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论木材对室内居住环境的影响(二) ——木材室内居住的触觉特性及听觉特性
信息来源:信息中心 更新时间:2020-11-09 收藏此页

编者按:

对于红木家具行业而言,木材是其存在和发展的基础。木材对人们居住的环境又有着怎样的影响?为此,《品牌红木》杂志特邀全联艺术红木家具专业委员会专家顾问、华南农业大学博士生导师李凯夫结合40多年研究成果,将持续刊登连载《论木材对室内居住环境的影响》一文,从木材室内居住的视觉特性、触觉特性、听觉特性,以及木材室内调节特性、木材的生物体调节特性等几个方面阐述木材对室内居住环境的影响。


全联艺术红木家具专业委员会专家顾问、华南农业大学博士生导师李凯夫

木材室内居住的触觉特性

人们通过在触摸、接触过程中所感受到的木材的冷暖、软硬、涩滑等触感,而形成对木材的知觉感受。人们与 木材的表面接触时,有特别亲切的感觉,包括冷暖感,粗滑感,软硬感、干湿感、轻重感,舒适感等。木材的这些触觉特性使木材成为人们非常喜爱的地面铺设材料。 木材的触觉特性与木材的组织构造,特别是与表面组织构造的表现方式密切相关;不同树种的木材,其触觉特性也不相同。

表1.木材及各种材料触觉特性综合分析

表1.木材及各种材料触觉特性综合分析

一般常以冷暖感、软硬感、粗糙感这三种感觉特性加以综合评定,可将材料的触觉特性分为7类(见表1)。如果以W、H、R分别代表这三种感觉特性的心理量,则可形成一个直角坐标空间(简称为WHR空间)。在WHR空间位置上越接近的材料,其触觉特性越相似。

冷暖感

木材表面的冷暖感觉和木材导热系数的对数呈线性关系。由于木材顺纹方向的导热系数一般为横纹方向的2-2.5倍,所以木材的纵切面比横断面的温暖感略强一些。木材导热系数适中,正好符合人类活动的需要,给人的感觉是温暖的、和谐的,这也是人们喜爱用木材铺装地面能显著改善居住环境的重要原因之一。

图2.木材冷暖感与木材导热系数之间的关系

图2.木材冷暖感与木材导热系数之间的关系

从图2可见,木材表面的冷暖感与木材的导热系数成反比。木材的导热系数能够影响热量在木材中的热流量密度、热流量速度,影响皮肤-木材界面间的温度、温度的变化,归根到底影响木材的接触冷暖感。

图3.皮肤-木材界面的温度随时间的变化

图3.皮肤-木材界面的温度随时间的变化

从图3可见,人的皮肤接触不同树种的木材与材料时,皮肤表面的温度感觉会有不同的变化。手接触试件后手指温度因所用的材料不同而异,温度以不同方式变化。对于聚苯乙烯泡沫和轻木,其温度极为缓慢地增加,对于混凝土和密度高的木材,如栎木其温度在缓慢地降低;对于中等密度的木材,如落叶松其温度保持相对稳定。

图4.手指和材料接触时指尖温度的变化过程

从图4可见,手指与扁柏、PF、黄铜接触时,指尖温度是有变化的,其中手指接触扁柏木材时,指尖温度变化最小。

软硬感

软硬感与材料压缩弹性系数有关。木材属于中间或稍硬的材料,可让人有舒服感。木材具有较好的冲击性能,所以铺设木地板, 使用木家具,使人感到有安全感。国产材的端面硬度平均为53.5MPa,变化范围为13.1-165MPa。其中针叶树材平均为34.3MPa,变化范围为19.2-63.8MPa;阔叶树材平均为60.8MPa。针叶树材端面最高与最低值相差约3倍,阔叶树材相差12倍左右。针、阔叶树材均是端面硬度比侧面高,弦面硬度略比侧面高。端面∶径面∶弦面约为1∶0.80∶0.83。不同树种、同一树种的不同部位、不同断面的木材硬度差异很大,因而有的触感轻软,有的触感硬重。

粗糙感

粗糙感是指粗糙度和磨擦刺激人们的触觉。粗糙感与材料的表面粗糙度关。木材尽管经过刨切式砂磨,但由于细胞裸露在切面上,使木材表面不能是完全光滑的,即木材给予适度的粗糙感。这性质决定了木材摩擦因数也是适度的,静摩擦因数与动摩擦因数之差几乎没有。所以,木材的步行感比塑胶地砖优良,特别当地板表面水分状态变化,木地板不会因此而变得容易滑动,仍能保持良好的步行感。

图5.木材表面粗糙度的物理尺度和心理尺度

图5.木材表面粗糙度的物理尺度和心理尺度

木材细胞组织的构造与排列赋予木材表面以粗糙度。从图5可见,木材表面粗糙度与粗糙感的关系在针、阔叶树材之间有差异。粗糙感的分布范围针叶树材比阔叶树材树材的窄。对于阔叶树材来说,主要是表面粗糙度对粗糙感起作用,木射线及交错纹理有附加作用。而针叶树材的粗糙感主要来源于木材的年轮宽度。影响表面粗糙度的主要因子是摩擦阻力的大小及其变化。

日本学者研究各种材料得出结果表明,摩擦阻力小的材料其表面感觉光滑。在顺纹方向针叶树材的早材与晚材的光滑性不同,晚材的光滑性好于早材。木材表面的光滑性取决于木材表面的解剖构造,如早、晚材的交替变化、导管大小与分布类型、交错纹理等。

图6.人的大脑电波与作用

图6.人的大脑电波与作用

人与木材接触时,人的生理指标是有一定的变化,如人体血压略有升高,但幅度不大,且很快恢复到原位;心跳间隔略微减小,交感神经活动略增强,但副交感神经的活动并未有多大的减弱,甚至有增强趋势;脑电的α波减少、β波增加,显示兴奋性增强(见图6)。

木材室内居住的听觉特性

木材的空间声学特性,是指木材(或木质材料)作为建筑内装修材料或特殊用途材料时,对室内空间声学效果(建筑声学、音乐声学)以及对房屋之间隔音效果的影响、调整作用。它与木材的吸音、反射、透射特性和声阻抗等物理参数有关。木材的声阻抗居于空气和其它固体材料之间,较空气高而比金属等其它建筑材料低。

声音的强度是通过垂直于传播方向上单位面积的功率,可用声学仪器来度量。人耳对声音的感觉与它的频率有关,同样强度较低频率的声音比高频率的声音响度大。人耳平均可听到的最微弱的声音强度叫做听觉阈,在1000Hz时是10-8W/cm2。测量一个声音的强度时,可将它的强度与这个听觉阈的强度进行比较。

室内的声环境是构成室内环境的主要因素。一是要求没有令人讨厌的声音,即墙壁、天棚、地面的隔声性能要好;二是要求能够听到赏心悦耳的音响,即室内的音响特性要好,回音时间等要合适;三是要求吸音性要好,能够消除一些杂音。木材的优良声学性质,赋予了室内良好的声环境。

隔声性

木材的隔声性能主要是指木材对外来声音的阻挡能力。隔声量是指透射声强(Ii)与入射声强(It)的比值。

(1)

式(1)中,隔声量(R)的单位为分贝(dB),隔声量又称为传声损失(transmission loss),记作TL。L1、L2分别为构件前、后两侧的声压级。对于给定的隔声构件,隔声量与声波频率密切相关。一般来说,低频时的隔声量较低,高频时的隔声量较高。隔声量的测量方法根据《声学 建筑和建筑构件隔声测量》(GB/T19889-2005)中的相关要求进行。

研究表明: R=10 lg[1+9πmf/(ρe)] (2)

从式(2)可见,木材的隔声量(R)决定于面密度(m)与声音频率(f)的乘积。木材面密度增加一倍,木材的隔声量增加6dB,这是木材传声的质量定律。同一种材料,由于面密度不同,其隔音量存在比较大的变化。隔声量遵循质量定律原则,就是隔音材料的单位密集面密度越大,隔音量就越大,面密度与隔音量成正比关系。

木质材料自身的隔声性能差,主要是因为面密度较低。密度较低的木材,如单独使用,难以得到好的隔声效果。但是,对建筑物中经常开启的部分,如门窗等,不可能制造得非常笨重,希望利用木材这种密度低、强重比大的材料。因此,常采用木材与其声阻抗差异很大的材料进行组合,例如用木质材料加以蜂窝状松散材料夹层来提高隔声性能。常用的木质地板可使其噪音减低10dB。

单独从隔声方面考虑,不宜用单层木质材料作隔声墙或隔音地面,要采用双层复合结构。通常面层材料采用密度较大的木质材料,中间为空气层,以提高隔声性能,但空气层不能过厚,以免影响使用空间。透射墙壁或地面的能量大小,取决于初始的声强、隔音结构的质量(惯性)、隔音结构的刚性(弹性)和隔音结构的支承方式。

地板隔声测量包括空气声和撞击声的测量。在测量地板撞击声的隔声效果时,建议用标准撞击器。测量撞击声的标准撞击器放在地板上,取三个不同的位置和不同的方向进行撞击,测量地板下面接收室内的标准撞击声压级Ls,采用公式计算隔音量。

国际标准化组织规定的标准撞击器规格如下:①撞击器有五个锤子,排列在一条直线上,两端锤子中心的距离为400mm;②连续撞击的时间间隔为100±5ms;③锤子无摩擦自由下落的距离为40mm(±25%);④每个锤子的有效质量为0.5kg(±2.5%);锤子撞击楼板的部分用黄铜或钢材制成;⑤锤子为圆柱体,直径30mm。它与地板的接触部分是一个半径约500mm的球面。

《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006对于住宅楼板隔声的设计有以下规定:楼板的计权标准化撞击声声压级不大于70dB。国内相关机构对住宅楼板计权标准化撞击声级的调查得出了主观评价,以不大于65 dB(A)为宜,考虑到具体的技术经济条件,确定以不大于75 dB(A)为低限值。 

音响特性

台湾学者用木板装修墙壁、天花板及铺设木地板,与不进行室内装修的混凝土房屋进行音响对比试验,测定其250-2000Hz声波的回音时间。前者为0.26-0.66s,后者为1.76-3.38s,即木材内装修可缩短回声时间67%-92%。通常适合演讲的室内回音时间应少于1s。可见木材内装修房屋即可满足此要求。

板状木材吸收与其厚度有关,太薄的木板,其本身的振动(或与空气层的共振)会产生较强的声吸收,不利于反射,所以用作反射的木板(如果不是紧贴墙体时)必须具有一定的厚度。木材声阻抗明显高于空气声阻抗,能够将入射到其表面的声能大部分地反射回声源空间。木质地板、天花板和木制家具在控制环境混响时间、抑制环境噪声方面比较有利,能创造较好的室内声环境,人处于其中,比在混凝土、砖等材料结构的室内感到更加舒适。

吸声性

声波在传播过程中,遇到各类材料时,都会发生一部分声能被反射,一部分声能向材料内部传播并被吸收的现象。通常坚硬、光滑、结构紧密的材料吸声能力差;粗糙松软、具有相互贯穿内外微孔的多孔材料吸声能力好。木材是多孔性材料,具有良好的吸声功能。声波作用在木材表面时,一部份被反射,一部份被木材本身的振动吸收,还有一部份被透射。被反射的占90%,主要是柔和的中低频声波,而被吸收的则是刺耳的高频率声波。

因此,在我们的生活空间中,适当应用木材,可令我们感受到听觉上的和谐与悦耳。声波的吸声系数( α )为吸收能量、透射能量之和与入射总能量之比。木材的声吸收性能用吸声系数α来表示,它是吸收入射能的百分率,亦即吸收和透射的能量之比值的百分率。2cm厚的冷杉板材,其平均吸声系数约为0.1,说明其木材有90%左右的入射声能被反射。木材的声吸收效果还与声源频率有关。软质木材对频率较高部分的吸收较多,吸收效果随板材增厚而加大,但这一作用仅至20mm。木材由于孔隙体积大和表面孔隙度高,具高的声吸收能力,对声波频率变化的反应也较显著。还可用打孔、开槽的方法来进一步提高对声的吸收性能。木材为多孔性吸声材料,用木质材料做墙壁的屋子,回声小,混响时间适当,比混凝土、砖等结构的室内感到安静,主要归结于木材的吸声性能。

木材的吸声系数不仅与声阻抗、表面平整程度等因子有关,还与固定方式、后部空气层的深度有关,明显地表现出吸声的频率特性。利用这种关系,可以适当地降低木板的厚度,并加入空气层,以提高吸声系数。

木材的吸声机理是材料内部有大量微小的连通的孔隙,孔隙间彼此贯通形成空气通道,且通过表面与外界相通,在细胞壁框架间形成了许多细管或毛细管组成的管道构造。当声波入射到木材表面时,一部分在木材表面被反射掉,另一部分则透入到木材内部向前传播,小孔中心的空气质点可以自由地响应声波的压缩和稀疏。但是,紧靠孔壁或纤维表面的空气质点振动速度较慢,由于摩擦和空气的黏滞阻力,使空气质点的功能不断转化为热能,从而使声波衰减。

入射总能量与材料吸收、投射能量之差即为反射能量。反射能量为入射总能量与材料吸收、透射能量之差。反射能量的大小,取决于反射界面两侧介质声阻抗的差异程度,差异越大,则反射越强。由于木材的声阻抗比空气大4个数量级,所以作用在木材表面的声波大部分能量被反射。

(来源:第五十六期《品牌红木》杂志  李凯夫/文)

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