Tonewood относится к определенным сортам древесины , используемым для духовых или акустических струнных инструментов. Это слово подразумевает, что определенные виды обладают качествами, которые улучшают акустические свойства инструментов, но другие свойства древесины, такие как эстетика и доступность, всегда учитывались при выборе древесины для музыкальных инструментов. Согласно Mottola's Cyclopedic Dictionary of Lutherie Terms , tonewood — это:
Древесина, используемая для изготовления струнных музыкальных инструментов. Этот термин часто используется для обозначения пород древесины, которые подходят для струнных музыкальных инструментов, и, путем исключения, тех, которые не подходят. Но список пород, которые обычно считаются тоновыми древесиной, постоянно меняется и постоянно менялся на протяжении всей истории. [1]
В качестве грубого обобщения можно сказать, что жесткие, но легкие мягкие породы дерева (например, хвойные деревья) предпочтительны для дек или поверхности, похожей на деку, которая передает колебания струн в окружающий воздух. Твердые породы дерева (например, лиственные деревья) предпочтительны для корпуса или элемента обрамления инструмента. Древесина, используемая для деревянных духовых инструментов, включает африканское черное дерево ( Dalbergia melanoxylon ), также известное как гренадилла, используемое в современных кларнетах и гобоях. Фаготы обычно изготавливаются из клена, особенно из клена остролистного ( Acer platanoides ) . Деревянные флейты, блокфлейты и инструменты эпохи барокко и классики могут быть изготовлены из различных твердых пород дерева, таких как груша ( вид Pyrus ), самшит ( вид Buxus ) или черное дерево ( вид Diospyros ).
Некоторые механические свойства обычных тоновых пород древесины, отсортированные по плотности. См. также Физические свойства древесины .
Для сравнения добавлены углеродное волокно/эпоксидная смола, стекло, алюминий и сталь, поскольку они иногда используются в музыкальных инструментах.
Плотность измеряется при влажности древесины 12%, то есть при температуре воздуха 70 °F и относительной влажности 65%. [8] Большинство профессиональных мастеров строят при влажности 8% (относительная влажность 45%), и такая древесина будет весить в среднем меньше, чем указано здесь, поскольку она содержит меньше воды.
Данные взяты из базы данных Wood [9] , за исключением 𝜈 LR , коэффициента Пуассона , который взят из Лаборатории лесной продукции, Лесной службы США, Министерства сельского хозяйства США. [10] Отображаемое здесь отношение относится к деформации вдоль радиальной оси, вызванной напряжением вдоль продольной оси.
Процент усадки, показанный здесь, представляет собой величину усадки во всех трех измерениях по мере того, как древесина переходит от сырого состояния к высушенному в печи. Это можно использовать как относительный показатель того, насколько сухая древесина изменится при изменении влажности, что иногда называют «стабильностью» инструмента. Однако стабильность настройки в первую очередь обусловлена продольной усадкой грифа, которая обычно составляет всего около 0,1–0,2% от сырого до сухого. [11] Усадка объема в основном обусловлена радиальной и тангенциальной усадкой. В случае грифа (четвертной распиловки) радиальная усадка влияет на толщину грифа, а тангенциальная усадка влияет на ширину грифа. Учитывая задействованные размеры, эта усадка должна быть практически незаметной. Усадка длины грифа в процентах немного меньше, но, учитывая размер, ее достаточно, чтобы повлиять на высоту тона струн.
Коэффициент излучения звука определяется [12] как:
где — модуль упругости при изгибе в Паскалях (т.е. число в таблице, умноженное на 10 9 ), а ρ — плотность в кг/м 3 , как в таблице.
Из этого видно, что громкость верхней деки струнного инструмента увеличивается с жесткостью и уменьшается с плотностью. Самые громкие деревянные деки, такие как ситхинская ель, легкие и жесткие, сохраняя при этом необходимую прочность. Более плотные породы дерева, например, твердый клен, часто используемый для грифов, прочнее, но не такие громкие (R = 6 против 12).
Когда дерево используется в качестве верхней части акустического инструмента, его можно описать с помощью теории пластин и колебаний пластин . Жесткость на изгиб изотропной пластины равна:
где — модуль упругости при изгибе для материала, — толщина пластины, — коэффициент Пуассона для материала. Жесткость пластины имеет единицы измерения Паскаль·м 3 (эквивалентно Н·м), поскольку относится к моменту на единицу длины на единицу кривизны, а не к общему моменту. Конечно, древесина не изотропна , она ортотропна , поэтому это уравнение описывает жесткость в одной ориентации. Например, если мы используем 𝜈LR, то получим жесткость при изгибе по продольной оси (вдоль волокон), как это обычно бывает для верхней части инструмента. Обычно это в 10–20 раз больше жесткости поперек волокон для большинства пород.
Значение, указанное в таблице, было рассчитано с использованием этой формулы и толщины 3,0 мм = 0,118″, или немного меньше 1/8″.
Когда древесина используется в качестве грифа инструмента, ее можно описать с помощью теории балок . Изгибная жесткость балки (определяемая как ) изменяется по длине как функция x, показанная в следующем уравнении:
где — модуль упругости материала, — момент инерции (в м4 ) , — поперечное смещение балки в точке x , — изгибающий момент в точке x . Жесткость балки на изгиб измеряется в единицах Паскаль·м4 ( эквивалентно Н·м²).
Величина прогиба на конце консольной балки составляет:
где — сосредоточенная нагрузка на конце, а — длина. Таким образом, прогиб обратно пропорционален . При наличии двух грифов одинаковой формы и размеров становится константой, а прогиб становится обратно пропорционален — короче говоря, чем выше это число для данной породы дерева, тем меньше гриф будет прогибаться под действием данной силы (т. е. от струн).
Подробнее о механических свойствах читайте в статье Древесина для гитар. [13]
Помимо предполагаемых различий в акустических свойствах, мастер может использовать тоновую древесину по следующим причинам:
Многие тоновые древесины поступают из устойчивых источников через специализированных дилеров. Например, ель очень распространена, но крупные куски с ровным волокном составляют небольшую долю от общего объема поставок и могут быть дорогими. Некоторые тоновые древесины особенно трудно найти на открытом рынке, и мелкие производители инструментов часто прибегают к переработке, [14] [15] например, из заброшенных ловушек для лосося на Аляске, различных старых конструкций на Тихоокеанском северо-западе США, из деревьев, которые были повалены ветром, или из специально разрешенных вырубок в заповедных зонах, где вырубка леса, как правило, не разрешена. [16] Производители инструментов массового рынка начали использовать азиатскую и африканскую древесину, такую как бубинга ( вид Guibourtia ) и венге ( Millettia laurentii ), в качестве недорогих альтернатив традиционным тоновым древесинам.
Долина Фьемме в Альпах Северной Италии издавна служила источником высококачественной ели для музыкальных инструментов [17] , начиная от скрипок Антонио Страдивари и заканчивая фортепианными деками современного производителя Фациоли .
Выбор тоновой древесины сильно различается в зависимости от типа инструмента. Производители гитар обычно отдают предпочтение древесине радиального распила , поскольку она обеспечивает дополнительную жесткость и размерную стабильность. Мягкую древесину, такую как ель, можно раскалывать, а не распиливать на доски, чтобы поверхность доски максимально соответствовала волокну, тем самым ограничивая биение .
Для большинства применений древесину необходимо высушить перед использованием, либо на воздухе, либо в печах. [18] Некоторые мастера предпочитают дополнительную выдержку в течение нескольких лет. Древесина для инструментов обычно используется при влажности 8% (что находится в равновесии с воздухом при относительной влажности 45%). Это суше, чем обычно производится в печах, где влажность составляет 12% (относительная влажность 65%). Если инструмент хранится при влажности, которая значительно ниже той, при которой он был изготовлен, он может треснуть. Поэтому ценные инструменты должны содержаться в контролируемых условиях, чтобы предотвратить растрескивание, особенно растрескивание верхней части.
Некоторые производители гитар подвергают древесину разрежению , которое имитирует естественный процесс старения тоновых дек. Торрефикация также используется для этой цели, но она часто меняет косметические свойства древесины. Производители гитар, использующие торрефицированные деки, заявляют об улучшении тона, похожем на тон старого инструмента. Мягкие породы древесины, такие как ель, кедр и красное дерево, которые обычно используются для гитарных дек, легче поддаются торрефикации, чем твердые породы древесины, такие как клен.
На недорогих гитарах все чаще для накладки грифа используется материал под названием «Roseacer», который имитирует палисандр, но на самом деле представляет собой термически модифицированный клен.
«Жареные» грифы из клена становятся все более популярными, поскольку производители заявляют об увеличении жесткости и стабильности в изменяющихся условиях (тепло и влажность). Однако, хотя инженерные испытания метода ThermoWood показали повышенную устойчивость к влажности, они также показали значительное снижение прочности (предельная точка разрыва), в то время как жесткость (модуль изгиба) осталась прежней или была немного снижена. [19] [20] Хотя снижение прочности можно контролировать, снижая температуру процесса, производитель рекомендует не использовать свой продукт в структурных целях. Однако, возможно, можно компенсировать эту потерю прочности в гитарах, используя ребра жесткости из углеродного волокна в грифах и увеличивая распорки в верхней деке.
