要約
楽器製造に使用される伝統的な木材種の利用可能性は、近年減少している。 この問題を克服するためには、伝統的に使用されているものと同様の音響特性を有する代替木材が必要である。 本研究では，ニーム木材（Ａｚａｄｉｒａｃｈｔａｉｎｄｉｃａａ．Ｊｕｓｓ．）従来の木の代理として扱われた廃水と潅漑される木から楽器の製造業のための適合性を示すため。 その結果，動的弾性率（Ｅ ｄ）とせん断弾性率（Ｇ）との間に強い線形関係が明らかになった。 さらに、密度（λ）は、EdとGの両方のための良い予測因子であった調査結果は、この木が弦楽器の背中と肋骨に潜在的な使用を有することを示した。 この目的のために使用される従来のヨーロッパの木製種との比較はこの木が巧妙な代わりである場合もあることを示した。 水に対する需要の増加と水資源の利用可能性の低下は、灌漑における処理廃水の使用につながっている。 このように、排水灌漑下で伝統的なトーンウッド種に近い特性を持ついくつかの樹種の栽培の拡張は、楽器産業の将来において重要な役割を果たすこ
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Neemの音響特性評価(Azadirachta indica A.Juss.)二次処理排水で灌漑された木からの木材
Khaled T.S.Hassana,*and Jan Tippner b
楽器製造に使用される伝統的な木材種の利用可能性は、近年減少している。 この問題を克服するためには、伝統的に使用されているものと同様の音響特性を有する代替木材が必要である。 本研究では，ニーム木材（Ａｚａｄｉｒａｃｈｔａｉｎｄｉｃａａ．Ｊｕｓｓ．）従来の木の代理として扱われた廃水と潅漑される木から楽器の製造業のための適合性を示すため。 その結果，動的弾性率（Ｅ ｄ）とせん断弾性率（Ｇ）との間に強い線形関係が明らかになった。 さらに、密度（λ）は、EdとGの両方のための良い予測因子であった調査結果は、この木が弦楽器の背中と肋骨に潜在的な使用を有することを示した。 この目的のために使用される従来のヨーロッパの木製種との比較はこの木が巧妙な代わりである場合もあることを示した。 水に対する需要の増加と水資源の利用可能性の低下は、灌漑における処理廃水の使用につながっている。 このように、排水灌漑下で伝統的なトーンウッド種に近い特性を持ついくつかの樹種の栽培の拡張は、楽器産業の将来において重要な役割を果たすこ
キーワード:ニーム木;音響の性能;Flexural振動;扱われた廃水;楽器
連絡先情報:a: アレクサンドリア大学、農学部、林業と木材技術学科、アフラトン聖、エル-シャトビー21545、アレクサンドリア、エジプト;b：ブルノのメンデル大学、林業と木材技術学部、木材科学部、ブルノ、チェコ共和国;
*対応する著者：[email protected]
はじめに
Azadirachta indica A.Juss. 木は家族Meliaceaeに属し、一般的にneemとして知られています。 この樹種は伝統的な医学で使用されており、アフリカとアジアのいくつかの地域で広く植えられています（Kurimoto et al. 2014; Gupta et al. 2017). ニームの木は、日陰のための防風林や道端のプランテーションとして使用することができます。
一般に、生物学的材料としての木材は、バイオリンやピアノの響板、木琴棒、弦楽器の弓などの楽器の様々な部分で広く使用されている（Yano et al. １ ９ ９ ２；Ｈｏｌｚ１ ９ ９ ６；Ａｌｖｅｓ ｅ ｔ ａ ｌ． 2008年、2012年）。 複数の複合材料が楽器の製造業で今首尾よく使用されるが、自然なorthotropic材料として木はまだ最もよい材料であり、楽器（Wegst2006年）の最も重大な部分のために使
非破壊試験の音響技術は、木材のいくつかの機械的特性を正確に予測することができます(Ilic2003;Horáček et al. ２ ０ １ ２；Ｔｉｐｐｎｅｒ ｅ ｔ ａ ｌ． 2016). 共振周波数技術は、木材の粘弾性特性を評価するために頻繁に使用される音響方法の一つである（Yano and Minato1993;Brémaud2012）。
楽器の製造における異なる木材種の選択を決定する最も重要な特性は、いくつかの報告書に記載されている(Ono and Norimoto1983;Aizawa et al. １ ９ ９ ８；Ｗｅｇｓｔ２ ０ ０ ６；Ｂｒａｎｃｈｅｒｉａｕ ｅ ｔ ａ ｌ． ２ ０ １ ０；Ｂａａｒ ｅ ｔ ａ ｌ． それらには、音速、減衰特性、特定の弾性係数（Ed/λ）、および音響変換効率（ACE）が含まれる。 さらに、原材料の入手可能性とそのコストも、楽器製造のための木材を選択する上で重要な要素です。
近年、高品質のトーンウッドの入手可能性は劇的に減少している（Yano et al. 1997). また、楽器に使用されるいくつかの木材種は絶滅危惧種です。 例えば、Acer pseudoplatanusは弦楽器の背中や肋骨に使用されると報告されていますが、森林でこの木材種が不足しているため、同様の特性を持つ別の木材種が見つ ブラジルのローズウッド（Dalbergia nigra）はギターのフレームボードに適した材料ですが、この木材の入手可能性は熱帯雨林の保全のために限られています（Yano et al. 1997).
世界の森林資源の枯渇に伴い、特に世界の乾燥地帯や半乾燥地帯で深刻な取り組みが開始され、再生可能な天然資源の重要性がいくつかの国で 森林資源を欠いている地域の政府は、砂漠などの放置された地域を利用して人工林を確立し始めました。
灌漑のための水の利用可能性は、多くの国、特に急速な人口増加を抱える国が直面するもう一つの重要な問題です。 したがって、これらの国々は、この問題を克服するために灌漑に処理された廃水を使用し始めた（Zalesny et al. 2011). 例えば、エジプトの環境問題省（MSEA）によると、政府は、Monufia県のエジプト-中国友好の森や異なる県の他の多くの森林のように、処理された排水で灌漑された森林を確立することによって、これらの戦略を採用し始めた（MSEA2008）。
音楽音響の分野では、いくつかの木材種を試験し、その音響特性に関する詳細な情報を提供するためのいくつかの努力が行われています。 これは、もちろん、伝統的に楽器で使用されている木材と同様の特性を持つ代替木材種を見つけるのに役立ちます。 ニーム木材の包括的な音響特性に関するデータに関する文献は非常に乏しく，これまで，処理排水を伴う灌漑システム下でこの木材種の音響特性を示す報告はない。
ニームウッドの特性をよりよく理解することは、このリソースをより効率的に利用するのに役立ちます。 そこで，本研究は，処理排水で灌漑された樹木からのａ．ｉｎｄｉｃａ木材の音響特性を総合的に評価し，楽器製造の実現可能性を研究するために設計された。
実験的
公称寸法が500mm(L)×20mm(R)×10mm(T)の木材標本を、目に見える欠陥がないように調製し、エジプト-中国友好の森、Monufia Governorate、エジプトで栽培されたAzadirachta indicaの木(2017)から無作為に選択した。 木は二次処理された排水で灌漑され、木は18歳であり、平均直径は乳房の高さレベルで30cm（地上1.3m）であった。
木材の音響特性と強度特性は、木材試料の含水率の変化によって変化します。 したがって、木材試験片は、20℃および70％の相対湿度（RH）で環境チャンバ内に十分な期間保持され、13％の安定した含水率に達するまで試験された。 すべての試験は同じ条件下で実施した。
密度と機械的試験
密度を重量的に決定し、機械的特性を対応する式と試験構成に従って測定しました。 動的弾性率（Ｅ Ｄ）は、Ｈａｓｓａｎらによって記載された試験構成に従って測定された。 （２ ０ １ ３）に示すように、図１に示すように、図２に示すように。 1とEqを用いて計算される。 1,
(1)
ここで、Edは曲げ振動弾性率、λは木材密度、Lはサンプルの長さ、f1は最初の振動モードの曲げ振動周波数、m1は一定（m1=4.730）、hはサンプルの高さです。 サンプルは、振動の第一の曲げモードの節点に二つのゴム支持体上に置かれました。 ゴムハンマーを用いて振動を誘起し，信号を収集し，高速Ｆｏｕｒｉｅｒ変換（ＦＦＴ）アナライザを用いて解析した。
動的せん断弾性率（G）は、式を用いて決定した。 2(Nakao and Okano1987)に提示されたテスト構成による。 試験片を長さと幅の中間点に位置するゴム支持体上に置いた。 ねじり振動は、一方の端の上隅に試験片に衝撃を与えることによって誘導され、もう一方の端の上隅に斜めに配置されたマイクによって信号を受,
(2)
ここで、Gは動的剛性率（またはせん断弾性率）、fnはねじり振動周波数、nはモード番号、λは密度、Lは試験片の長さ、Ipは断面積の第二モーメント、Kt=0.1416bh3（bおよびhは断面寸法）である。
音響特性
試料は縦方向モードで自由に振動するように支持された。 一方の端にハンマーを使用して誘導された励起と反対側の端に配置されたマイクによって受信された振動。 基本振動周波数を高速Ｆｏｕｒｉｅｒ変換（ｆｆｔ）アナライザにより測定した。 縦波速度（Ｖ）は、Ｈａｓｓａｎ ｅ ｔ ａ ｌ． (2013)eqを使用して。 図3に示すように、
V=2lf(3)
ここで、Lは試験片の長さであり、fは縦振動における基本振動周波数である。
曲げ振動試験から以下の音響特性を求めた。 計算はWegst(2006)に従って実行されました。 対数デクリメント法を用いて，Ｂｒｅｍａｕｄらによる二つの連続する振幅に基づいて木材の内部摩擦（ｔａｎ δ）を測定した。 （2012年）以下のように,
ここで、tan δは内部摩擦、LDは減衰の対数減衰、xoおよびxnはそれぞれ初期振幅およびnサイクル後の振幅です;
ここで、Rは音響定数、ACEは音響変換効率、Edは動的弾性率、λは木材密度です。
図1.1.1. 1. 振動特性測定のための曲げ振動試験セットアップ
統計解析
記述統計を使用して測定された特性を記述しました。 相関分析は、この研究でテストされた関係の強さを決定するために行われました。
結果と考察
密度(λ)、動的弾性率(Ed)、動的剛性率(G)、および比弾性率(Ed/λ)の測定値を表1に示します。 密度値は629kg·m-3から732kg·m-3の範囲であり、平均値は672kg·m-3であった。 一般的に、木材密度は、他の強度および弾性特性と相関するため、決定される必要不可欠な要因である（Kollman and Côté1968）。 さらに、木材の密度は、音速などの音響挙動に大きな影響を及ぼす（Hassan et al. 2013). Gore(2011)によると、550kg·m-3から800kg·m-3までの密度範囲はギターの背中に適しています。 Ｅｄ値は、８ ４ ０ ０Ｎ＊ｍｍ−２と１ ３ ４ ０ ０Ｎ＊ｍｍ−２の間の範囲であり、平均値は１ １ ２ ９ ４Ｎ＊ｍｍ−２であった。 Hiwale(2015)で報告されたneem woodの静的弾性率は6955N·mm-2であり、これは本研究で測定された値よりも低い。 Vensonらによって行われた研究では。 (2008)neemとの特性に近い種と考えられている11歳の道端（Melia Azadirachta）の木で、彼らは三点曲げ試験を用いて決定された弾性率平均値が10260N·mm-2であることを発見した。 一般的に、物理的および機械的特性は、環境条件、遺伝的側面、および樹齢などのいくつかの要因によって影響されることが報告されている（Shmulsky And Jones2011）。
表1. 平均値と密度、動的弾性率、剛性の動的弾性率、およびAzadirachtaインディカ木材の特定のヤング率の標準偏差
ＳＤ、標準偏差；σ、密度；Ｅｄ、動的弾性率；Ｇ、動的弾性率；Ｅｄ／σ、特定弾性率＜２ ３ ２＞＜９ ９ ６ ８＞ニーム木材の剪断弾性率（Ｇ）平均値は８ ３ ６ｎ＊ｍｍ−２であり、６ ７ ０ｎ＊ｍｍ−２〜９ ４ ０Ｎ＊ｍｍ−２の範囲であった。 せん断弾性率は、せん断ひずみに対するせん断応力の比であり、建設に使用される材料の重要な決定パラメータです。 この研究では、Ed/G平均値は13.47であった。 ここで報告された平均値は、白スプルース（19.4N·mm-2）のChui（1991）によって得られた値よりも低かった。 一般に、この研究で報告されたＥｄ／Ｇの値は、低い剪断効果を示す。 さらに、高いせん断の価値はfretboards Sproßmann et al.に使用する木製種で要求される。 (2017). 高いEd/Gは、高周波数で放射された音に影響します。 例えば、スプルースの木は高い値を持ち、これは高周波で放射された音の柔らかさを誘導する（Yoshikawa and Walthan2014）。 図2は、EdとGの間に優れた正の関係（r=0.94）を明らかにした。Guan et al. (2016)は、6つの木材複合材料のカンチレバー振動試験を用いて測定した面内せん断と弾性率との間に強い関係（R2=0.996）を発見しました。
図1.1.1. 2. ＥｄとＧとの関係＜２ ３ ２＞＜９ ９ ６ ８＞動的比弾性率（Ｅｄ／λ）の平均値は、１ ６． 図3は、密度値に対してプロットされた動的弾性率(Ed)とGを示しています。 グラフは、0.92（γおよびEd）および0.83（γおよびG）の相関係数を有する強い相関を明らかにした。 したがって、この研究におけるγは、ＥｄおよびＧの両方のための良好な予測因子であった。 (2010)Pterocarpus erinaceus Poirについて。 マリで成長し、密度と動的弾性率との相関係数は0.77であった。
図1.1.1. 3. ΣとEdとσとG
の間の関係は、ニームウッドの音響特性に関する文献ではほとんど報告されていない。 Neem woodの音響特性を表2に示します。 結果は、0.0079の平均値で、低い内部摩擦（tan δ）を示した。 Tan δは、内部摩擦によって放散される振動エネルギーの量を測定する必須の音響パラメータである(Wegst2006)。 一般的に、内部摩擦の低い木材は、振動源を離した後、内部摩擦の高い木材よりも長い時間振動することができる。 高品質のサウンドボードのための伝統的な木材種は、通常、本研究ではneemのために得られたよりも低い値を持っています; たとえば、European spruceの値は0.0067です（Haines1979）。 いくつかの報告（Ono and Norimoto1983;Ono and Norimoto1984;Wegst2006;Brémaud et al. 2011;Brémaud2012)は楽器の利用のための木種の選択の主変数として特定のヤング率および内部摩擦を述べ、両方ともS2細胞壁の層のmicrofibrilの角度によって影響される。
音響定数(R)や音響変換効率(ACE)などの他の音響パラメータは、関係者がこれらの材料をより効果的に使用し、同様の代替材料を見つけることを可能にする包括的な概要にとって重要である。
表2. Azadirachtaインディカ木材の音響特性
SDの標準偏差;Vの縦方向の波の速度;tan δの内部摩擦;rの音響の定数; ACE、音響変換効率
材料を通る音の速度は、もう一つの重要な音響パラメータです。 縦方向の平均音速は4252m·s-1であった。 この値は、弦楽器の響板に使用される木材に比べて低い値です。 例えば、ヨーロッパのトウヒ、響板に使用する従来の木に6000までm·s-1に達する音の高速がある（Haines1979年; Bucur2006)
音響定数(R)は、音響放射による減衰を示し、音速と密度の比に依存します(Kollman and Côté1968)。 得られた結果から、右辺値は5.66m4·kg-1·s-1から6.39m4·kg-1·s-1の範囲であり、平均値は6.0775m4·kg-1·s-1であった。 ニームウッドの文献で報告されたR値は10.3m4·kg-1·s-1であった（Bucur2016）；この値は本研究で報告された値よりも大きい。 一般的に、低減衰と高放射は、特に響板で、楽器のために好まれています。. 例えば、Norway spruce（Picea abies）は、R値が13.4m4·kg-1·s-1の響板用に選択された一般的な木材種である（Spycher et al. 2008). エースは楽器のために木を選ぶときまた重要な価値である。 ACEは、Eqに示すように。 7は内部摩擦および音響の定数を両方一緒に結合します。 この研究におけるACEの平均値は780.2m4·kg-1·s-1であった。 バイオリンのような弦楽器では、ACEは楽器から放射される音のエネルギーと弦によって誘発されるエネルギーの比に関連しています（Yano and Minato1993）。
楽器におけるニームウッドの使いやすさの全体的な評価
木材から製造されたすべての楽器は、特定のメカノ音響特性を必要とします。 いくつかの楽器は、高密度および弾性率を必要とする。 例えば、木琴棒に使用される木材は、一般に、1g·cm-3（0.8g·cm-3〜0.95g·cm-3）に比較的近い密度値および15000N·mm-2〜20000N·mm-2の動的弾性率値を有する（Holz1996）。 響板に使用される木材は、非常に低い減衰、高い比弾性率、および高いせん断弾性率を必要とする。 さらに、フレットボード用の木材は、高いせん断弾性率を必要とする。 本研究で提示された結果に基づいて、ニーム木材は、響板、フレットボード、または木琴バーに使用される伝統的な木材と競合することはできません。
ニーム-ウッドが楽器製造における適合性を判断するために、Wegst(2006)によって導入された基準が使用されました。 したがって、この木材種は、弦楽器の背中および肋骨に適している。 さらに、Yoshikawa and Walthan(2014)で報告されている基準である防振パラメータσ/Vに対して透過パラメータ（V/tan δ）をプロットすることで、この木材種のフレームボードへの適用が確認された。 そこで，弦楽器の背中と肋骨に使用される他の伝統的な木材の音響特性とｎｅｅｍ木材の音響特性の比較を検討した。 図4は、弦楽器の製造に使用される伝統的な木材とニーム木材の比較を示しています。 ニーム木材の特性は、フレームボード種についてYoshikawa and Walthan(2014)によって導入された回帰線に近いことが明らかである。 Sitkaのトウヒ木に低いλ/Vおよび高い伝達変数がある。 これらの値は、フレームボードウッズの標準回帰線から遠く離れています。 その結果、この木種は響板のために好まれます、対照的に、他の計画された森はフレーム板のために適しています。
図1.1.1. 4. Y=143x-18.9)Yoshikawa and Walthan(2014)から再現された回帰線(y=143x-18.9)。 Haines(1979)のsilver maple、European maple、Indian rosewood、big leaf mapleのデータ、Yoshikawa and Walthan(2014)のstika spruceとAcer pseudoplatanusのデータ、KúdelaとKunútár(2011)のデータ
表3は、弦楽器の背中と肋骨に使用される最も頻繁なヨーロッパの森を示しています。 実験結果に基づいて，粘弾性振動特性には類似点がある。
表3. 弦楽器の背中と肋骨に使用される伝統的なヨーロッパ種の振動粘弾性特性
* 計算された値;1と2は、それぞれKīdelaとKunītár(2011)とHaines(1979)からのデータを示します。
ニームウッドは、表3に記載されている三つのヨーロッパ種のものよりも低いtan δ値を有しています。 しかし，ｒは銀カエデよりも高く，Ａｃｅｒｐｓｅｕｄｏｐｌａｔａｎｕｓおよびヨーロッパメイプルに対して与えられた値よりも低いことが分かった。 したがって、この研究のneem woodは依然として代替種としての良い選択です。 さらに、この木材は、教育目的のための楽器に使用することができます。 Bucur(2016)によると、音響定数（R）値に基づいて、（Acer pseudoplatanus）の5つの木材品質クラスが貧弱から優れたものまであります。 この木材と比較して、本明細書で報告されたｎｅｅｍ ｗｏｏｄ Ｒ値は、中程度のクラス（６ｍ４＊ｋｇ−１＊ｓ−１〜６． もちろん、これまでの研究では、化学的処理や老化などのいくつかの方法が提示されています（Yano and Minato1993;Obataya2017）。 それらはneem木の音響の性能を改善するために適用されるかもしれない。 さらに、処理された廃水による灌漑は、抽出内容に影響を与える可能性がある。 同様に、抽出物の効果を研究する必要があり、いくつかの研究者は、抽出物が他の木材種の音響特性に有意な影響を及ぼしたことを示している（Brémaud et al. 2012). 一般的に、処理された排水による灌漑は、土壌中の栄養素および重金属を増加させ（Toze2006）、これは最終的に木材の特性に影響を与える可能性がある。
楽器製造に使用される木材には、高い耐久性が好まれます。 Neemは耐久性があり、工作機械で成形しやすいと報告されています（Hiwale2015）。
したがって、処理された廃水で灌漑された木からのニーム木材は、楽器の背中や肋骨に使用される他の伝統的な森の代替種として使用することがで したがって、放置された土地の利用と処理された下水の使用によるこれらのタイプの樹木の栽培の拡大は、楽器産業の将来に経済的な違いをもたら
結論
- 本研究では、楽器製造における適合性を特定するために、処理排水で灌漑された木からAzadirachta indica A.Juss木材の主な音響特性の決定について報告しました。 この研究によって得られたデータは、二次処理された廃水によって灌漑されたニーム木材が弦楽器の背中や肋骨に適しており、伝統的なヨーロッパの木材種、例えばメープル材の良い代替品として使用できるという説得力のある証拠を提供する。
- 多くの国が灌漑における処理廃水の使用に向けた戦略を採用しているため、この業界で使用される伝統的な木材の将来の選択肢を見つけるために、よ
謝辞
著者らは、”新しい木材系材料の開発のための国際研究チームの設立”というタイトルのプロジェクトの下で、チェコ共和国の国家予算である欧州社会基金に感謝している（reg. いいえ。. CZ.1.07/2.3.00/20.0269). 著者らは、Fatma M.に深い感謝の意を表したいと思います。M.Sc….. （アレクサンドリア大学農学部林業木材技術学科）、親切に測定を支援しました。 製材所（アレクサンドリア大学農学部）のスタッフに感謝して、ログとサンプルの準備を鋸で挽いています。
参考文献は
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論文提出:2018年12月3日;査読完了:2019年1月19日; 改訂版の受領と受け入れ：2019年2月16日、公開：2019年2月20日。