηενσισl试
件 o通过木材纵向 !径向试件在高次振动模式下的试验 o测量出木材各项声振动参数 o在此基础上 o进一步探
讨各树种木材纵向 !径向振动参数的关系 o为全面描述木材的声振动品质打下研究基础 ∀
t 材料与方法
111 材料
表 1 中国四川和黑龙江省产云杉试材采集表
Ταβ .1 Εξπεριµεντ σαµ πλεσ χολλεχτιον φροµ Σιχηυαν ανδ Ηειλονγϕιανγ Προϖινχειν Χηινα
序号
‘²q 树种 ×µ¨¨¶³¨¦¬¨¶
直径
⁄¬¤° ·¨¨µΠ¦° 产地 ≤²¯¯¨ ¦·¬²± ³¯¤¦¨
t 油麦吊云杉 Πιχεα χοµπλανατα yy 四川美姑县  ¬¨ª∏≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
u 油麦吊云杉 Πιχεα χοµπλανατα xs 四川美姑县  ¬¨ª∏≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
v 川西云杉 Πιχεα βαλφουριανα yu 四川炉霍县 ∏«∏² ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
w 川西云杉 Πιχεα βαλφουριανα yu 四川炉霍县 ∏«∏² ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
x 云杉 Πιχεα ασπερατα xw 四川马尔康县 ¤¨µ®¤±ª ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
y 紫果云杉 Πιχεα πυρπυρεα {s 四川马尔康县 ¤¨µ®¤±ª ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
ts 丽江云杉 Πιχεαλικιανγενσισ xw 四川木襄县 ∏¬¬¤±ª ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
tt 丽江云杉 Πιχεαλικιανγενσισ yu 四川木襄县 ∏¬¬¤±ª ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
tw 紫果云杉 Πιχεα πυρπυρεα xw 四川马尔康县 ¤¨µ®¤±ª ≤²∏±·¼o≥¬¦«∏¤±
ut 鱼鳞云杉 Πιχεαϕεζοενσισ √¤µq κοµαροϖιι vx 黑龙江带岭 ⁄¤¬¯¬±ª ≤²∏±·¼o ‹ ¬¨¯²±ª­¬¤±ª
uu 红皮云杉 Πιχεα κοραιενσισ ws 黑龙江带岭 ⁄¤¬¯¬±ª ≤²∏±·¼o ‹ ¬¨¯²±ª­¬¤±ª
vt 美国西加云杉 Πιχεα σιτχηενσισ  {s ˜≥„
树种选自四川省产和黑龙
江产云杉 o见表 t ∀其中 vt号
试材美国西加云杉是在日本东
京大学采集的 o作为本试验的
对照试样 ∀
试材经过长期气干放置
后 o采取随机抽样法 o从每株树
的心边材各部分采取试件 o加
工成基本外形尺寸为 vss °°
kl ≅ vs °°k• l ≅ ts °°k×l和
vss °°k• l ≅ vs °°kl ≅ ts
°°k×l的纵向 !径向 u种试件 o
各表面均刨光 o加工平整 o然后
放在环境室温为 us ε !空气相
对湿度为 yx h密闭容器中 o调整平衡含水率 ∀
112 振动特性参数测定方法和参数计算
在试样的波型节点处用弹力线将试样呈水平悬吊 o试验时用小木棰敲击试件的一端或中心部 o试件另一
端的下方放置振动接受器 ) ) ) 高灵敏度 !宽频带 !低噪声微音器 o接收信号通过前置放大器 !滤波器后 o由
ƒƒ×分析仪处理可得到共振频率的预读值 ~由 „Π⁄转换器完成数字信号采集 o将振动波形的离散信号数据序
列传入计算机 o由专用软件处理数据 o得到基本共振频率和各高次振动阶数条件下振动特性的各项参数 o并
计算出去除剪切变形和转动惯量影响的动弹性模量精确值 ∀由程序完成的判读 !计算功能和方法简要如下 }
tl 得到的等步距离离散信号数据序列k一次最多可采 vu sss点 o采样步距 Β根据振动频率和分析所需
波形数目的需要事先设定 oΛ¶l实际上是典型的自由衰减波形数据 o首先用程序正确判读每个波形/峰点0的
值为 Πt o Πu o , Πϕ o Πϕn t o , Πν o以及各个/峰点0在数据序列中的序号为 ξt o ξu o , ξϕ o ξϕn t o , ξν ∀
ul 计算出该数据对应试件在对应振动阶数 ι下的共振频率 φι o动弹性模量 Ει ∀
φι € tΠΤ € tΠ¾≈k Ξν p ξtl Πk ν p tl  ΒÀ € k ν p tlΠ≈ Βk Ξν p ξtl  ktl
Ει € kw{Πu ΘΛw φulΠk µw Τul kul
ktl式中 }Τ为振动周期 ∀kul式中 }Θ为试件密度 ~Λ为试件长度 ~Τ为试件厚度 ~µ 为振动阶数所决定
的系数 ∀
vl 计算对数衰减系数 ∆o损耗角正切·¤±∆∀
对于 ∆的计算 o以往通常根据振幅 Α采用kvl式的方法计算 }
∆ € ±¯kΑtΠΑul € ±¯kΑuΠΑvl € , € ±¯kΑιΠ Αιn νlΠν kvl
本文采取更为精确并切合实际的计算方法 o将¾s ot , ν p tÀ设为自变量数组 o将¾¯±k ΑtΠΑul o¯± k ΑuΠ
Αvl o,¯ ± kΑtΠΑνlÀ设为因变量数组进行回归分析 o取回归方程式的斜率作为对数衰减系数 ∆o然后根据kwl
式计算·¤±∆∀
·¤±∆ € ∆ΠΠ kwl
wl利用在各个振动阶数 ι条件下测定的动弹性模量 Ειk纵向试件 }ι € t ∗ x o横向试件 }ι € t ∗ zl o采用根
据 ׬°²¶«¨ ±®²弯曲振动理论并参考 Š²¨ ±¶!‹ ¤¨µ°²±的数值计算方法编制的程序处理数据 o得到可以消除剪切
应力及转动惯量而引起的附加挠度误差的动弹性模量值 Ε o并计算出剪切弹性模量 Γ ∀
xl 利用步骤 tl !ul求得的 Ε !·¤±∆等参数和已测定的试件木材密度值 Θo进一步计算得出各个试件的一
些有关声学振动特性的重要参数 }比动弹性模量 Ε ΠΘ!声辐射阻尼系数 Ρk也称声辐射常数l为 ΕΠΘv o以及
动弹性模量与剪切弹性模量比值为 ΕΠΓ ∀
uu 林 业 科 学 wu卷
u 结果与分析
211 各树种木材纵 !径向振动参数的直观比较
根据振动学理论 o音板共鸣材料为降低高次模式振动中剪切振动的影响 o材料本身剪切模量应该较小 o
而对应描述材料韧性 !反映材料振动能力大小的动弹性模量值应该较大 ∀除此之外 o表征内摩擦损耗的损耗
角正切直接衡量振动效率 o损耗角正切较小 o木材声能量的转换效率高k铃木正治 ot|z| ~渡边治人 ot|{yl ∀
据此 o试验对各树种木材振动特性数据进行了综合整理 o采用纵向和径向试件动弹性模量与剪切模量的比值
及两向振动过程中能量损耗比来描述木材振动中各向异性 ∀图 t„ ∗ ∞清楚地反映了 {个树种木材在纵 !横
u个方向各项性能大小的变化 o从中可以方便地比较试验材料性能优劣 ∀
从各树种木材纵向 ŏΠΓ• ×值k图 t„l的比较来看 o比值大于 us的有 }油麦吊云杉 !丽江云杉 !鱼鳞云杉和
西加云杉 o说明这些树种木材纵向振动时受剪切振动的影响比其他树种要小 o材料韧性较好 o在这些树种中
鱼鳞云杉的表现尤为突出 o川西云杉受剪切振动的影响大些 ∀
图 t {种木材各项性能大小的比较
ƒ¬ªqt ≤²°³¤µ¬¶²± ²©§¬©©¨µ¨±·³µ²³¨µ·¬¨¶©²µ{·µ¨¨¶³¨¦¬¨¶
t1 油麦吊云杉 Πιχεα χοµπλανατα ~u1 川西云杉 Πιχεα βαλφουριανα ~v1 云杉 Πιχεα ασπερατα ~w1紫果云杉 Πιχεα πυρπυρεα ~
x1 丽江云杉 Πιχεα λικιανγενσισ~y1 鱼鳞云杉 Πιχεαϕεζοενσισ √¤µq κοµαροϖιι ~z1 红皮云杉 Πιχεα κοραιενσισ~{1 美国西加云杉 Πιχεα σιτχηενσισq
与纵向情况不同的是 }鱼鳞云杉在径向振动中却受剪切振动影响较大 o红皮云杉所受影响较小k图 t…l ~
对应地从 ŏΠΕ• 值k图 t≤l看 o各树种木材均表现出较大的各向异性 o尤其是鱼鳞云杉在动弹性模量上表现
出较强的这种特性 o而川西云杉 !紫果云杉这方面的表现较其他树种要弱 ∀从·¤±∆Π·¤±∆• 的比值k图 t⁄l看 o
木材径向振动时内摩擦损耗要大于纵向振动 o从木材内部结构情况分析 o出现这种结果是合理的 ∀所有试验
树种木材对比来看 o西加云杉和川西云杉的·¤±∆Π·¤±∆• 的比值较大 ∀
综合上述情况 o图 t∞以k ŏΠΕ• lk·¤±∆Π·¤±∆• l指标与木材树种做图 o代表性地反映了图 t„ ∗ ⁄所出现
木材各向异性的各种特征 o由于综合了 ŏΠΕ• 与·¤±∆Π·¤±∆• 两方面的因素 o可以看出 o图中鱼鳞云杉和西加
云杉树种木材径向振动性能较其他树种优良 ∀
212 各树种木材纵向和径向振动参数的相关比较
木材纵向和径向振动参数比是表征材料各向异性重要的物理量 o实际上这些物理量之间具有一定的相
互关系 o通过相关性分析 o可以进一步寻求木材纵向和径向振动参数之间的内部联系 o为深入评价木材声振
动品质打下基础 ∀
木材各纵向和径向振动参数比间的相关系数见表 u o除 Ï×与·¤±∆Π·¤±∆• !ŏΠΓ• ×与·¤±∆Π·¤±∆• 之间相
关性较低外 o其他参数间相关性较强 ∀
u1u1t ŏΠΕ• 与 Ï×之间的关系 ŏΠΕ• 代表纵向和径向木材动弹性模量大小之比 oŏΠΕ• 越大 o材料的
各向异性越大 ~Ï×衡量木材径向振动时剪切振动的大小 ∀根据振动学理论 o对于音板制作的木材来说 o其剪
切模量应小 o以使高频振动时剪切振动的影响减少 ∀最适合做乐器的木材应是 ŏΠΕ• 的比适当大 oÏ×的值
较小的材料 ∀由图 u„可以看出 o各树种木材中 o西加云杉 !油麦吊云杉 !丽江云杉 !云杉 !红皮云杉满足上述
vu 第 v期 沈 隽 }云杉属木材纵向和径向声振动特性参数关系的研究
表 2 木材纵向和径向振动参数比间的相关系数
Ταβ .2 Χορρελατιϖε χοεφφιχιεντ οφ ϖιβρατιοναλ παραµετερσ
βετωεεν ωοοδ λονγιτυδιναλ ανδ τρανσϖερσε διρεχτιον
木材纵向和径向振动参数比
≤²°³¤µ¬¶²± ²©√¬¥µ¤·¬²±¤¯ ³¤µ¤°¨ ·¨µ¶¥¨·º¨¨ ±
º²²§ ²¯±ª¬·∏§¬±¤¯ ¤±§·µ¤±¶√¨ µ¶¨ §¬µ¨¦·¬²±
Γ× ΕΠΓ• ×
ŏΠΕ• s1{sx s1zwt
·¤±∆Π·¤±∆• s1ssy s1uxy
k ŏΠΕ• lk·¤±∆Π·¤±∆• l s1z|s s1y{v
条件 ~鱼鳞云杉的 ŏΠΕ• 最大 oÏ×值最大 o说明鱼鳞云杉
各向异性强 o而且 o在径向振动同时容易产生剪切振动k原
因在于鱼鳞云杉横向木材试件生长轮宽度和晚材率变异系
数大l ~川西云杉 !紫果云杉的各向异性较弱 o上述现象与以
前分析结果一致 ∀
u1u1u ŏΠΕ• 与 ŏΠΓ• ×的关系 如图 u…o各树种木材随
着 ŏΠΕ• 值的增大 oŏΠΓ• ×值呈线性增大的关系 o正线性
相关性很好 ∀综合前述分析 o各向异性适中 !韧性较好 o而
纵向振动时只产生较低剪切振动树种的木材具有优良的声
振动特性 o适宜于乐器的制作 o处在图 u…直线左上方树种的木材如美国西加云杉 !油麦吊云杉 !丽江云杉 !红
皮云杉 !云杉比较符合这个要求 o与图 u„相比 o这几个树种木材在这一相互关系上的表现很优良 ∀
图 u {种木材各项性能之间的关系
ƒ¬ªqu ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³²©§¬©©¨µ¨±·³µ²³¨µ·¬¨¶©²µ{·µ¨¨¶³¨¦¬¨¶
ρ油麦吊云杉 Πιχεα χοµπλανατα ~ τ 川西云杉 Πιχεα βαλφουριανα ~ 3 丽江云杉 Πιχεα λικιανγενσισ~ ≅紫果云杉 Πιχεα πυρπυρεα ~
ϖ云杉 Πιχεα ασπερατα ~ ο鱼鳞云杉 Πιχεαϕεζοενσισ √¤µq κοµαροϖιι ~ n红皮云杉 Πιχεα κοραιενσισ~ p西加云杉 Πιχεα σιτχηενσισ
u1u1v k ŏΠΕ• lk·¤±∆Π·¤±∆• l与 ŏΠÏ×的关系 损耗角正切与动弹性模量之比·¤±∆ΠΕ作为一项重要的声
振动参数 o主要用来衡量每周期振动能量的损耗k冈野 健等 ot||x ~则元京 ot|{ul o·¤±∆ΠΕ越大 o说明木材每
周期振动能量的损耗大 o不利于声辐射 ∀k ŏΠΕ• lk·¤±∆Π·¤±∆• l指标代表性地反映了木材各向异性的特征 o
综合了 ŏΠΕ• 与·¤±∆Π·¤±∆• 两方面的因素 ∀图 u≤ 表明 }k ŏΠΕ• lk·¤±∆Π·¤±∆• l与 ŏΠΓ• ×之间呈正线性相
关关系 o且相关系数较大 ∀图 u≤直线中部几个树种的木材 o如美国西加云杉 !丽江云杉 !油麦吊云杉 !红皮云
杉 !云杉等 o各向异性适中 o材料纵向振动时只产生较低的剪切振动 o从这一角度来看 o这些树种的木材也适
宜于乐器的制作 ∀
v 结论
试验各树种木材中 o鱼鳞云杉 !油麦吊云杉 !丽江云杉和西加云杉纵向振动时受剪切振动的影响比其他
树种要小 o材料韧性较好 o川西云杉受剪切振动的影响大 ∀鱼鳞云杉在径向振动中受剪切振动影响较大 o而
红皮云杉所受影响较小 o鱼鳞云杉在动弹性模量上表现出较强的各向异性 o而川西云杉 !紫果云杉各向异性
较弱 o综合来看 }鱼鳞云杉和西加云杉径向振动性能较其他树种优良 ∀
除 Ï×与·¤±∆Π·¤±∆• !ŏΠΓ• ×与·¤±∆Π·¤±∆• 之间相关性较低外 o木材各纵向和径向振动参数比间存在着
较强的相关性 o相关系数均在 s1y{以上 ∀
根据纵向材与径向材振动参数比之间的相关性 o可以选择各向异性适中 o韧性好 o纵向 !径向振动受剪切
影响小的木材 o如美国西加云杉 !四川产油麦吊云杉 !丽江云杉等制作乐器的音板 ∀
参 考 文 献
渡边治人 qt|{y1 木材应用基础 q上海 }上海科学技术出版社 oz
冈野 健 o太田正光 qt||x q年轮宽对木材构造及振动特性的影响 q木材学会志 owv }{
韩桐光 qt||u q木材与乐器 q中国木材 ou }ws
李 坚 qt||w q木材科学 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 oz
铃木正治 qt|z| q木材的内摩擦和构造的关系 q木材志 ouxktsl }yuv p yu|
刘松龄 qt|{w1木材学 q长沙 }湖南科学技术出版社
刘一星 qt||{ q木材声振动特性树种内变异和影响因子的研究 Μ李 坚 q中国木材研究 q哈尔滨 }东北林业大学出版社 ovvv p vxw
外崎真理雄 qt|{v1 西加云杉的声振动特性 q木材学会志 o| }xwz p xxu
小野晃明 qt|{v q乐器材的弹性模量和内摩擦力的研究 q应用物理杂志 ouuktwl }ytt p ytw
则元京 qt|{u q乐器用材的物性 ) ) ) 钢琴音响板材的选择 q木材志 ou{kzl }wsz p wtv
k责任编辑 石红青l
wu 林 业 科 学 wu卷