劉鎮(zhèn)波 李司單 劉一星 黃英來

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

阮、月琴是我國(guó)民族撥弦樂器中的重要樂器，具有悠久的歷史。阮、月琴的共鳴面板一般由泡桐屬木材制作，其中阮的共鳴面板一般由3～5塊木材拼接而成，而月琴的共鳴面板一般由2塊木材拼接而成。共鳴面板在樂器中主要起到振動(dòng)能量的傳播、美化及輻射的作用，是樂器的核心部件，其振動(dòng)性能對(duì)樂器的聲學(xué)品質(zhì)起到關(guān)鍵的作用。

相對(duì)于民族樂器用材，學(xué)者們對(duì)于鋼琴、小提琴等西洋樂器的共鳴板用木材的研究相對(duì)更為豐富，主要體現(xiàn)在共鳴板用木材的振動(dòng)性能檢測(cè)方法、不同樹種木材振動(dòng)性能的比較及選材等方面［1-12］。我國(guó)的民族樂器種類繁多，但關(guān)于民族樂器用木材的研究相對(duì)較少。張輔剛［13］開展了木管樂器用材——楓木的防裂、防變形研究。北京樂器研究所第二研究室以泡桐、色木、白松等樹種為試件，通過抗剪、抗拉、靜彎曲、沖擊等實(shí)驗(yàn)比較了改性白膠乳液與魚膠對(duì)共鳴板性能的影響［14］。佘亞明等［15］討論了共振板的厚度變化對(duì)其振動(dòng)性能的影響，認(rèn)為在面板振動(dòng)時(shí)反射波強(qiáng)的位置適當(dāng)增加厚度，可改善樂器的聲學(xué)品質(zhì)。樂群等［16］主要從樂器用木材的干縮濕脹角度，探討了降低樂器用材因干縮濕脹導(dǎo)致變形的方法，并論述了人造紅木制作及木管樂器用材防裂防變形的方法。鄭文珍等［17］從共振木材的特征、對(duì)音板及共振木材的要求及共振木材的機(jī)械性能和聲學(xué)常數(shù)等幾個(gè)方面對(duì)樂器用共振木材進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。陳金鳳［18］簡(jiǎn)單論述了木材作為樂器用材時(shí)的選材原則，并根據(jù)其它文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較了泡桐、杉木、柏木等20種木材的聲學(xué)品質(zhì)。陳通分析了琵琶、阮樂器琴體中共鳴面板的振動(dòng)特性［19-20］。

在民族樂器用材方面，前人的研究主要是針對(duì)木材的振動(dòng)性能［21］，而對(duì)于樂器共鳴面板的振動(dòng)特性研究尚少，但共鳴面板又是樂器的核心、靈魂，因此，開展相關(guān)研究對(duì)于樂器制造、樂器產(chǎn)品聲學(xué)性能提高具有重要的意義。筆者主要以阮、月琴樂器的共鳴面板為研究對(duì)象，開展共鳴面板的振動(dòng)特性研究。

1 材料與方法

1.1 材料

阮與月琴的共鳴面板均為圓形。阮的共鳴面板由3～4塊蘭考泡桐(Paulownia elongata)木材拼接，月琴的共鳴面板由2塊蘭考泡桐(Paulownia elongata)木材膠拼，然后均鋸成直徑為40 mm的圓形板。

1.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)

模態(tài)試驗(yàn)技術(shù)是在機(jī)械阻抗與導(dǎo)納分析技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其求解途徑是根據(jù)實(shí)測(cè)所得到的輸入(激勵(lì)力)與輸出(響應(yīng))，求出反映兩者關(guān)系的傳遞函數(shù)，然后按照擬合曲線最佳的判據(jù)來確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性，如:固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等。固有頻率可由頻響函數(shù)獲得，如圖1(a)所示，具體可從實(shí)頻曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)來確定，也可由虛頻曲線的峰值所對(duì)應(yīng)的頻率確定。模態(tài)的振型系數(shù)可由頻響函數(shù)的虛頻曲線求得，由于實(shí)驗(yàn)采用單點(diǎn)激勵(lì)，從虛頻曲線獲得振型系數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化后即可代表共鳴面板的模態(tài)振型。

阮、月琴的共鳴面板為圓形，其振動(dòng)是由不同方向的彎曲振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)復(fù)合而成，為獲得良好的振動(dòng)效果，比較了各種邊界條件下的振動(dòng)頻響函數(shù)，最終確定采用簡(jiǎn)單支撐的邊界條件進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理示意如圖2所示，共計(jì)測(cè)109個(gè)點(diǎn)。在本實(shí)驗(yàn)中采用脈沖錘激勵(lì)(DYTRAN公司的5800B4)，傳感器采集響應(yīng)信號(hào)后經(jīng)信號(hào)放大器放大后再傳入FFT頻譜分析儀(小野測(cè)器公司的CF-5220Z)。

圖1 第r階模態(tài)的頻響函數(shù)

1.3 聲速的測(cè)定

共鳴板中聲傳播速是反映樂器共鳴面板振動(dòng)傳播快慢及振動(dòng)均勻性的一個(gè)重要指標(biāo)，本研究采用表面波的方法從順紋理、橫紋理、與紋理夾角45°與135°4個(gè)方向測(cè)定共鳴面板的聲振動(dòng)傳播速度。

圖2 實(shí)驗(yàn)示意圖

1.4 聲輻射強(qiáng)度的測(cè)定

聲輻射強(qiáng)度反映了共鳴面板將琴弦振動(dòng)傳遞過來的能量輻射出去的能力，聲輻射強(qiáng)度越大表明聲能量損耗越小，所發(fā)出的聲音更為飽滿。本研究采用FFT、聲級(jí)計(jì)測(cè)定共鳴面板在均勻力敲擊下的聲輻射能量指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)模態(tài)分析

在本研究中，對(duì)阮、月琴共鳴面板振動(dòng)模態(tài)測(cè)試的頻率范圍為0～1 000 Hz。通過對(duì)共振頻率、振型模態(tài)的識(shí)別與分析，可以看出在1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，有些階次的頻率易于識(shí)別，如:阮的 50、135、236.25、307.5、345、435、642.5、737.5 Hz等;月琴的 56.25、111.25、170、322.5、371.25、438.75、570、707.5、880 Hz等。而有些階次不易辨別，甚至缺失。在激勵(lì)不同點(diǎn)時(shí)，各階頻率的清晰程度各有不同，若激勵(lì)點(diǎn)正好處于某階共振頻率的振型節(jié)線處時(shí)，則該階頻率不易識(shí)別，相反，若激勵(lì)點(diǎn)正好處于某階共振頻率的振型位移極值處時(shí)，則該階頻率清晰明顯。圖3為所測(cè)得的月琴、阮共鳴面板的振動(dòng)振型?？梢钥闯?，除了共振頻率為170 Hz左右對(duì)應(yīng)的振型，阮與月琴各階振型基本相同，月琴在共振頻率為170 Hz呈現(xiàn)“+”型的振型，但阮面板在此頻率附近不易測(cè)到相似的振型。雖然阮與月琴各階振型基本相同，但對(duì)應(yīng)的共振頻率卻存在差異。除了111.25 Hz的共振頻率點(diǎn)(月琴)，基本上阮的各階共振頻率要低于月琴。這主要是因?yàn)槿钍怯?～4塊板膠拼，而月琴為2塊板膠拼而成，膠接界面的數(shù)量不可避免會(huì)影響共鳴面板的振動(dòng)。

圖3 月琴(阮)共鳴面板振動(dòng)節(jié)線圖

本研究所測(cè)得的共鳴面板振動(dòng)模態(tài)，與陳通［20］對(duì)阮的研究結(jié)果有較大的差異。在陳通的研究結(jié)果中，面板的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)線更復(fù)雜，而且對(duì)應(yīng)的共振頻率相對(duì)也較高，這主要是由于測(cè)試的對(duì)象有所差異，本研究?jī)H僅對(duì)共鳴面板進(jìn)行分析，而陳通的研究是針對(duì)沒有琴弦的共鳴箱體中的共鳴面板。

2.2 聲振動(dòng)傳播速度的分析

共鳴面板聲振動(dòng)傳播速度(v)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。可以看出，順紋理的聲振動(dòng)傳播速度遠(yuǎn)大于其他方向，而橫紋理的振動(dòng)傳播速度最小，其數(shù)值不到順紋理方向的一半。45°與135°兩個(gè)方向的傳播速度比較接近，這是因?yàn)樗鼈兪菍?duì)稱的兩個(gè)方向。阮樂器的共鳴面板在4個(gè)方向上的聲振動(dòng)傳播速度均要小于月琴，其中橫紋理方向相差最大，這可能是因?yàn)槠闯扇罟缠Q面板的木材數(shù)量更多引起的。

表1 共鳴面板聲傳播速度

2.3 聲輻射強(qiáng)度的分析

通過FFT分析共鳴面板各階共振頻率的頻譜強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，月琴與阮的共鳴面板在300～1 200 Hz頻率寬度內(nèi)，其振動(dòng)頻譜強(qiáng)度最大，而在300Hz以下或1 200 Hz以上，其各階共振頻率的頻譜強(qiáng)度均較小，即在測(cè)定的頻率范圍內(nèi)，共鳴面板的各階共振頻率的頻譜強(qiáng)度隨頻率增大，呈拋物線的變化規(guī)律。從整體上看，阮與月琴共鳴面板的頻譜強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致，而且在數(shù)值上也比較接近，但通過聲級(jí)計(jì)測(cè)得的月琴、阮共鳴面板平均聲輻射強(qiáng)度分別為87.1、76 dB，即阮的聲輻射強(qiáng)度越好明顯小于月琴，這可能是因?yàn)閮煞N面板采用的原材料都是泡桐，而且尺寸比較接近，但所使用的拼接木材數(shù)量不同。

圖4 共鳴面板的頻譜強(qiáng)度分析

3 結(jié)論

對(duì)于阮、月琴共鳴面板，在0～1 000 Hz頻寬內(nèi)，有些階次共振頻率較易識(shí)別，而有些階次則不得辨別，對(duì)于阮，較易測(cè)得 50、135、236.25、307.5、345、435、642.5、737.5 Hz等階共振頻率;對(duì)于月琴，較易測(cè)得 56.25、111.25、170、322.5、371.25、438.75、570、707.5、880 Hz等階共振頻率。

除了共振頻率為170 Hz左右對(duì)應(yīng)的振型，阮與月琴各階振型基本相同，但對(duì)應(yīng)的共振頻率卻存在差異。

共鳴面板的順紋理聲振動(dòng)傳播速度最大，其值為橫紋理方向的2倍以上，為45°與135°兩個(gè)方向的1.6倍左右;阮樂器的共鳴面板在4個(gè)方向上的聲振動(dòng)傳播速度均要小于月琴。

月琴與阮的共鳴面板的各階共振頻率頻譜強(qiáng)度隨頻率增大，呈拋物線的變化規(guī)律，在300～1 200 Hz頻率寬度內(nèi)，其振動(dòng)頻譜強(qiáng)度最大，在數(shù)值上月琴與阮的頻譜強(qiáng)度值也比較接近，但聲級(jí)計(jì)測(cè)得的月琴的聲輻射強(qiáng)度越好明顯大于阮。

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