音響打撃法による自然乾燥木材の含水率の推定
Estimation of Moisture Content during Natural Drying of Wood using a Primary Resonance Frequency of the Sound
定成 政憲, 藤野 栄一, 中村 瑞穂 SADANARI Masanori, FUJINO Eiichi, NAKAMURA Mizuho １�は�めに 木造在来軸組工法による住宅建築では、柱や 梁などの部材について、約 20％程度の含水率で 納入されることが期待されている。一部の大手 住宅メーカでは含水率 15％程度の高温乾燥材 を市場に提供しており、この含水率の問題は解 決されたかのように見なす業界人も多い。しか し、部材内部に高温乾燥による内部割れの発生 が多いために在来木造の仕口や継手の加工が困 難となるものが多く、伝統的な住宅をつくって いる大工職人には極めて評判が良くない。また、 高温乾燥によるスギ部材（市場ではほぼスギの み）の鋸屑は通常のものより臭いなどの問題点 を指摘する人も多い。 そのため在来軸組工法を主とする大工職人 は木材の自然乾燥に過剰な期待を寄せることに なる。確かにうまく自然乾燥させた木材はつや があり素材特有の特徴が見られる。木材乾燥を 技術面から見れば、自然乾燥は地域特有の温 度・湿度の環境条件に大きく依存するために乾 燥割れなどの欠点が多く発生する可能性がある 地域固有の乾燥方法である。しかし、地域に根 ざした工務店や設計士、施主などが地元の山の 木を自然乾燥させた木材を用いて木造住宅をつ くり続けていきたいと熱望していることも事実 である。そのためには山側において、木材の含 水率や強度等級などを適切に管理して、地域内 で信頼される木材製品を提供し続ける必要があ る。中小規模の事業所で丸太や製材品の強度等 級区分と含水率測定を行うためには、音響打撃 法と高周波式含水率計を用いるのが最も相応し いと思われる。しかし、自然乾燥中の大径丸太 や長尺材の含水率の測定は桟積みを解体する必 要があるため、実務的に困難である。ところが、 木材の含水率の低下に伴って音響打撃法による 一次共振周波数が上昇するという傾向が実験で 確かめられているので 1）、これを桟積みされた ままの木材の含水率の推定に適応できるものな のかどうかについて着目をした。 そこで、本報告では本校の 2 号館実習場で 4 寸角・材長 4m の 24 本のスギを自然乾燥させ、 音響打撃法による 1 次共振周波数を測定して含 水率の推定の可能性について検討した。 ��実験方法 ��１ 自然乾燥に用いたスギ供試材 自然乾燥を行ったスギには山梨県産の 4 寸角、 材長 4m のものを 24 本使用した。自然乾燥前の 未乾燥のスギ供試材の平均含水率は 86.9 %, 変 動係数は 0.154、平均年輪幅は 4.25 mm、変動係 数は 0.247、嵩比重は 0.655、変動係数は 0.180 であった。なお、スギ供試材の含水率は Kett 社の moco2(認定番号:89-001、(財)日本木材・ 技術センター)により厚さを最大（40mm）、レン ジをスギとして測定した。含水率の測定箇所は 4 寸角 4m 材の元口より 50cm の位置（A(50cm)と 表記）、元口より 150cm の位置(B(150cm)と表記)、 元口より 250cm の位置(C(250cm)と表記)、元口 より 350cm の位置(D(350cm)と表記)の一面 4 か 所を表面－側面－裏面－側面という順番で 4 面 測定した。また、木口の含水状況を把握するた めに元口含水率（木口）と末口含水率（木口） も測定した。スギ供試体１本当たりの含水率測 定箇所は 18 箇所である。含水率測定状況を図 1 に示した。 ��� 自然乾燥方法 24 本のスギ 4 寸角・材長 4m 材の自然乾燥は、 職業能力開発総合大学校東京校・2 号館実習場 の鉄骨造構造物の 2 層床面に約 25mm 角の桟木を
用いて一般的な桟積み方法で行った。自然乾燥 中の 1 本ずつのスギ部材の含水率、重量、打撃 法による一次共振周波数の測定は天井クレーン で１階床面に降ろして行い、それぞれの供試材 の水分状況を考慮して桟積みのローテーション を適宜行い、再度 2 階床面で自然乾燥を継続し た。スギ材の自然乾燥状況を図 2 に示した。 図 1 高周波式含水率計を用いた含水率測定 図 2 鉄骨造 2 層に桟積みしている状況 図 3 打撃法による一次共振周波数の測定 ��� 一次共振周波数の測定方法 音響打撃法を用いた自然乾燥中のスギ 4 寸 角・材長 4m の一次共振周波数の測定は、供試材 の木口打撃用の金槌、音響マイク及び FFT ソフ トフェア（Wave Spectra：フリーソフトウェア） を用いて行った。測定の手順は次の通りである。 (1)1 本のスギ部材を 2 箇所で支持して、元口近 傍に音響マイクを保持し、他端の末口を金槌で 一回打撃する。 (2)Wave Spectra ソフトのトリガー機能を利用 して、音響データを取り込み Windows の wave ファイルとして保存する。 (3)保存された wave ファイルを位置指定して再 生し、FFT 解析により一次共振周波数を求める。 なお、この打撃法によって求められたスギ供 試材の一次共振周波数は式①に示したように材 料の曲げヤング係数を計算するのに用いられる ものである。 E = (2×L×f)2×ρ (GPa) ① ここで、L は材長(m)、f は一次共振周波数(Hz)、 ρは密度(kg/m3)である。 打撃法による一次共振周波数の測定状況を図 3 に示した。 � ��および考� ��１ 自然乾燥木材の含水率 24 本のスギ材を約 120 日間自然乾燥し、乾燥 開始時（0 日）、自然乾燥 78 日後、自然乾燥 120 日後の試験体の平均含水率の変化を表 1 に示し た。自然乾燥による仕上がり含水率を約 20%と して、120 日後の含水率の値で 2 種類のグルー プに分類した。同表の網掛けの無い No.1, No.5, No.6, No.7, No.8, No.9, No.11, No.12, No.15, No.17, No.18, No.20, No.22, No.23, No.24 の 15 体の試験体は、厚さ 40mm の制限という条件 付きの高周波式含水率計によるものであるけれ ども、現状の受け入れ検査に合格するものであ るので十分な乾燥がされているグループとした。 一方、同表の網掛けを付けた No.2, No.3, No.4, No.10, No.13, No.14, No.16, No.19, No.21 の
試 験 含水率 9 体の試験体は、まだ十分に乾燥されていない ので乾燥が不十分なグループとして分類した。 表 1 自然乾燥中の試験体の平均含水率の変化 0 日の含 水率(%) 78 日の含 水率(%) 120 日 の 含水率(%) No.1 74.4 25.7 16.8 No.2 85.6 43.7 31.0 No.3 83.9 34.0 28.6 No.4 87.8 37.3 27.5 No.5 84.7 28.1 18.3 No.6 79.3 25.3 16.3 No.7 97.1 33.2 20.1 No.8 88.2 31.7 19.9 No.9 90.7 32.1 20.6 No.10 107.4 50.9 35.6 No.11 95.8 27 20.4 No.12 85.7 33.5 19.2 No.13 96.3 32.8 26.2 No.14 100.9 40.7 34.2 No.15 70.3 22.8 14.8 No.16 93.2 37.5 23.6 No.17 73.9 25.7 20.1 No.18 76.1 26.8 18.6 No.19 104.1 37.0 27.9 No.20 80.7 22.1 17.2 No.21 118.0 39.5 31.6 No.22 85.8 24.9 18.9 No.23 60.9 20.2 13.4 No.24 66.2 17.0 13.3 乾燥がされているグループに分類した含水 率分布の結果を試料番号 No.1 を一例として図 4 に示した。同図は乾燥開始時、自然乾燥 78 日後 及び自然乾燥 120 日後の含水率を測定箇所別に 整理したものである。乾燥開始時には、丸太か ら 4 寸角に製材した後に元口と末口から乾燥し た影響が見られ、A(50 mm)と D（350mm）の平均 含水率はやや低い傾向を示した。乾燥 78 日後は 桟積みの影響が大きくて裏面の乾燥が遅れてい るのが分かる。しかし、最終的な自然乾燥 120 日後には含水率は全ての測定箇所で 20％以下 となった。 （A）乾燥開始時(0 日)の含水率分布 （B）自然乾燥 78 日後の含水率分布 (C)自然乾燥 120 日後の含水率分布 図 4 十分な乾燥がされている No.1 試験体の 含水率分布 次に乾燥が不十分なグループに分類した含 水率分布の結果を試料番号 No.2 をその一例と
して図 5 に示した。同図の乾燥開始時の含水率 は側面 2 において 100％を超えており、十分な 乾燥がされているグループの No.1 よりも初期 含水率が高いことが特徴である。その初期含水 率の影響が自然乾燥 78 日後及び 120 日後におい ても 20％まで含水率が低下しないことの要因 である。また、最終的に含水率分布が残ってし まうことも初期含水率の高いスギ材の水分特性 である。 （A）乾燥開始時（0 日）の含水率分布 （B） 自然乾燥 78 日後の含水率分布 （C）自然乾燥 120 日後の含水率分布 図 5 乾燥が不十分な No.2 試験体の含水率分布 日本の人工林に占めるスギの割合はヒノキよ りも多く、スギ材の有効活用が求められている。 しかし、乾燥がされている No.1 試験体(図 4)と 乾燥が不十分な No.2 試験体（図 5）の含水率分 布の差異が示すように、スギ材は含有する水分 量が地域や森林の立地条件によって大きく異な る。そのためスギをうまく乾燥させて建築部材 にするためには定期的な含水率の測定が必須で ある。 しかし、4 寸角・材長 4m のスギ正角材に使用 する程度の断面でも、乾燥が不十分な No.2 のよ うな含水率分布が発生するので、自然乾燥木材 の含水率を推定するためには定期的に数カ所の 測定をする必要がある。正角材・平角材の桟積 みや丸太の井桁組みによる自然乾燥中の含水率 を高周波式含水率計で測定するためには桟積み や井桁組みを一度解体する必要がある。これは 実験レベルでは可能であるが、実務ではほぼ不 可能と考えられる。そこで、桟積みや井桁組み で自然乾燥されている状況でスギ材の含水率を 推定できる簡易な方法が求められている。 ��� スギ材の含水率と一次共振周波数 3.2.1 十分な乾燥がされたグループ 24 本のスギ材のなかで十分な乾燥がされたグ ループに分類した 15 体の平均含水率の変化を 直線で近似した結果を図 6 に示した。スギ材の 自然乾燥は既往の研究成果より 2)、乾燥初期の 恒率乾燥期間を除けば下に凸の曲線となる。し かし、今回の研究では音響打撃法による 1 次共 振周波数と含水率の傾向を調べることを目的と しているので、かなり大胆な簡略化として直線 で近似することを試みた。乾燥開始時から自然 乾燥 120 日後までの 1 日当たりの含水率低下係 数は、0.479 %/日（No.1）、0.552 %/日（No.5）、 0.525 %/日（No.6）、0.641 %/日（No.7）、0.569 %/ 日（No.8）、0.584 %/日（No.9）、0.628 %/日（No.11）、 0.553 %/日 （ No.12）、 0.462 %/日 （ No.15）、 0.448 %/日 （ No.17）、 0.479 %/日 （ No.18）、 0.529 %/日 （ No.20）、 0.557 %/日 （ No.22）、 0.395 %/日（No.23）、0.441 %/日（No.24）、平
均値は 0.523 %/日である。初期含水率が約 80％ 程度の自然乾燥が容易な 4 寸角・材長 4m のスギ 材の 1 日当たりの含水率低下係数は平均値の 0.523 %/日をとりあえず採用しておきたい。 図 6 乾燥の容易なグループの含水率変化 次に同じ試験体の音響打撃法による一次共 振周波数の変化を直線で近似した結果を図 7 に 示した。 図 7 乾燥の容易なグループの一次共振周波数 1 日当たりの含水率低下係数と同様な方法で、 1 日当たりの一次共振周波数増加係数を計算す ると次の結果が得られた。0.715 Hz/日（No.1）、 0.987 Hz/日（No.5）、0.986 Hz/日（No.6）、1.076 Hz/日（No.7）、1.076 Hz/日（No.8）、1.076 Hz/ 日（No.9）、0.897 Hz/日（No.11）、0.448 Hz/ 日（No.12）、0.807 Hz/日（No.15）、0.627 Hz/ 日（No.17）、0.807 Hz/日（No.18）、0.633 Hz/ 日（No.20）、0.807 Hz/日（No.22）、0.538 Hz/ 日（No.23）、0.720 Hz/日（No.24）、平均値は 0.813 Hz/日である。ここで、形式的に平均値の 含水率低下係数と一次共振周波数の増加係数の 除 算 を 行 う と 、 0.523 %/ 日 ÷ 0.813 Hz/ 日 =0.642 %/Hz という係数が得られる。この係数 を使って 4 寸角・材長 4m のスギ材の自然乾燥中 の含水率を式②の実験式で推定できる可能性が ある。 MC = Ma – 0.642×Δf (%) ② ここで、MC は自然乾燥中の推定含水率(%)、Ma は桟積み前の高周波式含水率計で測定した初期 含水率(%)、Δf は桟積み前に測定した一次共振 周波数(fa)を基準とした自然乾燥中に測定され た一次共振周波数(fd)との増加量(fd-fa)(Hz) である。 3.2.2 乾燥が不十分なグループ 乾燥が不十分なグループに分類した 9 本のス ギ材の平均含水率の変化を直線で近似した結果 を図 8 に示した。乾燥開始時から自然乾燥 120 日後までの 1 日当たりの含水率低下係数は、 0.455 %/日（No.2）、0.461 %/日（No.3）、0.502 %/ 日（No.4）、0.598 %/日（No.10）、0.583 %/日 （ No.13）、 0.556 %/日 （ No.14）、 0.579 %/日 （ No.16）、 0.634 %/日 （ No.19）、 0.720 %/日 （No.21）、平均値は 0.565 %/日である。スギ材 の試験体数が 9 体とやや少ない結果であるが、 乾燥の容易なグループの含水率低下係数と比べ るとやや大きな値となったが、ほぼ近似的な値 とみることも十分に可能である。
図 8 乾燥が不十分なグループの含水率変化 同じ 9 体の試験体の一次共振周波数の変化を 直線近似した結果を図 9 に示した。 図 9 乾燥が不十分なグループの一次共振周波数 自然乾燥中の 1 日当たりの一次共振周波数増 加係数は、0.807 Hz/日（No.2）、0.986 Hz/日 （ No.3）、 0.897 Hz/日 （ No.4）、 0.807 Hz/日 （No.10）、0.538 Hz/日（No.13）、0.628 Hz/日 （No.14）、0.897 Hz/日（No.16）、0.807 Hz/日 （No.19）、0.807 Hz/日（No.21）、平均値は 0.797 Hz/日である。 乾燥が容易なグループのデータ操作と同様に、 平均値の含水率低下係数と一次共振周波数の増 加係数の除算を行うと、0.565 %/日÷0.797 Hz/ 日=0.709 %/Hz という係数が得られる。この係 数を使って 4 寸角・材長 4m のスギ材の自然乾燥 中の含水率を式③の実験式で推定できる可能性 がある。 MC = Ma – 0.709×Δf (%) ③ ここで、MC, Ma, Δf は式②と同じである。 ��� 自然乾燥中の曲げヤング係数の�定 木材の機械強度等級区分法の一つとして音響 打撃法が中小規模の事業所で用いられている。 材料の曲げヤング係数（E）は式①で既に示した ように、試験体の長さ（m）、密度（ρ）=重量（kg） /体積(m3)及び一次共振周波数（Hz） を測定す れば、容易に計算が可能である。ただし、木材 の曲げヤング係数を自然乾燥のどの時点で測定 をして強度等級区分をするのが良いかについて は実務においてしばしば話題になることがある。 そこで、乾燥が容易なグループと乾燥が不十分 なグループの試験体の一次共振周波数と密度及 び試験体長さを用いて計算した曲げヤング係数 の変化を図 10 と図 11 にそれぞれ示した。 乾燥が容易なグループの曲げヤング係数の変 化は、試験体 No.6 が自然乾燥 120 日後で 1.5 倍となりやや信頼性を損なう結果となった。し かし、その他の 14 体の試験体の曲げヤング係数 の計算結果は、ほぼ等しいものと見ることが可 能である。また、乾燥が不十分なグループにつ いては、自然乾燥 120 日後の試験体 10 の曲げヤ ング係数の計算値が小さな値となっているが、 その他の 8 体についてはほぼ同じである。した がって、自然乾燥中の曲げヤング係数の計算は 乾燥開始前から終了時までのどの期間において も可能であることが分かる。一般的には、自然 乾燥のための桟積みや井桁組みの前に正角材・
平角材や丸太の重量と長さ及び体積の測定と同 時に一次共振周波数を測定して曲げヤング係数 を計算しておくことが最も良い作業方法である と考えられる。この方法を採用することによっ て、測定した初期値をメモリすることで、式② と式③を用いた自然乾燥中の含水率の推定が可 能である。 図 10 乾燥が容易なグループの E の変化 図 11 乾燥が不十分なグループの E の変化 ��お�りに 私たちが住んでいる地域の森の木を使って木 造住宅を建て続けていくためには、地域固有の 木材の含水率管理と強度等級区分を適切に行っ た商品を市場に提供していく必要がある。長尺 材や丸太を桟積みや井桁組みにして自然乾燥を している過程では、高周波式含水率計による測 定は作業効率が悪く実務的ではない。そこで、 木材の含水率低下にともない一次共振周波数が 増加するという関係に着目して 4 寸角・材長 4m のスギ材を自然乾燥して、音響打撃法により含 水率の推定が可能かについて検討した。その結 果、次のようなことが分かった。 1) スギ材については、初期含水率が自然乾燥 の乾燥経過に大きく影響することが分かっ た。 2) スギ材の自然乾燥 120 日後の含水率が約 20％以下に達しているかを判定基準として 二 つ の グ ル ー プ に 分 類 し た 。 含 水 率 が 約 20％以下に達した乾燥が容易なグループは い つ く か の 例 外 も あ る が 初 期 含 水 率 が 約 80％前後あるいはそれ以下であった。一方、 乾燥が不十分なグループは全て初期含水率 が 80％以上であった。 3) 初期含水率が 80％近傍については検討を要 するが、初期含水率が 80％未満の 4 寸角・ 材長 4m のスギ材については②式で、80％を 超えるものについては③式で含水率の簡易 な推定が可能である。 4) 音響打撃法による曲げヤング係数は木材の 水分状態にあまり関係なく、どの含水状態 で計算してもほぼ等しい結果が得られる。 ཧ⪃ᩥ⊩ 1) 定成政憲：山梨県産アカマツ丸太の水中処理について、 日本木材学会宮崎大会 乾燥部門、2010. 2) 寺沢眞：『木材乾燥のすべて』、海青社、2004、改訂増 補版、P.495-519.
