<木材の音響を分析する三つの視点>
・重さ(気管比重、密度)
・硬さ(ヤング率、剛性、変形しにくさ)
・内部損失(損失係数、損失正接)
①重さ(気管比重)…乾燥した木材の重さを、同じ体積の4°Cの水の重さを1として数値化
・軽い木材(気管比重が小さい)→小さなエネルギーで振動する(効率的に振動する)ので、大きく鳴りやすい。豊かな音量が出て、振動しやすい分、音に伸びある、開放的な、元気で活発な、明るく抜けのよい、軽やかな、マイルドな音などの感覚につながる。
・重い木材(気管比重が大きい)→振動に大きなエネルギーを要するが、鳴らせば太い重量感のある音、芯の通った音、伸びのある音、落ち着いた音につながる。
どちらも音が伸びる傾向に繋がり得るが、軽い材だと音のエネルギーが材のすき間に吸収されがちで、そうする音が消える傾向につながり、重い材だとエネルギーが吸収されにくいがエネルギーが早く消費されて消えるという面があり、どちらとも言える。
②硬さ(曲げヤング係数₌変形しにくさ・剛性率・弾性率)とは… ヤング係数は木材の硬さを示す指標のひとつで、ヤング率が高いほど、構造物の剛性が高く変形しにくい。単位はPA(パスカル)又はGPa(ギガパスカル)。
・硬い木材(ヤング率が高い)→音が早く伝わり(伝播速度が速い)、力強い音、芯の通った音、立ち上がりのよい音、シャープで明瞭な音、明るくクリア、音ヌケ感、透明感、高音部が共鳴しやすい(固有振動数が高くなる)という傾向に繋がる。ただし、行き過ぎれば、硬い音、緊張感、キンキンした感じにも繋がる。
・柔らかい木材(ヤング率が低い)→耳なじみの良い音、軟らかく暖かい音、包み込むような優しいサウンド、情緒的で繊細な感覚、中低音域が共鳴しやすい(固有振動数が低くなる)、ただし、柔らかすぎると輪郭があいまいなぼやけた音にもなる。
③内部損失とは…材料が振動する際に、その振動エネルギーの一部が、木材繊維の摩擦や内部の水分などが振動エネルギーを吸収し熱などに変換されて失われる現象のこと。「損失正接（tanδ）」という数値で評価される。木の条件や部位などで変動する。
・内部損失が小さい→響きやすい。振動が減衰しにくく、音が長く響く。例えば、スプルースやローズウッドは、損失が小さい材の典型と言われている。
・内部損失が大きい→音のエネルギーが失われやすい。振動がすぐに収まってしまい、余韻が短い。デッドな材。しかし、これが長所となることもあり、ハワイアンコア材は硬く内部損失は比較的大きくサステインは短いが、それがコロコロした歯切れのよい音として、ウクレレの魅力となっている。
内部損失に影響する要素は以下のように様々。↓
内部の水分が多いと水分にエネルギーが吸収されるので内部損失が大きくなる。したがって乾燥が大きなカギになる。ヴァイオリンやギターでは、通常、人工乾燥で5-10％程度の含水率まで乾燥させる。自由水のみならず、細胞内の結合水まで乾燥させる。日本の気候下の平衡含水率は、10-12％が標準であるが、それ以下まで一旦乾燥させる。そうすると、自然の調湿作用により水分を吸収しても、比較的低めの平衡含水率に止まる傾向がある。なお5％よりも低下させると材木の強度が下がる。(台湾大学の研究によれば、ストラディヴァリウスは、ホウ素、亜鉛、胴、ミョウバン、石灰水が含まれた薬品で処理された形跡があるり、そうするとセルロースの構造が変化して強くなり、ヘ三セルロースが断片化し、木材水分量は25％も低減したという)
材の中に空隙が多くても、空気は振動を吸収しないので、内部損失が大きくるとは限らない(スプルースのような、空隙が多い材も効率よく振動し長いサスティンを示す)が、材木の孔(導管や仮導管)が大きく数が多い場合、孔中の壁面との摩擦や細胞壁の粘弾性によって、振動エネルギーが熱エネルギーに変換されて内部摩擦が生じる。針葉樹の場合は、組織の90％以上が仮導管に占められている(導管はない)が、構造が単純で規則的なため内部損失は小さいが、広葉樹の場合は、太い導管を持ち、構造が複雑(環孔材、散孔材、放射孔材)なので、導管が太い環孔材は特に内部損失が大きい。もっとも、環孔材の中にも、時間経過とともに、細胞内の物質が孔の中に出てきて孔を塞ぐチロースを形成する材木もある(ケヤキ、クワなど)ので、その場合は内部損失は小さい。内部損失が大きいから楽器材としてただちに不適というわけではなく、特定の周波数を吸収したり強調してくれる効果が出ることで、音に独特の粘りや深みがでることもある。適材適所が重要。
材木内の油分は、内部の空隙を満たし構造を緻密化することで振動エネルギーを失いにくくし、振動が減衰しにくくする効果がある。特に高音域の振動減衰を抑え、倍音の多いクリアな音色に寄与する。しかし、油分が多すぎると重量が増加し、逆に振動効率が落ちるし、硬化しない性質の油分は振動を吸収してしまい、逆に響かない音になる可能性もある。
重い木の方が内部損失が大きく音が減衰しやすい。重い木は、振動を起こすのに大きなエネルギーを要するので、エネルギーが短時間に消費されてしまい、音が減衰する。
広葉樹の硬い木は、針葉樹よりも組織構造が複雑で不均一なので、内部摩擦を増やしがちで、内部損失につながりやすい。
硬い木(ヤング率が高い木)は、内部でエネルギーが吸収されにくく、内部損失が小さい傾向にある。
木目の方向によって内部損失が異なり、一般に板目方向の方が柾目方向よりも内部損失が大きく振動が減衰しやすい。→響板は柾目が使われる。
一般的に木材は数百年のエージング（熟成）により内部損失が減少し響きやすくなる。セルロースと油分の硬化乾燥による。
振動の振幅が非常に大きい場合や、長時間持続的に振動を与えた場合、内部損失が変化することがあると言われている(速度過程論)…速度過程論では、振動による熱で木材中の水分や微小構造が再配置され、振動しやすい状態へ安定化していく過程、響板材が高周波において優れた音響特性を示すことを、内部摩擦の低減や剪断特性の関係から解析するなどしている。ただし、微小構造の再配置などに否定的な学者の見解もある。
<以上を前提に、特に重さと硬さの点から、代表的な材の特性を見る> 軽軟から重厚へ順
桐 非常に柔らかく(ヤング率4-6Gpa)、非常に軽い(0.19-0.30) → 豊かな音量、丸く温かみのある音、耳障りな高音が吸収される (琴、琵琶)
シダー とても軟かく(ヤング率6-9)、非常に軽い(比重0.38) → 温かく、甘い響き 反応が良い、良く鳴る (ギター響板)
屋久杉 柔らく(ヤング率7-10Gpa)、非常に軽い(比重0.38) → 温かく、甘い響き 良く鳴る (ギター響板)
スプルース やや硬く(ヤング率9-12Gpa)、 軽い(比重0.51) → 明るく、豊かな響き、音の立ち上がりがよい、よく鳴る (ギター、ヴァイオリン、ピアノの響板)
マホガニー 硬さは中程度(ヤング率9-11Gpa)で、軽さも中程度(比重0.51-65) → 温かく優しいサウンド、豊かな中低音域、深み (ギター表裏、)
ウォルナット やや硬く(ヤング率10-12Gpa)、やや重い(比重0.55-0.63) → 剛性があるため明るく歯切れよくアタック感があり、中低音の豊かさと深みもある (ギター表裏)
・メイプル 硬くて(ヤング率11-13Gpa)、重い (比重0.71～0.72)→ 明瞭で、アタック感のある音 (ギター裏板、指板、ネック)
・ローズウッド 硬くて(ヤング率11-14Gpa)、かなり重い (比重0.75～1.10) → 深く、低音がしっかり響き、伸びのある音色、高級感のあるキラキラした音、オールマイティな感じ (ギター裏板、指板)
・黒檀 非常に硬く(ヤング率12-19Gpa)、非常に重い(比重1-1.09以上) →(指板)
<楽器部位ごとに適切な材を考える必要>
〇表板(響板、トップ、サウンドボード)…弦の振動が表板に伝わり増幅され、表板の材質による色付けがされる。響板は基本的にきちんと大きく鳴ることが基本的性能として必要なので、表板は軽いものがよい。よく鳴ることと同時に、芯のある、力強い、立ち上がりのよい音であることも必要なので、硬さも欠かせない。しかし、軽さと硬さはなかなか両立しないので、適度なバランスの材を探す必要がある。
スプルースがもっとも良く使われ、次いでシダー、マホガニー、ウォルナット、日本では時々屋久杉、和楽器では桐や桑など
〇裏板(バック)と側板(サイド)…表板で増幅された弦の振動は、裏板と側板で囲まれて作られた空間内部で反射を繰り返してさらに増幅され、最終的にサウンドホールから出力される。裏板と側板の反射効率(吸収と反射の程度)による音の色付けがされる。
ローズウッド、メープル、マホガニー、ウォルナット、和楽器では桑、欅など
〇ネック、棹…音響上は音の伝達速度が速い硬い木が良いが、材の経年安定性や持ちやすさの観点から重すぎず軽すぎずなどの点も重視されてくるので、比較的中庸な硬さのものが使われている。三味線や三線の世界では、棹が音響の命と言われ、特に硬さが最重要視される。楽器構造の違いに由来する発想の違いがみられる。
マホガニー、メイプルなど、三味線では黒檀、紅木、花梨など
〇指板…ネックの一部とも言えるので硬い木がよく、耐摩耗性も重視される。黒檀、ローズウッド、メイプルなどが使われる。
〇その他、例えば、木ペグなどは、摩擦の程度から回しやすさと固定しやすさなど考慮して、黒檀、メイプル、ツゲなどが使われる。
〇ブリッジや駒…弦の振動を響板に伝える橋渡し部分なのでここも音色に大きな影響がある。振動を損失少なく効率よく伝えるために硬い材が使われる。チェロのエンドピンは、建物全体を共鳴箱のようにするという点で、ブリッジと非常に似た機能を果たしており、同じような材が使われている。ギターは黒檀(エボニー)やローズウッド、ヴァイオリンはメープル、チェロのエンドピンは黒檀やローズウッドやツゲ(ボックスウッド)など。
〇リコーダーの場合…リコーダーは、管体自体が振動して音を鳴らす楽器ではなく、内部の空気の柱である気柱の振動が音を作る楽器で、木は気柱の入れ物になっているにすぎない。したがって、管体の振動効率や固有振動率が直接的に音を決める要素にはならない。しかし、材質によって、木柱の壁としての反応が異なり、音質に影響する。硬さの程度で基本的な方向性がわかれるが、材種によって倍音構成も様々な特質が出る。全体としては、ギター材なら裏板側板に使われるような硬めの木が使われている。壁が音を跳ね返すという点で、裏板側板と同じ機能ゆえ。
硬い木…壁が空気の振動を跳ね返しやすく、エネルギーの損失が小さいため、音がクリアになり、高音域のピッチが安定する。黒檀など
柔らかい木…壁が空気の振動の一部を吸収するため、音が柔らかく感じられる。メープルなど。
材種による個性…メイプルはソフトで明瞭でアンサンブルに馴染む、ベアウッド(梨)は素直で芯がある、ローズウッドや黒檀は倍音が多く強力で光沢がある音、など。
リコーダーの材種と硬さの関係図
