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小提琴音响质量评估与优化

时间:2013-06-08 21:08来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
分析了小提琴音响品质的研究历史和现状,指出新提琴音质都有一个长达数十年乃至数百年演奏振动及内应力变化形成新音质的成熟过程,同时指出通过振动时效的方法可以缩短新提琴

第一章 绪论


1.1 中国提琴产业的发展现状
我国提琴制造业经过数十年的发展,在产量、品种、质量方面都取得了突出的成绩,中国提琴已经全面走向世界,在世界中低档提琴市场占有了绝对的优势,从生产规模上看,工厂流水线的大批量生产与作坊式的小批量生产和个人单件生产,百花齐放,应有尽有[1]。各种档次规格的提琴年总产量近百万把,成为世界上提琴生产量最大的国家;同时,国产提琴的质量逐年提升,我国有十几位制琴师的作品在国际比赛中获奖,应该说我国提琴中的精品已达到世界新制提琴的最高水平,中低档琴也不低于同档欧洲琴的质量水平,其中低档琴已经得到了国际的认可。中国提琴的外观工艺,与国外提琴没有多大区别[2]。然而,目前中国提琴与国外提琴相比,仍然存在较大差距,主要体现在材料配备、标准控制、油漆、装配工艺及内在质量上的差距。没有统一标准,生产过程中实行全面标准控制能力差。油漆材料封闭性较强,影响提琴发声,使中国提琴音色普遍较闷。装配工艺不能与提琴个性相结合,不能按照每把琴的具体情况进行装配,中国提琴出口到国外都要进行重新调整,这是中国提琴与国外提琴的最大差距。总之,中国提琴生产总量世界第一,产品质量有了很大的提高,但大部分提琴生产企业以生产中低档产品为主,90%以上是低档产品。产品附加值低,资源消耗大。在价格与社会评价方面,中国提琴存在逐年下滑趋势,与外国琴比,同一比赛获金牌的国产琴卖不到国外银牌琴的价格,而一把国内生产后出口到外国、换上外国商标的国产琴身价可涨若干倍[3]。按 2005 年的估计,我国年产提琴约 100 万把,其中约 70%出口,成为世界提琴生产第一大国,占据了国外提琴的低端市场。但中国小提琴(普及)出口价大约仅为 23 美元,为日本铃木提琴的五分之一。中国应该为改变这种状况建立有效的新手段。目前,普及琴:300-3000 元,学习琴:3000-15000 元,专业练习琴:15000-100000元,高级演奏琴:>100000 元。国际小提琴制作比赛对参赛小提琴保金为:7500 欧元。这些资料表明,只要掌握全面提高提琴品质的新技术,中国琴的价格和市场仍有很大的提升空间。


1.2 小提琴音响品质研究历史和现状
从 19 世纪开始,科学家通过物理学或者化学的分析,对一些公认为音色好的小提琴进行研究。他们分别把“好的音质”进行量化,就是找出不同“好的音质”的频谱图,然后进行比较,研究怎样处理提琴的各个部分,才能发出“好的音质”。强森,麦利南和怀恩莱齐提出,低频区的共振主要是由音箱整体以及琴体内空气的共振决定;当频率增加时,面背板共振特性的重要性会逐渐明显;到了高频区,则是受琴码(以及面板)的影响较大[4]-[6]。麦利南提出,小提琴的音箱共振主要是由三个因素决定的,分别是音箱内的空气体积,开孔边的厚度,以及所有开孔的面积总和[7]-[10]。当音箱内的空气体积增加 10%,共振频率会下降一个半音;如果 f 孔的开孔面积增加 20%,则共振频率会上升一个半音,反之亦然。至于 f 孔周边的厚度,由于空气会与 f 孔的切面产生摩擦,因此会对振动产生阻尼。如果把 f 孔切面的棱角锉园,那么阻尼效果会减少,产生出来的频谱图的波峰会较窄和较高。这代表了受共振影响而增加的分音的数目会减少。另外,f孔的形状(也和开孔面积总和有关)也会对音箱共振构成影响。指出,f 孔如果又窄又尖在极端的情况下,“有效质量”会下降,导致亥姆霍兹频率上升,振幅下降,因而大大降低了共振的持续性。关于 f 孔对频谱图的影响,强森做了一个实验,就是在面板修削的不同过程中,收集各阶段的频谱图,随着开孔面积的增加,亥姆霍兹频率会随之而上升(约于 260Hz 位置的峰),而产生出来的音也是较长的[11]。这两点是与麦利南所描述的吻合。对于琴体空气音的描述,哈佛物理学家桑德斯于 1937 年收集了 5 把斯特拉地瓦利小提琴的频谱图,发现 A0 出现于 C#,约 260H z 的位置[12]。面板和背板:席恩指出,提琴琴身整体的共振频率大部分是取决于面板和背板的共振模式[13]。面背板的影响是巨大的,因为它们是提琴上面积最大的共振体,而且它们会对之前所描述的琴体空气音构成影响(音箱内的空气在振动的时候,会像弹簧一样的运动,而面背板的硬度与亥姆霍兹频率是有关系的。一般来说,如果面背板越硬,亥姆霍兹频率会越高)。


1.3本文技术背景及目标
所有的新提琴音质都有一个长达数十年乃至数百年演奏振动及内应力变化形成新音质的成熟过程。本研究目标就是要用人工的方法显著缩短以上的过程。其手段就是力学优化-振动时效。我国已率先推广“振动时效”,对重要钢结构可用振动时效来消除应力,提高钢结构的稳定性。已成功应用于核电、三峡、磁悬浮、上海光源等重大工程,已建立了国家行业标准[16];“振动时效”在效果评定上采用声学扫频技术,并以共振峰值上升、图 1-1 中虚线是优化前的幅-频特性曲线,实线是优化后的幅-频特性曲线。优化后的曲线,其峰值频率出现左移即频率下降和振幅上升的现象。如果再进一步优化而幅频曲线不再明显变化,则表明结构进入稳定。所谓“时效”的实质是“老化”,振动时效则通过动应力亚共振的作用来消除构件内的影响运行寿命的加工应力,仅用约40 分钟的处理获得自然时效约一年的效果。而现代化的装备可以实现工艺过程的自动处理和自动评估。我国机械行业也推出了两个标准,规范了该工艺的执行。


第二章 小提琴音响品质评估及优化系统建立


建立小提琴音响品质评估与优化系统是进行提琴音响品质评估与优化的基础。本章目的是根据小提琴的发声特点创造性的建立小提琴音响品质评估系统与优化的机械系统,以及 Matlab[21]发声程序和 Labview[22]数据采集程序构成的软件系统。评估系统主要是通过 Labview 声音采集程序,采集小提琴发声数据,然后通过 origin[23]对数据进行后处理,将幅时曲线经过 FFT[24]变换成幅频曲线,从而建立相关标准进行评估。优化系统则主要运用电磁学知识,利用巨磁致伸缩伸缩棒的发声机理[25],以及AutoCAD[26]画图设计评估与优化系统;采用 Matlab 发出激励声音,Labview 采集小提琴响应信号并做出后处理实现整个软件系统。


2.1 小提琴结构概述
小提琴由琴弦以及琴箱组成。当旋紧马尾的琴弓和琴箱上张紧的琴弦发生摩擦时,也就是说有机械能量施加到琴弦上,琴弦就产生机械振动,而琴弦的机械振动是通过架在琴箱上的琴码,将弦振动传递到共鸣箱。共鸣箱随琴弦的振动而共振,于是振动得以增强,共鸣箱的共振推动周围的空气振动,使得声音放大,辐射扩散到听众的耳朵成为乐音[27]。从声学上看,一把完整的小提琴由如下基本结构组成[28]:(1) 激励系统,即琴弓,用于对弦进行触发,使弦振动发声。(2) 弦振系统,包括琴弦和张弦装置。这是小提琴发声最终要的一个系统。(3) 传导系统,即琴码,用以将弦的振动传播到琴箱。(4) 共鸣系统,即琴箱,用以加强弦振动的扩散。(5) 调控装置,如旋钮,用以调整弦的张紧程度;弱音器,用于改变音量和音色。


第三章 小提琴力学性能试验设计............. 24-35
    3.1 前言............ 24-25
    3.2 木材拉伸力学性能试验 ............25-28
    3.3 小提琴工作应力测量试验............ 28-34
    3.4 本章小结 ............4-35
第四章 小提琴音响评估试验............ 35-47
    4.1 小提琴发音过程分析............ 35-38
    4.2 试验方案设计............ 38-39
    4.3 发音品质分析 ............39-42
    4.4 小提琴发音传远能力分析............ 42-45
    4.5 本章小结 ............45-47
第五章 小提琴音质优化系统的设计............47-53
    5.1 对振动模型的可行性分析 ............47-48
    5.2 机械压紧装置设计 ............48-50
    5.3 力学优化程序设计与参数设置............50-52
5.4 本章小结............ 52-53


小提琴的发音品质的成熟过程是一种老化过程,一把新提琴音质都有一个长达数十年乃至数百年演奏振动及内应力变化形成新音质的成熟过程,通过振动时效的方法可以缩短新提琴的成熟期,促进小提琴老化,从而达到优化的目的。基于这一思路,本文从理论意义和应用价值入手,提出了建立小提琴音响品质评估与优化系统的必要性。分析了小提琴音响品质的研究历史和现状,指出通过发音和声音的传远能力两项指标来进行量化评估,欲建立一套评估和优化系统,并指出了研究的难点。从硬件和软件两方面建立小提琴的音响品质评估与优化系统。发音品质和声音传远能力是评估系统考察的两个重要方面。小提琴音响品质优化方面,完成了硬件和软件的设计,其中包括成功设计一整套试验机架和一套发声与采集程序。振动模型进行了可行性分析,最终选用磁致伸缩材料作为振动的主体设计。分析了小提琴在振动过程中的受力情况,并以此为理论基础设计了龙门架和振动机械装置。根据十二平均律完成了扫频信号的设计,并运用 Matlab 和 Labview 完成了发音程序和采集程序的设计。完成了小提琴力学性能试验,小提琴音响品质评估与优化试验,并得出了以下结论:
(1)小提琴面板和背板均受到拉压应力单根弦的振动对提琴面板应力分布没有很大影响。全弓拉奏比短时间拉拨对应力分布的影响大。小提琴校音过程中小提琴尾部和琴码以及 f 孔附近的应力分布相对较大。小提琴的音质基本上取决于它的木质和相应的声学-力学结构,即木对弦振动的响应。
(2)在装配以及琴弦在校音张紧后,小提琴面板上产生的最大应力远小于小提琴材质的抗拉(及抗压)极限强度。其表明,目前的力学优化不会造成对提琴的伤害,力学优化的负载振幅还可以适当增大,以实现较短的时间内获得更佳的优化效果。通过 3 次的优化试验,证明了以上的观点。另一方面,可以适当削减在某些部位的木材用料,将提琴在局部做得更薄,改善小提琴的音质。这只是一个小提琴音质优化的思路,有效性需要试验的进一步证实。
(3)通过古琴和白坯琴的声音幅-时曲线以及幅-频曲线做出分析,并得出音质成熟小提琴的评估准则:时域图中,发音峰相对圆滑,每个周波内振动峰丰富,且包含较多的泛音峰。频域图中,倍频峰充分发育,整个频域图上呈现多倍频峰共存的现象,且泛音峰发育相对充分,两个基音之间的泛音峰更加丰富。包络线呈现出多峰,从低频到高频能量分布相对均衡。
(4)人工评估需要处理大量的数据,不利于技术的工程化。创新性的建立了仪器评估系统,该系统直观简洁,具有与人工评估相同的可信度。


参考文献
[1] 王中山.对国产提琴处境的思考与建议[J].乐器,2004 年(02):87.
[2] 李书. 中国提琴产业的发展现状与未来[J]乐器,2008 年(05):106-107
[3] 中国乐器工业发展的战略[J]上海 轻工业,2001 年(04)13-14.
[4] Jansson, Erik "The Function of the Violin". Kungl http://www.e-lunwen.com/yxgc/ Tekniska Hogskolan.
[5] McLennan, J. E. "Air and body modes in the violin". Jnl AAMIM, June 1997, 5.
[6] Weinreich, Gabriel "Directional Tone Colour". J. Acoust Soc. Am. 101 (4) April 1997
[7] McLennan, J. E. "The function of f-holes in the violin" Jnl AAMIM XXII (3)September 2003, 5-8.
[8] McLennan, J. E. "Cera Colla". Jnl AAMIN XII (2), 1993, 21.
[9] McLennan, J. E. "Some violin response curves and what does the soundpost do". Jnl AAMIM XV(2), 1996, 17.
[10]McLennan, J. E. "The soundpost in the violin. Part I: The effect of soundpoststiffness on peak resonance and sound output" Jnl AAMIM XX (1) March 2001, 2

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