摘要：碳纖維作為新型材料，因其高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)量、耐腐蝕、耐久性等特性，應(yīng)用于樂器制造領(lǐng)域具有較好優(yōu)勢(shì)。本文以碳纖維尤克里里為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)和發(fā)聲原理進(jìn)行解構(gòu)，并通過HEAD Artemis對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)品質(zhì)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳纖維尤克里里在響度、靈敏度、質(zhì)量等方面都有出色表現(xiàn)，但是在持久性、情感性、圓潤度等方面較木質(zhì)尤克里里仍有差距。

關(guān)鍵詞：碳纖維" 尤克里里" 聲學(xué)測(cè)量

碳纖維作為一種新型材料，因其具有高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)量、耐腐蝕、耐久性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械設(shè)備、建筑、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。在樂器制作和音響研究領(lǐng)域，性能良好的材料直接影響著樂器的聲學(xué)性能和聲音品質(zhì)，以碳纖維尤克里里為例，通過對(duì)其進(jìn)行聲音測(cè)量和分析可以判斷出碳纖維在樂器音響及性能方面的表現(xiàn)及特質(zhì)。

一、碳纖維的物理特質(zhì)及其聲學(xué)性能表現(xiàn)

高強(qiáng)度、高剛度、輕質(zhì)量、耐腐蝕、耐久性是碳纖維的顯著特性。碳纖維拉伸強(qiáng)度比鋼高幾倍，堅(jiān)硬度甚至高于鋁和鈦，自身密度較低，質(zhì)量小，對(duì)酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)具有較好耐腐蝕性，出色的疲勞耐久性，使其長期使用而不易變形。在聲學(xué)性能方面，因碳纖維均勻的結(jié)構(gòu)，使其能夠產(chǎn)生非常清晰、明亮的音色。在使用過程中，通過改變其制作過程中的參數(shù)（如纖維的排列方式、使用的樹脂類型等）對(duì)其密度和彈性模量進(jìn)行調(diào)整，從而可以根據(jù)需要定制樂器的聲學(xué)性能。

正是基于碳纖維的種種物理特質(zhì)，使得以碳纖維為制作材料的樂器在各種環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定的音質(zhì)和音準(zhǔn)，可以滿足不同演奏環(huán)境的樂器音響需求，較傳統(tǒng)的木質(zhì)樂器有著更加顯著的優(yōu)勢(shì)。但是碳纖維樂器也存在一些不足，如情感表達(dá)、持續(xù)時(shí)間等方面，還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

二、碳纖維尤克里里的結(jié)構(gòu)與音色解析

（一）碳纖維尤克里里的結(jié)構(gòu)

本文選取了ENYA品牌NOVA U系列23寸碳纖維材質(zhì)的尤克里里樂器為研究對(duì)象。琴身、指板、琴橋、上下弦枕均使用聲學(xué)碳纖維一體壓鑄，琴弦為恩雅日產(chǎn)E6，啞光油漆工藝。特別需要提出的是，碳纖維尤克里里和木質(zhì)尤克里里結(jié)構(gòu)基本一致，唯獨(dú)前者將主要的音孔移動(dòng)至左側(cè)板上方，讓整個(gè)面板有了更大震動(dòng)面積，從而帶來更強(qiáng)的箱體氣壓，獲得更好的共鳴效果，而所有的木質(zhì)尤克里里都沒有側(cè)板音孔。

（二）碳纖維尤克里里的發(fā)聲原理

尤克里里屬于有指板的手撥類弦鳴樂器。根據(jù)聲學(xué)結(jié)構(gòu)分為共鳴系統(tǒng)、傳導(dǎo)系統(tǒng)、弦振系統(tǒng)、調(diào)控系統(tǒng)和激勵(lì)系統(tǒng)。當(dāng)琴弦被手指（激勵(lì)系統(tǒng)）激勵(lì)時(shí)，琴弦（弦振系統(tǒng)）會(huì)被帶離平衡位置，然后將弦放回，此時(shí)弦的張力和反彈力使弦以很快的速度向平衡位置反跳回來并越過其平衡位置，這樣琴弦會(huì)因?yàn)閼T性出現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生振動(dòng)，琴弦產(chǎn)生的振動(dòng)通過琴橋（傳導(dǎo)系統(tǒng)）傳遞到琴身（共鳴系統(tǒng)），隨后帶動(dòng)整個(gè)琴身共振，加強(qiáng)琴弦振動(dòng)的聲能擴(kuò)散。碳纖維因具有較高的強(qiáng)度和剛度，吸音性較低，用于制作共鳴箱能夠一定程度上改變樂器的共鳴特性和音色。

三、基于HEAD對(duì)碳纖維尤克里里與木質(zhì)尤克里里進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量

（一）總體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選取同一品牌同一尺寸相同售價(jià)且形制相近的兩把碳纖維尤克里里和木質(zhì)尤克里里，并都使用ENYA品牌的日產(chǎn)E6琴弦。為保證撥琴弦的作用力相同，本研究由同一演奏者進(jìn)行演奏。為保證演奏每次聲壓誤差不超過1dB（在音樂演奏實(shí)驗(yàn)中，通常會(huì)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以獲得更可靠的結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)條件和參與者的變化，實(shí)際上很難完全消除所有因素導(dǎo)致的聲壓級(jí)誤差。因此，將聲壓級(jí)誤差控制在1dB以內(nèi)可以認(rèn)為是一種實(shí)際可行的范圍，可以保持實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和可比性），在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上把聲音量級(jí)測(cè)量放在第一順序，測(cè)量結(jié)果也顯示每次演奏聲壓誤差沒有超過1dB，保證了后面測(cè)量實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

（二）實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)于封閉混響聲場中進(jìn)行，采用十點(diǎn)測(cè)量法，即半球型傳聲器陣列，選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)等距離分布在半徑為1米的半球形區(qū)域內(nèi)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)設(shè)立一個(gè)聲音采集通道，記錄激發(fā)分貝大于30分貝的彈奏音。麥克風(fēng)參數(shù)分別為：1號(hào)通道為45.31mv/pa，2號(hào)通道46.77mv/pa，3號(hào)通道50.11mv/pa，4號(hào)通道47.31mv/pa，5號(hào)通道54.32mv/pa，6號(hào)通道44.66mv/pa，7號(hào)通道47.31mv/pa，8號(hào)通道47.86mv/pa，9號(hào)通道54.95mv/pa，10號(hào)通道52.48mv/pa。每個(gè)通道距離聲源距離均為1m，10號(hào)通道位于尤克里里聲源上方（見圖1）。

（三）實(shí)驗(yàn)測(cè)量

將軟件中分析池中頻率計(jì)權(quán)設(shè)置為適用聲音分析的A計(jì)權(quán)，導(dǎo)出量級(jí)vs時(shí)間的圖表，對(duì)比木質(zhì)尤克里里與碳纖維尤克里里強(qiáng)弱彈奏4弦G4音的四個(gè)圖像里十個(gè)通道的情況，闡釋了兩種材質(zhì)的強(qiáng)弱兩種彈奏方式的G4音的十個(gè)通道隨著時(shí)間的變化情況，其中碳纖維尤克里里在1.12s時(shí)的強(qiáng)力度激勵(lì)下，聲音的量級(jí)于1.18s到達(dá)峰值，2號(hào)通道數(shù)值為最高，80.3dB，1號(hào)通道次之為80.2dB。碳纖維尤克里里1s時(shí)弱力度激勵(lì)下1.13秒量級(jí)到達(dá)峰值，2號(hào)通道最高為60.5dB，1號(hào)通道為60.1dB。木質(zhì)尤克里里在0.98秒弱力度激勵(lì)下1.09秒到達(dá)峰值，1號(hào)通道為最高，47.8dB，2號(hào)通道為47.1dB。木質(zhì)尤克里里在1.07秒在強(qiáng)力度的激勵(lì)下1.14秒到達(dá)峰值，1號(hào)通道量級(jí)為75.4dB，3號(hào)通道次之為73.4dB。這樣可知碳纖維尤克里里中2號(hào)通道的指向性和聲音采集情況最佳，1號(hào)通道次之。而木質(zhì)尤克里里中1號(hào)通道的指向性和采集情況最佳。1號(hào)通道位于演奏者右前方，2號(hào)通道位于演奏者左前方，這表明了樂器的指向性與樂器的共鳴系統(tǒng)的朝向有關(guān)。為了實(shí)驗(yàn)的定量對(duì)比結(jié)果的準(zhǔn)確性，同樣考慮到1號(hào)通道的價(jià)值和收集數(shù)據(jù)的對(duì)比性上，所以在接下里的分析中采用1號(hào)通道作為標(biāo)準(zhǔn)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

（1）聲音量級(jí)測(cè)量

從圖2可以看到聲音的相對(duì)響度和衰減的變化，其中G4圖像碳纖維尤克里里在0.9秒時(shí)被激勵(lì)三次，分別于1.3、1.2、1.1秒到達(dá)峰值，數(shù)值分別為80dB、78dB和79dB；木質(zhì)尤克里里在0.9秒被激勵(lì)三次，分別于1.2、1.1、1.1秒到達(dá)峰值，數(shù)值分別為75dB、76dB、76dB。E4圖像中碳纖維尤克里里在0.9秒被激勵(lì)三次，分別于1.1、1.2、1.2秒到達(dá)峰值，數(shù)值均為78dB，木質(zhì)尤克里里在0.9秒被激勵(lì)三次，分別于1.2、1.1、1.2秒到達(dá)峰值，數(shù)值為75dB、75.3dB和75dB。從橫坐標(biāo)時(shí)間上碳纖維尤克里里的聲音持續(xù)時(shí)間分別為G音0.9-6s，共5.1s，E音0.9-6s，共5.1s。木質(zhì)尤克里里的持續(xù)時(shí)間為G音0.9-5s，共4.1s，E音0.9-6.4s，共5.5s。由于木質(zhì)尤克里里的E音在2.3秒至6.4秒時(shí)會(huì)出現(xiàn)不諧和波動(dòng)，所以也說明碳纖維尤克里里在聲音的持續(xù)時(shí)間上要略優(yōu)于木質(zhì)尤克里里。從縱坐標(biāo)上量級(jí)的數(shù)值可以分析出在相同力度下碳纖維尤克里里的聲壓級(jí)會(huì)略高于木質(zhì)尤克里里。其中E音圖像中在木質(zhì)尤克里里的圖像在2.3-6.4s階段波浪式的變化也表明了碳纖維尤克里里的穩(wěn)定性更好一些。由于三次彈奏的曲線都極其接近，后續(xù)的聲學(xué)分析將采用第一次彈奏的聲音分析為主。

（2）頻譜測(cè)量

通過頻譜測(cè)量可以觀察出聲音在一段時(shí)間內(nèi)頻域上的頻譜特征。測(cè)量選取強(qiáng)力度彈奏中的A4和G4進(jìn)行代表性分析。在圖3中A4的對(duì)比中看到木質(zhì)尤克里里在1-3.6秒時(shí)頻率強(qiáng)度由激勵(lì)至峰值再至消逝，包含著160hz至19khz的頻率成分，而碳纖維尤克里里則是1-4.5s的時(shí)長包含著160hz-15khz的頻率成分。在G4的對(duì)比中可以看到木質(zhì)尤克里里在1.1-3.7s的時(shí)長包含著120hz至19khz的頻率成分，碳纖維尤克里里則是1.2-5.3s包含著130hz-15khz的頻率成分。從橫坐標(biāo)時(shí)間上對(duì)比，木質(zhì)尤克里里的A、G兩音時(shí)長均為2.6s，碳纖維尤克里里兩音時(shí)長為3.5s和4.1s，這樣可以看到碳纖維尤克里里的持續(xù)時(shí)間要略長，再次印證了聲音量級(jí)測(cè)量的結(jié)論。從縱坐標(biāo)上也可以看出木質(zhì)尤克里里的頻率成分對(duì)比碳纖維尤克里里更為豐富，而從圖像上看碳纖維尤克里里的頻率能量的分布相比更為均勻。

（3）FFT測(cè)量

筆者選取強(qiáng)力度彈奏中的E4和G4進(jìn)行代表性分析，綠色曲線代表著木質(zhì)尤克里里頻譜特性，紅色代表著碳纖維尤克里里頻譜特性，兩者在基音聲壓級(jí)相近的情況下，E、G兩音在200-1000hz時(shí)碳纖維尤克里里的聲壓級(jí)要略強(qiáng)于木質(zhì)尤克里里，但在1000-20khz時(shí)木質(zhì)尤克里里響度要強(qiáng)于碳纖維尤克里里，說明了在低頻帶中碳纖維尤克里里的響度強(qiáng)于木質(zhì)尤克里里，而在中高頻帶中木質(zhì)尤克里里的響度要強(qiáng)于碳纖維尤克里里。對(duì)比圖4中發(fā)現(xiàn)木質(zhì)尤克里里的諧波要比碳纖維尤克里里更多，但碳纖維尤克里里的諧波分布和振幅衰減的變化相比要更加均勻。

（4）特征響度測(cè)量

如圖5可以看出，弱力度演奏C和A的木質(zhì)尤克里里和碳纖維尤克里里的響度對(duì)比，在C圖像和A圖像中0-24bark范圍內(nèi)碳纖維尤克里里的心理聲學(xué)響度均高于木質(zhì)尤克里里，這樣就可以得出在相同彈奏力度下碳纖維尤克里里感知響度都普遍高于木質(zhì)尤克里里。

綜上，可以知道木制尤克里里音色更加豐富，能提供豐富且溫暖的音響，在手感、音準(zhǔn)和靈敏度方面都具有良好的演奏性能表現(xiàn)，但木質(zhì)材料的不穩(wěn)定性對(duì)于木質(zhì)尤克里里的耐久性有著極大的挑戰(zhàn)。碳纖維尤克里里具有較輕的自重，良好的強(qiáng)度和剛度，以及出色的耐久性和抗變形特性，音色上也更加明亮、清晰，聲音的持續(xù)性和響度都優(yōu)于木質(zhì)尤克里里，但情感性表達(dá)和個(gè)性化音色需求方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化。新的材質(zhì)提供新的可能，如果能夠優(yōu)化碳纖維材料和制作工藝，從而實(shí)現(xiàn)模擬木質(zhì)樂器聲學(xué)特性的訴求也許是未來新的探索和機(jī)遇。

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