Direkt zum Inhalt | Direkt zur Navigation

Eingang zum Volltext

Lizenz

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-46574
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/4657/


Spycher, Melanie

The application of wood decay fungi to improve the acoustic properties of resonance wood for violins

Der Einsatz von holzabbauenden Pilzen zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften von Klangholz für Musikinstrumente

Dokument1.pdf (15.473 KB) (md5sum: 3decff90105a249395c482750f19fed7)

Kurzfassung in Englisch

Recent investigations show, that in combination with conventional histological methods, wood decay fungi can be of great value as analytic tools in pure and applied wood science. Thus, variations in the cell wall structure and/or distribution of cell wall constituents are reflected in the plasticity of wood degradation modes by wood decay fungi. The specificity of their enzymes and the mild conditions under which degradation proceed, make them potentially suitable agents for the modification of wood.
An interesting traditional field in which wood decay fungi can be used for wood modification is in contemporary violin making. Traditionally, wood treatment methods (primers, varnishes, minerals) were applied to increase stiffness of wood, i.e. to enhance the velocity of sound. However they often enhance stiffness by strengthening or weakening the lamellar cell structure, but result in an adverse increase of the swinging mass, as the substances occlude the lumina of cells. This increase in density has an adverse affect on the acoustic properties, i.e. results in a reduction of the velocity of sound and its resonance frequencies. To date violinmakers are seeking a wood modification process, which will maintain the natural vibration capacities of wood structure and, at the same time, improve the acoustical quality of the wood.
The objective of the thesis was to show that specific fungal decay processes can be applied to reduce wood density without causing significant losses in the modulus of elasticity. Theses decay processes were induced with specific fungi that either do not have the enzymatic potential to degrade the middle lamellae or only at an advanced stage of decay. Thus wood degraded at early stages of decay should have physical properties that resemble wood of trees which have grown in a cold climate i.e. low density and therefore has superior tonal qualities.
To test this theory experimentally, we assessed five physical properties: density, modulus of elasticity, sound velocity, radiation ratio (= ratio between sound velocity and density), and the damping factor on resonance wood specimens of Norway spruce (Picea abies L.) and sycamore (Acer pseudoplatanus L.) before and after incubation with a range of wood decay fungi. The latter properties can be easily assessed by measuring the resonance frequency and the corresponding damping factor of a resonance wood specimen.
Norway spruce wood specimens were incubated either with fungi causing a selective delignification (Climacocystis borealis and Physisporinus vitreus), or with fungi causing a soft rot type 1 (Xylaria cubensis, Chaetomium globosum and Trichurus spiralis). The best increase of the radiation ratio in axial direction was observed after incubation with P. vitreus and was equal to 14%. This was due to a significant weight loss (14%) combined with a constant sound velocity.
Sycamore wood specimens were successfully incubated with three different fungi: Schizophyllum commune, Xylaria longipes and Polyporus squamosus (the first two fungi caused a soft rot decay type 2 and the latter caused a typical selective delignification). The specimens incubated 14 weeks with S. commune exhibited an increase of 10% of the radiation ratio, and those incubated 16 weeks with X. longipes an increase of 13%.
During any decay process, the arrangement of the wood cells (either tracheids or libriform fibers) remained intact with the degradation process, which started mostly from the cell lumen. Degradation caused by Xylaria longipes and Schizophyllum commune in sycamore wood was reminiscent of a soft rot type 2, and characterized by cell wall erosion. However, under certain conditions S. commune and induced spherical cavities in the secondary wall. All the latter decay processes did not cause any damage to the compound middle lamella. Soft rot decay type 1 was observed after incubation Phialocephala fortinii and Xylaria cubensis, as well as with Deuteromycetes. The formation of the cavities in the S2 layer was always related with a strong reduction of the modulus of elasticity, particularly in radial direction.
In conclusion, these studies show that wood decay fungi can be successfully applied to enhance the acoustic properties of wood. The acoustic quality of Norway spruce and sycamore resonance wood, which is principally defined by the radiation ratio, was increased from “poor” to “good” For both wood species, the sound velocity was not drastically altered during incubation while density was reduced by 12%, resulting in an increase in the radiation ratio. Wood incubated with decay fungi had markedly thinner cell walls i.e. degradation processes resulted in wood resembling superior resonance wood that grows under cold climate conditions.


Kurzfassung in Deutsch

Neueste Untersuchungen haben gezeigt, dass holzabbauende Pilze, in Kombination mit konventionellen histologischen Methoden, in der theoretischen und angewandten Holzforschung von grossem Wert sein können. Veränderungen in der Struktur der Zellwände und/oder Zellwandbestandteile werden durch die Art der holzabbauenden Pilze bestimmt. Die Besonderheit der Enzyme und die Bedingungen unter welchen die Pilzbehandlung erfolgt, machen die Pilze zu potentiell geeigneten Mittel zur Behandlung von Holz.
Ein interessantes Einsatzgebiet für den Einsatz von holzabbauenden Pilzen ist die Behandlung von Klangholz, welches für den Bau von Geigen verwendet wird. Traditionsgemäss wird das Holz mit Grundierungen und Lacken behandelt um dessen Steifigkeit zu erhöhen und so zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit zu beeinflussen. Diese Erhöhung wird erreicht durch Verstärkung oder Schwächung der Lamellen der Zellstruktur, dabei wird aber durch die Füllung der Lumina der Zellen auch die Schwingmasse erhöht. Diese Erhöhung der Dichte hat einen negativen Einfluss auf die akustischen Eigenschaften, so bewirkt sie unter anderem eine Reduktion der Schallgeschwindigkeit und der Resonanzfrequenz des Holzes. Geigenbauer suchen deshalb eine Holzbehandlung, die die natürlichen Schwingeigenschaften des Holzes erhalten und gleichzeitig die akustische Qualität verbessern.
Ziel dieser These war es, zu zeigen dass holzabbauende Pilze die Dichte von Holz verringern können, ohne dabei eine signifikante Reduktion des Elastizitätsmoduls hervorzurufen. Diese Modifikation wird erreicht durch die Behandlung mit Pilzarten die nicht das Enzympotential haben um die mittlere Lamelle anzugreifen, oder dies nur in einem fortgeschrittenen Abbaustadium tun. Das mit Pilzen behandelte Holz sollte in einem frühen Abbaustadium ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen wie Holz das in einem kalten Klima gewachsen ist. Es sollte also eine geringere Dichte und dadurch bessere Klangqualitäten aufweisen.
Um diese Theorie in der Praxis zu testen, wurden fünf für die akustischen Eigenschaften relevante Parameter der Holzproben gemessen: Dichte, Elastizitätsmodul, Schallgeschwindigkeit, Schallabstrahlungsverhältnis ( Verhältnis zwischen Schallgeschwindigkeit und Dichte) und der Dämpfungsfaktor. Gemessen wurde an norwegischer Fichte (Picea abies L.) und Ahorn (Acer pseudoplatanus L.) vor und nach der Behandlung. Nach Messung der Dichte, der Resonanzfrequenz und des Dämpfungsfaktores können die anderen Parameter mathematisch bestimmt werden.
Die Proben aus norwegischer Fichte wurden mit Pilzen behandelt, die selektiv das Lignin zerstören (Climacocystis borealis and Physisporinus vitreus), oder mit Pilzen des Moderfäuletyps 1 (Xylaria cubensis, Chaetomium globosum and Trichurus spiralis). Die besten Ergebnisse wurden bei der Behandlung mit Physisporinus vitreus erzielt, wobei das Schallabstrahlungsverhältnis in axialer Richtung um 14% zunahm. Dies wurde erreicht durch eine Abnahme der Dichte von 14% bei gleichbleibender Schallgeschwindigkeit
Ahornproben wurden erfolgreich mit drei verschiedenen Pilzen behandelt: Schizophyllum commune, Xylaria longipes und Polyporus squamosus (die beiden ersten Pilze sind vom Moderfäuletyp 2, der letzte ruft eine typische, selektive Ligninzerstörung hervor ). Bei den während 14 Wochen mit Schizophyllum commune behandelten Proben konnte eine Erhöhung des Schallabstrahlungsverhältnisses um 10% gemessen werden, bei den während 16 Wochen mit Xylaria longipes behandelten Proben betrug die Erhöhung sogar 13%.
Während des Abbauprozesses, der meist vom Zelllumen aus beginnt, bleibt die Anordnung der Zellen (Tracheids oder libriform Fasern) erhalten. Die Behandlung mit Xylaria longipes and Schizophyllum commune auf Ahornholz rief eine Zellwanderosion hervor die an Moderfäuletyp 2 Pilze erinnert. Bei der Behandlung mit Schizophyllum commune wurden jedoch bei einigen Bedingungen halbkugelförmige Kavitäten geformt. Moderfäuletypus 1 Holzabbau wurde beobachtet bei der Behandlung mit Phialocephala fortinii und Xylaria cubensis, sowie bei Deuteromyceten. Die Bildung von Kavitäten in der S2 – Schicht stand immer in Verbindung mit einer starken Abnahme des Elastizitätsmoduls, ganz speziell in radialer Richtung.
Die Versuche haben gezeigt, dass holzabbauende Pilze erfolgreich eingesetzt werden können um die akustischen Eigenschaften von Holz zu verbessern. Die akustische Qualität von norwegischer Fichte und von Ahorn, die hauptsächlich durch den Schallabstrahlungsfaktor definiert wird, konnte von “schlecht” nach “gut” verbessert werden. Bei beiden Holzarten konnte, während die Schallgeschwindigkeit während der Behandlung annähernd konstant blieb, die Dichte um 12% gesenkt werden, woraus eine Erhöhung des Schallabstrahlungsverhältnisses resultiert. Mit Pilzen behandeltes Holz hat merkbar dünnere Zellwände und ist dem im kalten Klima gewachsenen Tonholz ähnlich.


SWD-Schlagwörter: Fichtenholz
Freie Schlagwörter (deutsch): Klangholz , holzabbauende Pilze , akustische Eigenschaften , Geigen
Freie Schlagwörter (englisch): resonance wood , wood decay fungi , acoustic properties , Norway spruce , violins
Institut: Institut für Forstbotanik und Baumphysiologie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Land- und Forstwirtschaft, Veterinärmedizin
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Schwarze, Francis W. M. R. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.02.2008
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 25.03.2008
Indexliste