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。

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。

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。

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)。

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。

	图 1 腐朽木材解剖结构变化(SEM) Fig. 1 The changes of anatomical structure for decayed wood (SEM)

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

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Decayedwood/( g·cm - 3) 压入汞的体积Total intrusion volume/(mL·g -1) 孔面积Total pore area/(m 2·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。

	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

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

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。

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。