Vibrational properties of tropical woods with historical uses in musical instruments

This paper presents a collection of wood species with important uses in musical instruments, in reference to historical and geographical cultural specificities, with ranges of viscoelastic vibrational properties by species. Data combine our experimental characterizations and extensive literature review, gathered in a specific relational database. An overview of vibrational properties' distribution on c.400 species is introduced. Two case studies of wood choices for a given function in different epochs or regions are presented: woods for European historical bows, and woods for idiophone bodies in different continents. Trends are contrasted: very different properties associated to historical changes in the first case; some common features over different regions in the second one

Identification of anisotropic vibrational properties of Padauk wood with interlocked grain

International audienceGrain deviations and high extractives content are common features of many tropical woods. We aimed at clarifying their respective impact on vibrational properties, referring to African Padauk (Pterocarpus soyauxii Taub.), a species selected for its interlocked grain, high extractives content, and uses in xylophones. Specimens were cut parallel to the trunk axis (L), and local variations in grain angle (GA), microfibril angle (MFA), specific Young's modulus (E'L/ρ, where r stands for specific gravity) and damping coefficient (tanδL), were measured. GA dependence was analyzed by a mechanical model which allowed to identify the specific Young's modulus (E'3/ρ) and shear modulus (G'/ρ) along the grain (3), as well as their corresponding damping coefficients (tanδ3, tanδG). This analysis was done for native and then for extracted wood. Interlocked grain resulted in 0-25° GA and in variations of a factor 2 in E'L/ρ and tanδL. Along the grain, Padauk wood was characterized, as compared to typical hardwoods, by a somewhat lower E'3/ρ and elastic anisotropy (E'/G'), due to a wide microfibril angle plus a small weight effect of extracts; and a very low tanδ3 and moderate damping anisotropy (tanδG/tanδ3). Extraction affected mechanical parameters in the order: tanδ3 ≈ tanδG > G'/ρ >> E'3/ρ. That is, extractives' effects were nearly isotropic on damping but clearly anisotropic on storage moduli

Beyond " clear wood " : exploring the structure-properties of figured woods and of woods with strong gradients selected in craftsmanship

National audienceThis poster presents a beginning Ph.D. research. The subject focuses on an apparent paradox between different approaches to wood: from the viewpoint of engineering sciences (as from industrial uses), "good" wood is orthotropic, well oriented and homogeneous, singularities are considered as "defects". In standing tree, as the living organism, homogeneity can be considered as a singularity. And from the viewpoint of artisanal usage, either heterogeneity or singularities or both can be considered as "defects", on the contrary, as "qualities" according to the considered uses. The subject, therefore, concerns the permeability between the concepts of "defect" and "quality". It aims to fulfil the gaps in knowledge of heterogeneous woods (figured woods, grain deviations, pieces including gradients, etc.). It also concerns usage-function adequacy and should open the way to a better identification of "precious" wood (e.g., figured) and to a better valorisation of wood types that are usually underestimated. The scientific question is posed, different from most current research work on "clear wood", for seldom addressed in wood mechanics: How to explain the mechanical behaviour of wood with strong gradients in its properties or with grain deviations or both? Knowing that such types of wood are sought after and deliberately selected in several fields of woodcrafts. The “figured wood” is a particular concern here, because of the trade-offs between mechanical and aesthetical criteria for the choices. The main orientation of the cells does not follow the axis of the trunk, but instead the cells’ direction present more or less periodic reorientations, according to different schemes and material axes (Beal and Davis, 1977)

Mechanical and structural properties characterization of wood cell wall components at the tissue level

Les bois sont une combinaison complexe de très fortes hétérogénéités multi-échelles, avec une trame de fond par espèce qui caractérise ses trois plans d'anisotropie. Les propriétés macroscopiques des bois dépendent de l'ensemble des échelles inférieures d'hétérogénéités : les cernes de croissance, les cellules, ainsi que l'organisation et la concentration des composés chimiques des parois cellulaires. Alors que l'effet des microfibrilles de cellulose cristalline de la phase solide sur les propriétés macroscopiques a été étudié, l'un des défis actuels consiste à évaluer le déterminisme des arrangements moléculaires au sein des parois sur les propriétés des cellules au sein d'un tissu. Dans ce contexte, le présent travail de thèse se développe selon deux axes : (i) La collecte d'informations sur les organisations pariétales à travers la diversité des cellules, et (ii) la caractérisation des propriétés micro-mécaniques à l'échelle du tissu, avec la prise en compte des échelles inférieures d'hétérogénéités. L'essentiel des descriptions sub-pariétales a été réalisé à l'aide d'un micro-spectromètre confocal Raman, et d'outils d'analyses dédiés qui ont été développés dans le cadre de cette étude. Les résultats obtenus ont par exemple permis de caractériser la paroi d'une cellule en formation (thylle), l'installation de la paroi secondaire dans des fibres, l'influence de stimuli environnementaux sur l'organisation sub-pariétale, ou encore le caractère continu de l'organisation spatiale des microfibrilles dans l'épaisseur des parois de différents types de cellules matures. La caractérisation mécanique a été réalisée selon la direction longitudinale des cellules, dans des essais de traction sur des éprouvettes de très faibles dimensions (épaisseur inférieure à 100 µm). La mise en évidence des phénomènes complexes en jeu dans le comportement mécanique a fait l'objet d'une étude sur la variation des propriétés structurales et mécaniques à l'intérieur d'un cerne. Les différentes phases de la relation contrainte-déformation ont été discutées, et une modélisation simplifiée par homogénéisation multi-échelle a notamment permis de poser un ensemble de pistes de réflexions sur le déterminisme de l'organisation sub-pariétale sur les propriétés mécaniques des cellules au sein d'un tissu.Woods are a highly complex combination of multi-scale heterogeneities. Macroscopic properties of wood depend on all smaller scales of heterogeneity: growth rings, cells, as well as organization and concentration of cell wall chemical compounds. While the effect of the crystalline elements (microfibrils) of the solid phase on the macroscopic properties has been studied, one of the challenges is to estimate the determinism of the cell-wall molecular arrangements on the cells' properties inside a tissue. In this context, the present study is developed along two lines: (i) The collection of information on cell wall organization across the diversity of cells, and (ii) the characterization of micro-mechanical properties at the tissue level, with the consideration of smaller scales of heterogeneity. Most sub-cell wall descriptions were performed using a confocal Raman micro-spectrometer, and tools of analysis that were developed in this study. For example, obtained results have highlighted the cell wall of a living cell (thyllose), the cell wall formation in poplar fibers close to the cambial region, the impact of environmental stimuli on sub-cell wall organization, or else the continuous variation of the spatial organization of crystalline compounds in wall of different mature cells. The mechanical characterization was realized in the longitudinal direction on small samples (thickness below 100µm). The understanding of complex phenomena involved in the mechanical behavior was approached through a study on the variation of structural and mechanical properties within a ring. The different parts of the stress-strain curve have been discussed, and a simplified homogenization model has help to highlighted the determinism of sub-cell wall organization on the mechanical properties of cells at the tissue level

Caractérisation des propriétés structurales et mécaniques des composantes pariétales du bois à l'échelle du tissu

Woods are a highly complex combination of multi-scale heterogeneities. Macroscopic properties of wood depend on all smaller scales of heterogeneity: growth rings, cells, as well as organization and concentration of cell wall chemical compounds. While the effect of the crystalline elements (microfibrils) of the solid phase on the macroscopic properties has been studied, one of the challenges is to estimate the determinism of the cell-wall molecular arrangements on the cells' properties inside a tissue. In this context, the present study is developed along two lines: (i) The collection of information on cell wall organization across the diversity of cells, and (ii) the characterization of micro-mechanical properties at the tissue level, with the consideration of smaller scales of heterogeneity. Most sub-cell wall descriptions were performed using a confocal Raman micro-spectrometer, and tools of analysis that were developed in this study. For example, obtained results have highlighted the cell wall of a living cell (thyllose), the cell wall formation in poplar fibers close to the cambial region, the impact of environmental stimuli on sub-cell wall organization, or else the continuous variation of the spatial organization of crystalline compounds in wall of different mature cells. The mechanical characterization was realized in the longitudinal direction on small samples (thickness below 100µm). The understanding of complex phenomena involved in the mechanical behavior was approached through a study on the variation of structural and mechanical properties within a ring. The different parts of the stress-strain curve have been discussed, and a simplified homogenization model has help to highlighted the determinism of sub-cell wall organization on the mechanical properties of cells at the tissue level.Les bois sont une combinaison complexe de très fortes hétérogénéités multi-échelles, avec une trame de fond par espèce qui caractérise ses trois plans d'anisotropie. Les propriétés macroscopiques des bois dépendent de l'ensemble des échelles inférieures d'hétérogénéités : les cernes de croissance, les cellules, ainsi que l'organisation et la concentration des composés chimiques des parois cellulaires. Alors que l'effet des microfibrilles de cellulose cristalline de la phase solide sur les propriétés macroscopiques a été étudié, l'un des défis actuels consiste à évaluer le déterminisme des arrangements moléculaires au sein des parois sur les propriétés des cellules au sein d'un tissu. Dans ce contexte, le présent travail de thèse se développe selon deux axes : (i) La collecte d'informations sur les organisations pariétales à travers la diversité des cellules, et (ii) la caractérisation des propriétés micro-mécaniques à l'échelle du tissu, avec la prise en compte des échelles inférieures d'hétérogénéités. L'essentiel des descriptions sub-pariétales a été réalisé à l'aide d'un micro-spectromètre confocal Raman, et d'outils d'analyses dédiés qui ont été développés dans le cadre de cette étude. Les résultats obtenus ont par exemple permis de caractériser la paroi d'une cellule en formation (thylle), l'installation de la paroi secondaire dans des fibres, l'influence de stimuli environnementaux sur l'organisation sub-pariétale, ou encore le caractère continu de l'organisation spatiale des microfibrilles dans l'épaisseur des parois de différents types de cellules matures. La caractérisation mécanique a été réalisée selon la direction longitudinale des cellules, dans des essais de traction sur des éprouvettes de très faibles dimensions (épaisseur inférieure à 100 µm). La mise en évidence des phénomènes complexes en jeu dans le comportement mécanique a fait l'objet d'une étude sur la variation des propriétés structurales et mécaniques à l'intérieur d'un cerne. Les différentes phases de la relation contrainte-déformation ont été discutées, et une modélisation simplifiée par homogénéisation multi-échelle a notamment permis de poser un ensemble de pistes de réflexions sur le déterminisme de l'organisation sub-pariétale sur les propriétés mécaniques des cellules au sein d'un tissu

Description et comportement mécanique des bois contrefilés

Diffusion du document : INRA Antilles-Guyane, UMR ECOFOG, 97387 Kourou, Guyane (France) Diplôme : Master Rechercheil s'agit d'un type de produit dont les métadonnées ne correspondent pas aux métadonnées attendues dans les autres types de produit : DISSERTATIONLa forêt tropicale guyanaise comporte entre 200 et 300 espèces d'arbres par hectare, alors qu'une forêt tempérée en compte environ une quinzaine. Les forêts tropicales humides sont des écosystèmes qui recèlent une des plus grandes biodiversités de la planète où les interactions entre les espèces et le milieu environnant atteignent des degrés de complexité élevés. Les arbres développent ainsi des stratégies souvent différentes, notamment celle du contrefil que nous avons cherché à décrire et à caractériser, lors de ce stage de Master 2ème année. Cette structure particulière du bois se retrouve dans une proportion importante dans les forêts tropicales. Elle consiste en une alternance d'hélices en S puis en Z de l'orientation longitudinale des fibres. Le stage s'est déroulé en grande partie en Guyane française, au sein de l'UMR « Ecologie des Forêts de Guyane » sur le site de Paracaïbo (Kourou). La première phase a été la prospection et la description du contrefil sur différentes espèces. Nous nous sommes ensuite intéressés au comportement mécanique en flexion statique et dynamique à différentes échelles. Enfin, au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de Montpellier, nous avons réalisé des mesures de l'angle des micros fibrilles afin de déterminer son évolution en fonction de l'angle du fil. Ainsi, prenant en compte les différentes échelles de description, nous avons mis au point un modèle permettant de prédire le comportement d'une poutre contre filée en flexion, connaissant la répartition du contrefil dans la section, la densité, et le module d'élasticité longitudinal orienté selon le fil du bois

Proceedings (Book of Abstracts) of the First International Symposium WoodSciCraft : Wood Science and Craftsmanship "Cross-Perspective between Europe and Japan" (8-12 September 2014, Montpellier, France), 88p

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Caractérisation des propriétés structurales et mécaniques des composantes pariétales du bois à l'échelle du tissu

Les bois sont une combinaison complexe de très fortes hétérogénéités multi-échelles, avec une trame de fond par espèce qui caractérise ses trois plans d'anisotropie. Les propriétés macroscopiques des bois dépendent de l'ensemble des échelles inférieures d'hétérogénéités : les cernes de croissance, les cellules, ainsi que l'organisation et la concentration des composés chimiques des parois cellulaires. Alors que l'effet des microfibrilles de cellulose cristalline de la phase solide sur les propriétés macroscopiques a été étudié, l'un des défis actuels consiste à évaluer le déterminisme des arrangements moléculaires au sein des parois sur les propriétés des cellules au sein d'un tissu. Dans ce contexte, le présent travail de thèse se développe selon deux axes : (i) La collecte d'informations sur les organisations pariétales à travers la diversité des cellules, et (ii) la caractérisation des propriétés micro-mécaniques à l'échelle du tissu, avec la prise en compte des échelles inférieures d'hétérogénéités. L'essentiel des descriptions sub-pariétales a été réalisé à l'aide d'un micro-spectromètre confocal Raman, et d'outils d'analyses dédiés qui ont été développés dans le cadre de cette étude. Les résultats obtenus ont par exemple permis de caractériser la paroi d'une cellule en formation (thylle), l'installation de la paroi secondaire dans des fibres, l'influence de stimuli environnementaux sur l'organisation sub-pariétale, ou encore le caractère continu de l'organisation spatiale des microfibrilles dans l'épaisseur des parois de différents types de cellules matures. La caractérisation mécanique a été réalisée selon la direction longitudinale des cellules, dans des essais de traction sur des éprouvettes de très faibles dimensions (épaisseur inférieure à 100 m). La mise en évidence des phénomènes complexes en jeu dans le comportement mécanique a fait l'objet d'une étude sur la variation des propriétés structurales et mécaniques à l'intérieur d'un cerne. Les différentes phases de la relation contrainte-déformation ont été discutées, et une modélisation simplifiée par homogénéisation multi-échelle a notamment permis de poser un ensemble de pistes de réflexions sur le déterminisme de l'organisation sub-pariétale sur les propriétés mécaniques des cellules au sein d'un tissu.Woods are a highly complex combination of multi-scale heterogeneities. Macroscopic properties of wood depend on all smaller scales of heterogeneity: growth rings, cells, as well as organization and concentration of cell wall chemical compounds. While the effect of the crystalline elements (microfibrils) of the solid phase on the macroscopic properties has been studied, one of the challenges is to estimate the determinism of the cell-wall molecular arrangements on the cells' properties inside a tissue. In this context, the present study is developed along two lines: (i) The collection of information on cell wall organization across the diversity of cells, and (ii) the characterization of micro-mechanical properties at the tissue level, with the consideration of smaller scales of heterogeneity. Most sub-cell wall descriptions were performed using a confocal Raman micro-spectrometer, and tools of analysis that were developed in this study. For example, obtained results have highlighted the cell wall of a living cell (thyllose), the cell wall formation in poplar fibers close to the cambial region, the impact of environmental stimuli on sub-cell wall organization, or else the continuous variation of the spatial organization of crystalline compounds in wall of different mature cells. The mechanical characterization was realized in the longitudinal direction on small samples (thickness below 100 m). The understanding of complex phenomena involved in the mechanical behavior was approached through a study on the variation of structural and mechanical properties within a ring. The different parts of the stress-strain curve have been discussed, and a simplified homogenization model has help to highlighted the determinism of sub-cell wall organization on the mechanical properties of cells at the tissue level.PARIS-AgroParisTech Centre Paris (751052302) / SudocSudocFranceF

Proceedings (Book of Abstracts) of the First International Symposium WoodSciCraft : Wood Science and Craftsmanship "Cross-Perspective between Europe and Japan" (8-12 September 2014, Montpellier, France), 88p

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