简介
云杉树（Picea 属）因其声学特性而备受珍视，17 世纪开始用于乐器面板和弦乐器的支撑。 云杉的声学特性源于其独特的物理特性：高强度，低密度和低内部阻尼，这些声学特性有效地将声音将琴弦的振动转化为清晰、响应性的声音。
热改性可以改善这些声学特性。 热改性是指在无氧条件下对木材进行适当的加热，使得木材强度增加，密度和阻尼减少 —— 这种改变是永久且可靠的。
有许多热改性技术，它们有许多不同的名称以及不同的方法。 大家熟知的如雅马哈的 ARE 技术、Taylor 的 Torrefied 技术、Bourgeois 的 Aged wood 技术等等都属于热改性。
为了让大家更好地了解木材热处理在吉他制作领域的应用，我们写了这篇文章简单介绍一下云杉的热处理。
“啪！这么多名字你觉得别人记得住吗！”
嗯… 其实所有的这些 “ARE”、“Torrefied”、“Aged” 其实都属于热处理，木材老化。它们的作用就是让木材加速度过 “开声期”，快速进入几十年时间沉淀下面板才有的状态。这个过程中，木材内部会发生很多有意思的反应，结晶度增加亲水基团减少、强度增强、脆性增加、颜色变深、内阻尼变小等等。
那会对吉他本身和音色有什么影响呢？别急，我们从头细细说来。
微观木材解剖
所有木材的基本构件都是一种称为管胞的特殊植物细胞，这种细长的空心细胞的宽度近似人类头发。 在典型的老树中有数以十亿计的这种管胞细胞。它们在一个类似于微观秸秆束的结构中聚集在一起，沿树的轴线排列。 这些 “束” 让树木保持挺拔的姿态并赋予了木材巨大的强度。
如果我们仔细观察这些管胞中的个体，我们会发现这些空心管胞的壁是由强韧的纤维素组成，被半纤维素这种类 “淀粉” 物质包围。
和钢筋混凝土类比一下，纤维素就是钢筋而半纤维素就是混凝土。纤维素和半纤维素彼此结合依靠氢键，游离氢离子充当了粘合剂链接纤维素与半纤维素。 虽然单个氢键提供的连接力相对较弱，但数量巨大的它也能使得整体结构非常强劲稳定。
下图是管胞细胞。
纤维素占木材组分的 40~50%，作为木材主体的它是最重要的 “钢筋”，它的结构如下图所示。
热改性如何工作？
热改性主要作用于半纤维素、纤维素无定形区和连接纤维素与半纤维素的氢键。
比如我们将木材加热数小时至华氏 350（摄氏 175）度左右，无氧状况，部分半纤维素会降解，羟基等亲水结构减少，木材对湿度的稳定性会增强；结晶比例增加，木材尺寸稳定性强度增强；木素网状体横向连接增加亦增强了木材的稳定性、强度；过程中产生的甲酸、乙酸、酚类化合物更是可以延缓腐化延长保存期限。
当然，具体工艺流程（温湿度曲线）每个生产商都有自己的标准，它需要多次试错与总结。
加热的温湿度和时间要非常精准：温度超过了纤维素、半纤维素的玻璃化后，时间一长，它们大量降解后极易出现强度下降等负面情况；同样，氢键的过量减少也将让整体强度降低。
| 纤维素 | 半纤维素 | 酸不溶成分 | 灰分 | |
|---|---|---|---|---|
| 挪威云杉 | 43.7 | 23.3 | 28.9 | 0.1 |
| T250 | 43.6 | 6.6 | 43.2 | 0.1 |
| T275 | 32.7 | 0.7 | 62.2 | 0.3 |
| T300 | 0.2 | 0.0 | 99 | 0.6 |
从上面的表格可以看出，超过 250 摄氏度的热处理显然不是我们想要的结果，乐器领域传统意义的热处理一般在 150~250 摄氏度之间，温度低于 150 未达到木材主要化学组分的玻璃化转变温度，对应组分几无降解，阶段内多为物理变化；温度高于 250 主要成分降解过多，木材丧失作为乐器面板应有的强度。
这对木材的性质有什么影响？
1. 密度降低 ：
主要来源于半纤维素的部分损失。 大多数研究表明 5- 8％的半纤维素的降解几乎不会牺牲结构强度。
从上方图表可以看出，随着热处理温度的升高，木材的密度呈现逐渐减少的趋势。虽然不是云杉的图表，但是有着极好的示例、参考价值。
2. 强度增加 ：
在适当的温度下进行热处理，木材的强度会增加，但是过量、过热的热处理会让强度下降。
3. 水分含量降低 ：
所有木材都会吸收大气中的水分，平衡含水率 EMC 与相对湿度和内部结构相关。 在热改性中由于羟基等亲水基团的部分损失，木材吸收水分的能力降低。
因此，热改性木材不仅在给定的相对湿度下具有更低的 EMC，并且 EMC 随相对湿度升高的增量也会降低，故木材在体积上不易膨胀和收缩。
从上图表可以看出，热处理木材对湿度的敏感度明显降低，这给予了它更好的稳定度。
最现实的意义就是南方的小伙伴当回南天到来的时候，你的面板不会拱那么高，弦距自然也不会变那么高了。
4. 内部阻尼变小 ：
内部阻尼描述了让振动衰减至 0 的能力，阻尼越大振动衰减越快。
例如，汽车的减震器具有高阻尼，钟表具有很低的阻尼。
在木材中，阻尼很大程度上取决于水分含量。 高水分含量的阻尼很大，干燥条件下阻尼就会很小。阻尼越小，热损耗越小，转换成声音的能量比例就会增多，亦即响应性增强。
热改性木材在给定的相对湿度下，水分含量永远低于天然木材，因此热改性木材会有较低的阻尼。
上图是从第一行到第三行热处理温度越来越高，从左到右放大倍数越来越大的电镜图像。可以看出，热处理温度越高，整体结构越 “均一”“平整”，沟壑凹凸越少，所以内部阻力就会变小了！
“瞎胡说什么呢！再乱说话明天不要来上班了！”
“哦…. 其实还是有那么一点道理的是不是？！”
“来我办公室。”
“…”
5. 颜色加深 ：
从下面的图表中可以看出，随着热处理温度的升高，颜色越来越深。我们需要做的是从外观颜色、内部性能、稳定性等参数中寻找平衡的值。
这一切都意味着什么？
热处理面板的吉他与普通吉他相比有着不同的音色。
热改性木材的密度略低；由于改性引起的内部变化，木材强度增加；由于含水量较低，热改性面板也会有更低的内部阻尼。最后的结果就是热改性面板的吉他具有更好的响应性，更大的音量以及更好的稳定性。
对音色的影响 ：
小编听了很多热处理面板制作的吉他，最大的感觉其实是这个词：“均一”。主观感觉是部分尖锐的频段被 “磨平” 了，整体音色变得更沉稳、浑厚、干净。同时密度的降低和水分的减少让吉他对拨动非常敏感，音量增加，响应性增强。同时，响应性的增强让延音变短（能量更快的通过振动转化成幅度更大的声波）。
有些人会很喜欢这样的声音，但是有些人会觉得缺少这些频段声音缺少了个性。音色是非常主观的东西，同样的频谱在不同人的标准下也会有不同的结论。
每个人的耳朵外耳廓形状不同，它像一个滤波器和 EQ，会增强共振频率范围附近的频段。大部分人外耳道的共振频率为 3k~4k Hz，所以频响曲线在 3k~4k 频段会有增强。同时大部分人对低音频段没有那么敏感，所以当今市场上能做好下潜扎实低音的吉他会更受欢迎。人耳的等声压级曲线如下图所示。
尖锐的高频是很多人不喜欢的，尤其对有录音需求的吉他手来说，这种尖锐刺耳的高频会极大影响乐曲整体感觉。圆润结实的高频是我们想要的。所以针对这点，热处理产生的影响算是积极正面的。
无论哪个频段频段过分突出都会成为灾难。所以一把好吉他的普适性标准应该是具备响应、均衡、清晰的声音。
有别的干货吗？
热改性可以很容易 “过度”，温度更高或处理时间更长都会导致木材失去强度。 即使在最好的情况下，热改性木材依旧更 “脆” 或可能开裂、断裂。研究中需要比较各种方法不断试错，并优化 “配方”。
2017 年卡马吉他开始研究热改性木材，并与南京林业大学材料科学与工程学院合作成立研究项目，通过多次试验探索吉他面板的热处理工艺流程，挖掘吉他音色新的可能性。
下图是项目组通过对面板热改性工艺探索后特别定制的一套热处理系统， 整个温度湿度控制过程全部实现了自动控制，高灵敏度的干湿球探头可以让系统达到精准控制。
外观变化图片 ：
在此我们可以通过一些图片对比一下面板处理前后不同的外观特征：
面板热处理前后音频对比 ：
我们做了一个小实验：找 2 套纹理接近、重量相似的吉他面板做成相同尺寸，一套通过了热处理工艺一套没有，在同等条件下敲击面板，得到不同的声音，我们来看看这个视频：：
相信大家已经对热处理有一些基础了解了，欢迎在底部评论或者直接联系我们来进行更深入的讨论。
特别鸣谢、数据来源
《Studies on Industrial-Scale Thermal Modification of Wood》
《Thermal modification of wood and a complex study of its properties by magnetic resonance and other methods》
《EFFECT OF THERMAL MODIFICATION ON THE COLOUR CHANGES OF OAK WOOD 》
《Thermo-vacuum process for wood thermal modification: results for some European softwood and hardwood species treated at different conditions》
《A two-stage thermal modification of wood》
《Thermal-Modification-of-Spruce-Tonewood》
